數(shù)控加工教學(xué)平臺(tái)仿真.doc

基于OpenGL的數(shù)控加工教學(xué)平臺(tái)的建模與仿真摘要：文章以 Windows XP為開發(fā)平臺(tái)，以 開放式圖形開發(fā)庫OpenGL及Visual C+6.0 軟件為開發(fā)工具，建立了數(shù)控加工教學(xué)平臺(tái)中的幾何模型和運(yùn)動(dòng)模型并論述了其編程原理。關(guān)鍵詞：數(shù)控教學(xué)平臺(tái);建模;數(shù)控仿真;OpenGLAbstract: This paper uses Windows XP as developing platform, uses OpenGL and Visual C+6.0 software as developing tool to build geometry model and movement model of NC Teaching Platform and the principle of program is expounded.Key words: NC teaching platform; modeling; NC simulation; OpenGL 0 前言二十一世紀(jì)機(jī)械制造業(yè)的競爭，其實(shí)質(zhì)是數(shù)控技術(shù)的競爭。近年來，國內(nèi)外都十分重視數(shù)控教學(xué)。數(shù)控教學(xué)大致包括一般數(shù)控知識(shí)的教學(xué)和實(shí)際操作技能的培訓(xùn)兩部分內(nèi)容，相應(yīng)的培訓(xùn)除了必要的理論講解，大部分工作是在數(shù)控設(shè)備上的實(shí)際操作訓(xùn)練。而數(shù)控設(shè)備價(jià)格昂貴，培訓(xùn)者的誤操作還可能會(huì)危及機(jī)床設(shè)備甚至于操作者自身的人身安全。因此，數(shù)控先期教學(xué)不適合在實(shí)際設(shè)備上進(jìn)行。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、圖形圖像處理及虛擬加工技術(shù)的發(fā)展, 建立一個(gè)經(jīng)濟(jì)、高效、快捷、通用的數(shù)控加工教學(xué)平臺(tái)已經(jīng)成為可能。在這個(gè)數(shù)控加工教學(xué)平臺(tái)上，操作者能夠在生動(dòng)、直觀的動(dòng)畫環(huán)境下,數(shù)控編程、手工操作、試切對刀和數(shù)控加工，猶如在操作一臺(tái)真正的數(shù)控機(jī)床。數(shù)控加工教學(xué)平臺(tái)的開發(fā)需要專門的三維圖形加速引擎及開發(fā)接口平臺(tái), Windows操作系統(tǒng)下提供了多種這樣的平臺(tái) ,最常見的有 Direct3D和 OpenGL兩種。下面介紹基于OpenGL的數(shù)控加工教學(xué)平臺(tái)的建模與仿真。1 OpenGL建模方法OpenGL是開放式圖形開發(fā)庫(Open Graphics Library)的縮寫，是美國硅谷圖像公司用C語言為圖形工作站開發(fā)的圖形軟件。 OpenGL是一個(gè)圖形和硬件的軟件接口，它由幾百個(gè)指令或函數(shù)組成，是一個(gè)三維的圖形和模型庫，在CAD/CAM 等需要高級三維對象可視化和圖形繪制的領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，OpenGL還提供了諸如基本圖元繪制、變換矩陣、著色模式、光照、反走樣等方法來控制三維圖形的繪制。現(xiàn)在，Windows操作系統(tǒng)全面支持OpenGL，使用戶在 PC機(jī)上可用它開發(fā)圖形動(dòng)畫產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真。目前，OpenGL己成為新一代三維圖形開發(fā)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。OpenGL建模的工作流程，如圖1所示。幾何頂點(diǎn)數(shù)據(jù)圖像象素?cái)?shù)據(jù)運(yùn)算器顯示列表逐個(gè)頂點(diǎn)操作圖像操作光柵化逐個(gè)片元操作紋理映射幀緩沖器圖1 OpenGL建模的工作流程圖1中幾何頂點(diǎn)數(shù)據(jù)包括模型的頂點(diǎn)集、線集、多邊形集，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過運(yùn)算器、逐個(gè)頂點(diǎn)操作等；圖像象素?cái)?shù)據(jù)包括象素集、影像集、位圖集等，圖像象素?cái)?shù)據(jù)的處理方式與幾何頂點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理方式是不同，但它們都經(jīng)過光柵化，逐個(gè)片元 (Fragment)操作，直至把最后的光柵數(shù)據(jù)寫入幀緩沖器。在 OpenGL中的所有數(shù)據(jù)，包括幾何頂點(diǎn)數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)都可以被存儲(chǔ)在顯示列表中，或者立即可以得到處理。OpenGL中，顯示列表技術(shù)是一項(xiàng)重要的技術(shù)。OpenGL要求把所有的幾何圖形單元都用頂點(diǎn)來描述，這樣運(yùn)算器和逐個(gè)頂點(diǎn)計(jì)算操作都可以針對每個(gè)頂點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算和操作，然后進(jìn)行光柵化形成圖形碎片；對于圖像數(shù)據(jù)，象素操作結(jié)果被存儲(chǔ)在紋理組裝用的內(nèi)存中，再與幾何頂點(diǎn)操作一樣光柵化形成圖形片元。整個(gè)流程操作的最后，圖形片元都要進(jìn)行一系列的逐個(gè)片元操作，這樣最后的象素值送入幀緩沖器實(shí)現(xiàn)圖形的顯示。OpenGL并未提供復(fù)雜物體的建模技術(shù)，只提供了一些繪制點(diǎn)、線及多邊形的基本建模函數(shù)，給程序員以巨大的自由發(fā)揮空間。通過基本圖形的組合、平移、旋轉(zhuǎn)和縮放，可得到任意三維形體。在OpenGL中，通過定義光源的顏色、透明度、位置和照射方向來定義光源。而材質(zhì)反映了物體的本身特性，它決定了反射光的顏色、特性和強(qiáng)度。材質(zhì)顏色包括環(huán)境反射光、漫反射光、鏡面反射光和自身發(fā)射光。通過光源和材質(zhì)的合理設(shè)置，能逼真模擬出物體外觀。紋理映射是真實(shí)感圖形制作的一個(gè)重要部分。OpenGL提供了一系列完整的操作函數(shù)來定義、設(shè)置和調(diào)用紋理，用戶可用它們構(gòu)造理想的物體表面，將紋理圖案用不同方式粘貼到曲面上，使三維場景中的物體更生動(dòng)、更自然。2 數(shù)控加工教學(xué)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)數(shù)控加工教學(xué)平臺(tái)的具體設(shè)計(jì)目標(biāo)為：（1）能實(shí)現(xiàn)零件裝夾、自動(dòng)換刀、切削成形等過程的仿真。（2）能通過鍵盤、鼠標(biāo)、圖形終端等外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。（3）能夠進(jìn)行刀具與夾具、工件的碰撞干涉檢查。（4）能對加工誤差進(jìn)行分析與評價(jià)。根據(jù)上述的具體設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)，數(shù)控加工教學(xué)平臺(tái)的總體框架如圖2所示，包括數(shù)控機(jī)床模型、刀具模型、夾具模型、工件模型，通過逐條讀取及編譯NC代碼來進(jìn)行切削加工仿真及碰撞干涉檢查仿真，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工過程的仿真教學(xué)。數(shù)控加工教學(xué)平臺(tái)加工環(huán)境加工過程刀具模型夾具模型工件模型程序處理機(jī)床模型切削加工干涉檢驗(yàn)圖2 數(shù)控教學(xué)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)3 數(shù)控加工教學(xué)平臺(tái)的建模根據(jù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架圖，把系統(tǒng)劃分為如下幾個(gè)模塊：加工環(huán)境模塊、NC代碼處理模塊、切削加工仿真模塊、碰撞干涉檢查模塊。3.1 加工環(huán)境建模加工環(huán)境模型主要包括機(jī)床模型、毛坯模型、刀具模型、夾具模型等, 這些模型在NC代碼驅(qū)動(dòng)下相互協(xié)同工作，完成加工的仿真。在這里我們需要用OpenGL和Visual C+6.0來建立模型, 從而建立符合功能要求的加工環(huán)境仿真模塊?；静襟E如下:(1)根據(jù)基本圖形單元建立景物模型,并且對所建立的模型進(jìn)行數(shù)學(xué)描述(點(diǎn)、線、多邊形、圖像和位圖都看作基本圖形單元)；(2)把景物模型放在三維空間中的合適的位置,并且設(shè)置視點(diǎn)(ViewPoint)；(3)計(jì)算模型中所有物體的色彩, 其中的色彩根據(jù)應(yīng)用要求來確定,同時(shí)確定紋理粘貼方式等；(4)把景物模型的數(shù)學(xué)描述及其色彩信息轉(zhuǎn)換至計(jì)算機(jī)屏幕上的象素。下面是建模的部分程序：void CRenderView:DrawBase() glPushMatrix(); /壓入當(dāng)前矩陣堆棧/DrawBoard(); /建立橫向溜板、縱向工作臺(tái)、工件等模塊函數(shù)/glColor3f(0.8f,0.8f,0.8f); /設(shè)置當(dāng)前顏色/glTranslatef(-5.0f,-(2.5f+1.5f*board_ply),0.0f); /把當(dāng)前矩陣乘上一個(gè)平移矩陣/auxSolidBox(base_width,5.0f,10.0f); /建立床身底座模型/glTranslatef(-(base_width/2.0f-5.0f),2.5f+pole_high/2.0f,0.0f); /把當(dāng)前矩陣乘上一個(gè)平移矩陣/ glPopMatrix(); /彈出當(dāng)前矩陣堆棧/3.2 NC代碼處理模塊NC代碼是由定義了一定功能的大寫字母附上數(shù)據(jù)后組合而成的，一般每條指令完成一個(gè)動(dòng)作, 若干條指令按一定結(jié)構(gòu)構(gòu)成一段程序，主要包括準(zhǔn)備功能G代碼、輔助功能M代碼、進(jìn)給功能F代碼、主軸轉(zhuǎn)速功能S代碼及刀具功能T代碼等。NC代碼處理模塊用于實(shí)現(xiàn)NC代碼輸入、顯示修改及分析解釋功能。程序的讀取可以采用直接鍵盤手工輸入和程序文件讀入兩種方式；代碼解釋和分析主要是分析程序的結(jié)構(gòu)，通過對NC代碼的理解、檢查代碼語法語意的正確性，經(jīng)過譯碼、刀補(bǔ)計(jì)算、進(jìn)給速度處理，以得到刀具中心軌跡和其它所需數(shù)據(jù)，為刀具路徑建立數(shù)據(jù)表，作為仿真的驅(qū)動(dòng)信息，用于模擬加工模塊。NC代碼的處理過程主要包括NC程序的讀入以及對讀入程序的詞法、語法檢查和解釋。目前國內(nèi)外的數(shù)控裝置幾乎都采用可變程序段“字地址格式”，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了字地址程序段格式ISO6983-1-1982標(biāo)準(zhǔn)，形式如下：N G X Y Z I J K M S T F根據(jù)NC代碼的特點(diǎn)，本系統(tǒng)存取、管理這些代碼采用單向鏈表結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。由于本系統(tǒng)數(shù)控源代碼是以文本格式存儲(chǔ)的，所以首先由C +提供的I/O流操作函數(shù)Ofstream，fstream，ifstream來實(shí)現(xiàn)對源代碼的存取，由類ifstream讀入每一程序行，將讀入的程序行以字符串的格式存入text_list鏈表的text成員中，該鏈表的具體結(jié)構(gòu)為： struct Pro _text CString text；int lengh； Pro text3next；對數(shù)控程序代碼和數(shù)控仿真目的分析可知，我們只需從數(shù)控程序中提煉與仿真系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件有關(guān)的運(yùn)動(dòng)與狀態(tài)信息，而對于那些與運(yùn)動(dòng)軸無關(guān)的代碼，只要計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別它們并進(jìn)行詞法的檢驗(yàn)就可以了。因此，遍歷text_list鏈表對結(jié)構(gòu)體中成員text進(jìn)行分析，根據(jù)特定的算法，去除注釋等不必要的信息，提取有用的代碼信息即程序行中的指令值存入dictate _ list鏈表。同時(shí)該過程還完成數(shù)控程序的詞法和語法的檢查，若有錯(cuò)誤的信息將其存入指定的文件中。dictate_list鏈表的結(jié)構(gòu)為：struct Command intN； /行號 CString G； /G指令 double X； /x坐標(biāo) double Z； /z坐標(biāo) double R； /圓弧半徑值 double I； /圓弧中心坐標(biāo) Idouble K； /圓弧中心坐標(biāo) Kdouble F； /進(jìn)給速度值int S； /S指令 CStringM； /M指令 int T； /刀具號 Command3next； /next指針 然后提取有關(guān)命令動(dòng)作和狀態(tài)信息，通過對已經(jīng)存入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析掃描，即遍歷dictate_list鏈表，分離出相應(yīng)的信息，進(jìn)行刀具軌跡的離散和插補(bǔ)，得到仿真的驅(qū)動(dòng)信息，將其存入一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。3.3 切削加工仿真模塊切削加工仿真模塊是根據(jù)NC代碼對加工環(huán)境模型中各運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)教學(xué)系統(tǒng)中刀具和工件之間的相對運(yùn)動(dòng)。該模塊利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，讓計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)的加工過程，通過動(dòng)畫的形式形象、直觀的模擬數(shù)控加工的切削過程。通過仿真結(jié)果的可視化顯示，可以發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，修改工藝文件，優(yōu)化加工方案。根據(jù)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫原理，每秒顯示25幅以上的切削加工場景，整個(gè)加工過程的演示就是連續(xù)的。用OpenGL 的雙緩存(Double Buffering)技術(shù)可以方便地實(shí)現(xiàn)刀具相對運(yùn)動(dòng)過程的動(dòng)畫仿真。雙緩存提供兩個(gè)顏色緩存，在一個(gè)緩存中顯示幀時(shí)，在另一個(gè)緩存中繪制幀。在繪圖時(shí)，數(shù)控加工仿真系統(tǒng)根據(jù)插補(bǔ)計(jì)算得到的刀位軌跡值，在屏幕上實(shí)時(shí)的顯示刀具的變化情況。對于每一個(gè)計(jì)算出的插值點(diǎn)，刀具就進(jìn)給一步，系統(tǒng)即刷新一次，此時(shí)在后臺(tái)緩存進(jìn)行建模及對模型進(jìn)行變換，在前臺(tái)緩存顯示由后臺(tái)緩存已計(jì)算好的畫面，如此反復(fù)，最終動(dòng)態(tài)顯示切削加工過程。另外還利用OpenGL 的顯示列表技術(shù)和局部刷新技術(shù)防止場景的顫動(dòng)，增強(qiáng)切削場景的顯示效果。3.4干涉碰撞檢驗(yàn)?zāi)K干涉碰撞檢驗(yàn)?zāi)K主要是檢驗(yàn)刀具和主軸相對于非加工部件如夾具、工件的非加工部位、加工工作臺(tái)的干涉現(xiàn)象，由于加工過程由NC代碼驅(qū)動(dòng)，干涉出現(xiàn)位置的NC代碼信息可及時(shí)反饋提交用戶進(jìn)行檢查和修改。干涉檢查結(jié)果需進(jìn)行分析,按以下判據(jù)得出結(jié)論：(1)刀具切削部件與加工好的部件有干涉為過切；(2)刀具非切削部位與物體干涉為碰撞；(3)進(jìn)給速度快時(shí)的切削為碰撞；(4)主軸不轉(zhuǎn)時(shí)的干涉或切削為碰撞。我們采用形體求交的方法進(jìn)行干涉的定性檢查。如果兩個(gè)形體之間存在交集，就認(rèn)為他們互相干涉，在數(shù)控仿真建模過程中采用的體素定義方法不是通常所說的BOX、CYLINDER、CONE、SPHERE、TORUS等等，而是平掃體和旋轉(zhuǎn)體等，它們本身就可能表示很復(fù)雜的形狀。在本算法中，工件和夾具不是以整體的信息參與求交計(jì)算的，而是個(gè)別地進(jìn)行的。在論證這種方法的好處之前，先敘述形體求交算法的基本步驟：(1)將待計(jì)算的刀具和主軸形體的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到工件坐標(biāo)系下，工件的幾何信息已經(jīng)在裝夾時(shí)計(jì)算出；(2)對任一對求交形體A和B作包圍和干涉檢查，若不干涉，無需進(jìn)一步求交，轉(zhuǎn)(4)；(3)將A的所有棱邊和B的所有面進(jìn)行求交計(jì)算，若出現(xiàn)交點(diǎn)在面片內(nèi)，判定為形體相交，退出，否則進(jìn)入下一步；(4)取下一對求交形體，轉(zhuǎn)(2)。大多數(shù)情況下，在刀具沒有深入工件加工的情況下，僅包圍盒的檢查就可以排除大多數(shù)的相交情況。我們采用讓刀具和當(dāng)前工步已加工好的狀態(tài)件作干涉計(jì)算，若發(fā)生干涉，則一定會(huì)出現(xiàn)過切。將工件和夾具的信息分散成交簡單的多個(gè)BREP描述用于干涉檢驗(yàn)中的求交計(jì)算，可以提高檢驗(yàn)的速度，這是分類枚舉和多路思想的體現(xiàn)。簡單的信息便于計(jì)算和減少不必要的計(jì)算，而只要能夠判斷，立即做出計(jì)算，避免出現(xiàn)將刀具和工件的所有面進(jìn)行求交計(jì)算的機(jī)會(huì)。需要說明的是，邊界描述是用多面體逼近實(shí)際的形體的，這一近似性使得在描述孔和曲面時(shí)產(chǎn)生一定的誤差。增大離散等分?jǐn)?shù)的方法并不明智，因?yàn)檫@使得求交計(jì)算的效率大大降低。我們分析到這一問題主要在鉆孔、鉸孔、鏜孔、攻絲和孔的銑削加工中出現(xiàn)，如果適當(dāng)減小刀具的直徑，便可以避免由于離散化誤差引起干涉檢驗(yàn)的錯(cuò)誤報(bào)警。圖所示為數(shù)控車削加