基于虛擬制造的三維數(shù)控仿真系統(tǒng)開發(fā)_先進制造技術(shù)_虛擬制造_440

1、基于虛擬制造的三維數(shù)控仿真系統(tǒng)開發(fā)_先進制造技術(shù)_虛擬制造1 、引言隨著全球制造業(yè)市場的日新月異和現(xiàn)代化信息技術(shù)的高速發(fā)展，在計算 機對人類生活的諸多方面都產(chǎn)生著深刻影響的同時， 也在制造業(yè)中發(fā)揮著越來越 重要作用，促使制造業(yè)不斷開發(fā)和運用著全新的制造理念和技術(shù)。20 世紀 80 年代初以來，制造技術(shù)以信息集成為核心的計算機集成制造系統(tǒng) CIMS(computerintegrated manufacturing system)開始得到實施 ;80 年代末，以過程集成為核心的并行工程 CE(concurrent engineering) 技術(shù)進一步提高了 制造水平;進人 90 年代后，先進制造技

2、術(shù)進一步向更高水平發(fā)展，精益生產(chǎn) LP(leanproduction) 、敏捷制造 AM(agile manufacturing) 等新的制造理念不 斷涌現(xiàn)，虛擬制造 VM(virtual manufacturing) 也是產(chǎn)生于此階段。對于虛擬制造 ,目前還役有全球統(tǒng)一的標準定義 , 但不同國家的研究者都 曾進行過嘗試， 但因角度不同而均有失偏頗。 我國目前比較認同的定義是清華大 學肖田元教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組對虛擬制造的定義 : 虛擬制造是實際制造過程在計 算機上的映射， 即采用計算機仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)， 在高性能計算機及高速網(wǎng)絡(luò) 的支持下，在計算機上群組協(xié)同工作，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工

3、制造、性 能分析、品質(zhì)檢驗， 以及企業(yè)各級過程的管理與控制等產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程， 以 增強制造過程中各級的決策與控制能力，實現(xiàn)產(chǎn)品制造全過程的優(yōu)化。2 、虛擬制造技術(shù)從宏觀角度來分析，虛擬制造是屬于制造業(yè)信息化的科技范疇。為把我 國建成不僅是新的世界制造中心， 而且是廣泛應(yīng)用先進技術(shù)的制造強國， 國家相 關(guān)部門要求國內(nèi)骨干企業(yè)盡快著手信息化工作， 2010 年到 2015 年大中型企業(yè)要 達到國際先進的信息化制造水平。 為使制造企業(yè)實現(xiàn)這一宏偉目標， 就必須加強 對虛擬制造技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用， 因為它不僅是產(chǎn)業(yè)政策的規(guī)范， 更有經(jīng)濟利益的 驅(qū)動。由于虛擬制造技術(shù)具有誘人的應(yīng)用前景，工業(yè)發(fā)達國家均

4、著力于虛擬制 造的研究與應(yīng)用 : 在美國已形成了由政府、產(chǎn)業(yè)界、大學組成的多層次、多方位 的綜合研究開發(fā)力量。 主要在虛擬制造各個領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)、 系統(tǒng)開發(fā)和建立虛擬 制造環(huán)境等技術(shù)的研究， 在歐洲和日本， 許多大學和研究機構(gòu)通過相互間的合作 并聯(lián)合企業(yè)進行虛擬制造技術(shù)的研究工作， 尤其是在虛擬制造系統(tǒng)的建模和仿真 技術(shù)。實際應(yīng)用的典型例子有奔馳公司利用虛擬制造軟件縮短了30%- 40%勺車體噴漆設(shè)計時間 ;波音 777，其整機設(shè)計、部件測試、整機裝配以及各種環(huán)境下 的試飛均是在計算機上完成的，使其開發(fā)周期從過去 8 年時間縮短到 5 年。從國內(nèi)情況分析，要想完成制造業(yè)的跨越式發(fā)展，使我國實現(xiàn)從

5、制造大 國到制造強國的進步， 就必須注重引人國際先進制造技術(shù)理念的同時， 提高自主 創(chuàng)新能力， 盡可能多的擁有獨立知識產(chǎn)權(quán)。 由于我國市場已由賣方市場轉(zhuǎn)為買方 市場，人們對產(chǎn)品的需求愈來愈趨于舒適化、 個性化和多樣化， 以往的生產(chǎn)模式 已經(jīng)不能滿足市場的需求，必須依靠能夠充分體現(xiàn)先進制造技術(shù)理念的虛擬制造 來解決這個問題。3 、三維數(shù)控仿真在虛擬制造中，通過對數(shù)控機床及系統(tǒng)的建模進而虛擬地仿真數(shù)控加工 過程，不僅能節(jié)省資源、 避免風險， 而且可以通過真實地模擬機床及加工過程的 行為來快速地對機床操作人員進行培訓(xùn)， 幫助機床制造商向潛在的遠程客戶逼真 演示其產(chǎn)品。人能夠憑直覺感知計算機產(chǎn)生的三維

6、仿真模型的虛擬環(huán)境 . 在設(shè)計 新的方案或更改方案時能夠在真實制造之前在虛擬環(huán)境中進行零件的數(shù)控加工，檢查數(shù)控程序的正確性、合理性， 對加工方案的優(yōu)劣做出評估與優(yōu)化。 系統(tǒng)具有 仿真效果真實感強、 實時性好的優(yōu)點。 近幾年數(shù)控技術(shù)得到了快速發(fā)展， 但加工 零件的 Nc 代碼在實際加工前通常需要進行試切，以槍驗 NC 代碼的正確性和被加 工零件是否達到工藝要求，這一過程不僅周期長、勞動強度大，而且成本高。而 數(shù)控仿真系統(tǒng)是采用計算機建模和仿真技術(shù)來模擬實際數(shù)控加工環(huán)境， 從而部分 和完全代替了試切環(huán)節(jié)， 減少設(shè)計和制造周期及成本。 利用數(shù)控仿真系統(tǒng)還可以 檢驗數(shù)控加工中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象。 三維圖形

7、的處理是數(shù)控仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)， 國內(nèi) 外對此進行了大量的研究， 但三維空間潛藏著許多難以克服的困難。 現(xiàn)在采用較 多的是基于構(gòu)造的實體幾何表示(CSG)方法，即通過對體素定義運算而得到新的 形體的一種表示方法， 它存在對形體的局部操作不易實現(xiàn)、 形體的表示受體素種 類的限制等缺點。研究者據(jù)此提出了基于邊界表示法的三維圖形的建模方法，從而可以快 速有效地實現(xiàn)三維圖形的運動仿真和碰撞干涉檢測等。 本文所述為科技攻關(guān)項目 的子課題研究內(nèi)容， 即通過對虛擬加工環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)實現(xiàn)中的主要關(guān)鍵技 術(shù)的研究，開發(fā)出基于慮擬制造技術(shù)的三維數(shù)控仿真系統(tǒng)。4 、加工環(huán)境與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)虛擬加工環(huán)境是實現(xiàn)虛擬制造全過程

8、的一個重要環(huán)節(jié)， 它是將機床 - 刀具 等制造資源和被加工對象以數(shù)字化的形式建立在計算機內(nèi)、 利用計算機技術(shù)實現(xiàn) 產(chǎn)品的加工過程仿真， 而且必須與實際加工系統(tǒng)具有功能和行為的一致性。 虛擬 加工環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括 (:l) 三維混合建模模塊 : 包括幾何建模、行為建棋、 其它建模 ;(2) 虛擬加工環(huán)境模塊 : 包括靜態(tài)幾何模型和運動模型的建立 ;(3) 數(shù)控 代碼解析模塊 : 用于對所編制的程序錯誤進行檢驗，并對數(shù)控加工過程仿真的動 作和狀態(tài)起指揮和控制作用 ;(4) 加工過程仿真模塊 : 包括加工過程幾何仿真、物 理仿真以及圖形顯示、 加工報告等， 其中物理仿真指的是讀取數(shù)控程序中的相關(guān)

9、 參數(shù)，用于建立機床加工物理仿真力學參數(shù)模型。三維數(shù)控仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。三維虛擬加工環(huán)境雖然能夠準確反映實際加工過程，但開發(fā)難度相對較 大，其主要原因是：(1)三維建模(幾何建模和行為建模)比較復(fù)雜：零件、夾具、 刀具庫、加工中心等均需要三維建模，特別是加工中心，既要保證模型具有結(jié)構(gòu) 和功能的相似性，又要保證加工過程中部件間運動行為的一致性；(2)加工過程動 畫顯示的實時性和圖形真實感處理較難:加工過程是一個動態(tài)過程，且往往是連 續(xù)加工，進行動態(tài)連續(xù)過程的描述難度較大，例如在由毛坯加工成零件的過程中， 其形狀和尺寸會隨工序而變化；(3)數(shù)控解析難以通用：由于不同數(shù)控系統(tǒng)擴展標 準的不

10、一致性，地址碼與功能的非對應(yīng)性和與操作數(shù)組合的靈活性，給刀具位移軌跡數(shù)據(jù)的采集帶來較大的困難。5、系統(tǒng)開發(fā)平臺的選擇三維數(shù)控仿真系統(tǒng)開發(fā)過程中，首先需要建立三維圖形引擎組件，能夠 實時顯示動態(tài)變化的圖形.機床的建模、加工的仿真都在該組件中完成。由于 Win dows 在操作系統(tǒng)市場占有絕對優(yōu)勢，故圖形引擎的選擇主要就是在Ope nGL與 Direcct3D 之間進行取舍。開放性圖形庫(Open Graphic library,OpenGL)是美國高級圖形和高性能 計算機系統(tǒng)公司 SGI 所開發(fā)的三維圖形標準庫，具有繪制三維圖形的各項功能， 它是專用圖形硬件的軟件接口，支持可視化的實現(xiàn)。本文所介

11、紹的數(shù)控仿真系統(tǒng) 就是選用的opeoGL 原因如下:(l)它在三維圖形的功能上非常優(yōu)良，以它為基 礎(chǔ)開發(fā)的應(yīng)用程序可以方便地在各個平臺間移植；(2)用戶使用這個圖形庫不僅能方便地制作出有極高質(zhì)量的靜止三維彩色圖像，還能創(chuàng)建出高質(zhì)量的動畫效果;(3)OpenGL 開發(fā)過程中使用的坐標系是笛卡兒右手直角)坐標系，符合通常 的思維習慣，而腸政。D 使用的是左手直角坐標系： 應(yīng)用 OpenGL 編程除了需 要了解圖形學、圖象學方面的知識外，不需要太深的其它方面的知識，使得開發(fā) 人員有可能把精力集中在具體的應(yīng)用中，大大提高開發(fā)效率；(6)當前市場上的圖 形顯示加速卡大部分都支持 0 伴 nGL 基本功能

12、的加速，價格也不高。由于圖形引擎開發(fā)的難度較大，目前流行的數(shù)控仿真系統(tǒng)一般都是在商 業(yè)化的圖形引擎開發(fā)平臺體(ACIS、PARASOLI 等)上進行的二次開發(fā)。功能強大 是這些主流開發(fā)平臺的優(yōu)勢，但如應(yīng)用于在本仿真系統(tǒng)規(guī)模的開發(fā)則有以下不足:(1)無自主版權(quán)， 不能掌握核心技術(shù)；(2)圖形引擎太過龐大,利用率低：(3)成 本較高，不利于市場競爭。綜合上述因素，本仿真系統(tǒng)的開發(fā)主平臺選擇的是 VisualBasic6.0 。仿真系統(tǒng)的工作界面、 虛擬機床操作面板、 虛擬數(shù)控系統(tǒng)等均 以 VB6.0 作為開發(fā)平臺，而圖形引擎組件則是在 VC+6.0 環(huán)境中開發(fā)，其中虛擬 機床、仿真加工的圖形是通過

13、在 VB 中調(diào)用組件的功能來實現(xiàn)。因 openGL 提供的 是 C 語言接口 ,VC+6.0中提供了一個支持仇屺幻 CL 的 COM&件模板，所以圖形 引擎組件使用 VC+6.0 作為開發(fā)平臺比較方便。從開發(fā)效率和學習難度上考慮， 仿真系統(tǒng)的其他部分采用即學即用的 VB 語言開發(fā)更為合理。6 、仿真系統(tǒng)的技術(shù)要點6.1 數(shù)控代碼解析在虛擬加工過程仿真中的加工中心通常不能直接執(zhí)行數(shù)控代碼，需要經(jīng) 過解釋模塊來將數(shù)控代碼轉(zhuǎn)換成加工中心可識別和執(zhí)行的代碼， 即實現(xiàn)數(shù)控代碼 校驗和生成仿真驅(qū)動數(shù)據(jù)功能， 這需要以下幾個步驟 :(l) 預(yù)處理對零件程序的掃 描，進行數(shù)控代碼格式規(guī)范化與詞法、 語

14、法的識別；(2) 按照指定數(shù)控系統(tǒng)的編程 規(guī)定和有關(guān)數(shù)控加工的知識， 以規(guī)則庫為依托， 經(jīng)過語法檢查， 若語法錯誤即進 行修改，然后按改正后的程序修改數(shù)控數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的相應(yīng)項；(3) 提取控制機床和 刀具運動的相關(guān)動作和狀態(tài)信息， 從而形成仿真驅(qū)動文件， 實現(xiàn)數(shù)控代碼驅(qū)動的 加工過程仿真。數(shù)控代碼需要解析多方面的內(nèi)容，比如操作方式、坐標定義格式、坐標 軸、補償方式、固定循環(huán)、定義工作面等，而其難點在于對不同的數(shù)控系統(tǒng)都在 遵從 ISO標準的同時進行了各自的功能擴展，而適合實際應(yīng)用的數(shù)控仿真系統(tǒng)沒 有必要針對每個系統(tǒng)都設(shè)計一個解析模塊， 在運行時再切人。 較好的解決方案是 建立一個通用庫和一個專用

15、庫， 前者用于記錄和識別標準功能數(shù)控代碼規(guī)則， 后 者用子記錄和識別不同數(shù)控系統(tǒng)擴展的功能數(shù)控代碼規(guī)則。 這樣不僅使書空代碼 的解析器具有開放性，而且便于維護。6.2 幾何建模與三維建模幾何模型的表示是虛擬加工環(huán)境中幾何建模的關(guān)鍵，即仿真系統(tǒng)采用何 種的方法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織虛擬加工環(huán)境的結(jié)構(gòu)關(guān)系。 以數(shù)控機床為例， 由于多 數(shù)數(shù)控機床的幾何模型都是建立在裝配模型基礎(chǔ)上的， 而裝配模型中已定義了各 零部件之間的相對位置和裝配層次關(guān)系， 反映出各部件間的約束關(guān)系。 約束關(guān)系 主要包括幾何關(guān)系和運動關(guān)系， 幾何關(guān)系主要描述零部件以及部件間的幾何元素 (點、線、面)之間的相互關(guān)系，運動關(guān)系是描述零部件

16、之間存在的相對運動， 如直線運動、 旋轉(zhuǎn)運動。所以模型對應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)需滿足既能用來存儲機床零部件 間的裝配關(guān)系，又能反映各零部件幾何模型數(shù)值和拓撲信息的要求。對于圖形比較簡單的三維實體建模。通?？梢灾苯永?OpenGLS供的三 維建模功能；而對于圖形比較復(fù)雜的三維實體建模，可以用 Auto CAD 2000 和 3D MAX等建模工具來進行實體建模。 Auto CAD2000 一般用于外形比較標準的模型，3DMAXW可以很簡單實現(xiàn)非常復(fù)雜的三維實體建模，并輸出.dxf 格式的文件，然 后通過接口程序?qū)崿F(xiàn)在 Ope nGL 中讀取月江文件格式的圖形文件。Ope nGL 目前已 經(jīng)成為國際上通用的

17、開放式三維圖形標準。它由大量功能強大的圖形函數(shù)組成， 集成了所有曲面造型、圖形變換、光照、材質(zhì)、紋理、像素操作、融合、反選擇 和霧化等復(fù)雜的計算機圖形學算法。6.3 三維圖形顯示仿真系統(tǒng)的三維圖形生成是基于“ 3SD 三維圖形組件和 OpenGL 勺動態(tài) 鏈接庫，其包含 OpenGL 勺基本功能，并提供一些頂點、體素生成：如球體、長方 體、圓柱體、圓環(huán)體、棱柱休等，還能根據(jù)拓撲對象、點、線、面構(gòu)造一些不規(guī) 則體素。整個數(shù)控加工中心由部件組裝而成， 部件由零件裝配而來， 零件的造型 是體素通過布爾運算 （ 并、或、差）實現(xiàn)的。由于仿真系統(tǒng)某些功能， 如碰撞檢測、 運動仿真和切削加工等的操作對象可

18、能是體、 面、線甚至是點， 所以在建模的同 時必須建立詳細記錄， 包括構(gòu)成形體的所有幾何元素的幾何信息及其相互連接的 拓撲關(guān)系。在進行各種運算和操作中，就可以直接取得這些信息。仿真系統(tǒng)中裝配層次關(guān)系是采用雙向鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述， 記錄的是整個加工中心 零部件間的拓撲關(guān)系和相對位置關(guān)系， 優(yōu)點是便于零部件的查找和屬性修改和加 工過程部件運動仿真的實現(xiàn)。 實時動態(tài)的圖形仿真需要很快的顯示速度。 但進行 光照、消隱和實時動態(tài)控制等操作的計算量非常大， 它們運算速度的快慢是影響 仿真圖形顯示速度的關(guān)鍵因素。在系統(tǒng)軟件的開發(fā)中，采用了在Ope nGL 圖形開發(fā)功能基礎(chǔ)上的局部刷新技術(shù)。 因其在確定模型幾何信息改變的空間范圍時僅對 該變化范圍內(nèi)的模型部分進行