切屑形成和折断的仿真与虚拟现实
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摘要
切屑控制问题是很多先进制造方法在加工过程中碰到的重要问题之一，严重影响生产效能的发挥。切屑控制最主要的两个方面是切屑折断和切屑处理，而在影响切屑形成与折断的诸多因素中，刀片断屑槽型的影响最大，所以，研究断屑槽型是十分必要的。现在我们引入仿真和虚拟现实技术，利用这些技术模拟出：针对不同刀片槽型，切屑的形成与折断过程的不同变化。这样我们就可以通过比较不同槽型产生的不同屑型，确定合适的槽型，实现槽型优选，并能大大缩短以往开发、研制刀片槽型的周期；从而使切屑控制问题得到解决。
经过对图形仿真软件Open GL和虚拟现实技术软件World Tool Kit优缺点的分析，决定结合两者的优点进行虚拟现实系统的开发，即需要将OpenGL和World Tool Kit链接到系统的编程环境Visual C++6.0下。在这个编程环境中将切屑形成与折断过程的一系列相关数学模型、数据反映到VC、OpenGL和WTK的各种资源中。
首先，经研究确定了开发本系统的基础数据：切屑空间运动轨迹的参数和决定切屑运动轨迹参数的合理初始参数，联系初始参数和切屑运动轨迹参数的一系列数学模型；通过对切屑与障碍物之间作用关系的分析，得出切屑折断的数学模型和判据。
通过编程将初始参数和切屑运动轨迹参数相关联，将切屑运动轨迹参数和切屑折断数学模型、判据相关联，将解算出的描述切屑形成与折断的各参数与描述OpenGL创建的三维图形的各参数严格对应，从而得到由切屑形成与折断各参数决定的形象的切屑运动过程的仿真。
最后完成了切屑形成与折断虚拟现实系统的整体框架，在切屑形成与折断仿真的基础上，运用WTK技术设置虚拟现实系统的编程环境，初始化环境的计算机建模，完成切屑形成与折断的虚拟现实。
本系统能严格实现切削加工初始条件与切屑形成、折断之间的数据对应，即由不同的初始加工参数（包括描述刀片槽型的参数）能得到各种形象、逼真的切屑类型，从而实现槽型优选，为解决切屑控制问题提供了一种良好的方法。
It is an important problem that we should control chip during machining process, if we cannot solve it, we'll not get a high efficiency. This problem mainly involves two parts. Of course, there are many factors affecting chip's type, but the most important factor is tool's groove type. So it is necessary to study tool's groove. Now we introduce simulation and virtual reality technology to machining process and making use of these technologies, we can simulate the different process of chip's forming and breaking by different types of tool's groove. By this way, we can get a kind of perfect tool's groove type to realize the optimization of groove type and cut down the cycle, finally can we control chip.
After analyzing the advantages and disadvantages of OpenGL and WTK, we decide to combine the advantages of OpenGL and WTK, namely, we should link OpenGL and WTK to VC environment. In this environment, we connect the relevant math models about chip's forming and breaking with VC, OpenGL and WTK.
First, we decide the basic data of this system: parameters describing chip's path, parameters, which can decide the parameters describing chip's path, a series of relevant math model linking these two kinds of parameters and relevant math models of chip's break by analyzing kinds of reciprocities between chip's path and barrier.
Then, we link the initial parameters to the chip's forming parameters and link the forming parameters to the breaking parameters by writing program, link the parameters which can describe chip's forming and breaking to OpenGL and by running the program we can get the vivid chip's forming and breaking dynamically.
Last, on the basis of simulation of chip's forming and breaking, we can make use of WTK to set the environment of virtual reality and convert the data of chip's forming and breaking in simulation into virtual reality, thus can we finish virtual reality system of chip's forming and breaking.
In a word, by chip's forming and breaking simulation and virtual reality system, can we connect the initial parameters of machining with different parameters of chip's forming and breaking. Namely, we can get different vivid chip's types from
different initial condition parameters (including parameters on tool's groove types) and realize optimization of tool's groove. So now we can draw a conclusion that we have found a good way to control chip.
经过对图形仿真软件Open GL和虚拟现实技术软件World Tool Kit优缺点的分析，决定结合两者的优点进行虚拟现实系统的开发，即需要将OpenGL和World Tool Kit链接到系统的编程环境Visual C++6.0下。在这个编程环境中将切屑形成与折断过程的一系列相关数学模型、数据反映到VC、OpenGL和WTK的各种资源中。
首先，经研究确定了开发本系统的基础数据：切屑空间运动轨迹的参数和决定切屑运动轨迹参数的合理初始参数，联系初始参数和切屑运动轨迹参数的一系列数学模型；通过对切屑与障碍物之间作用关系的分析，得出切屑折断的数学模型和判据。
通过编程将初始参数和切屑运动轨迹参数相关联，将切屑运动轨迹参数和切屑折断数学模型、判据相关联，将解算出的描述切屑形成与折断的各参数与描述OpenGL创建的三维图形的各参数严格对应，从而得到由切屑形成与折断各参数决定的形象的切屑运动过程的仿真。
最后完成了切屑形成与折断虚拟现实系统的整体框架，在切屑形成与折断仿真的基础上，运用WTK技术设置虚拟现实系统的编程环境，初始化环境的计算机建模，完成切屑形成与折断的虚拟现实。
本系统能严格实现切削加工初始条件与切屑形成、折断之间的数据对应，即由不同的初始加工参数（包括描述刀片槽型的参数）能得到各种形象、逼真的切屑类型，从而实现槽型优选，为解决切屑控制问题提供了一种良好的方法。
It is an important problem that we should control chip during machining process, if we cannot solve it, we'll not get a high efficiency. This problem mainly involves two parts. Of course, there are many factors affecting chip's type, but the most important factor is tool's groove type. So it is necessary to study tool's groove. Now we introduce simulation and virtual reality technology to machining process and making use of these technologies, we can simulate the different process of chip's forming and breaking by different types of tool's groove. By this way, we can get a kind of perfect tool's groove type to realize the optimization of groove type and cut down the cycle, finally can we control chip.
After analyzing the advantages and disadvantages of OpenGL and WTK, we decide to combine the advantages of OpenGL and WTK, namely, we should link OpenGL and WTK to VC environment. In this environment, we connect the relevant math models about chip's forming and breaking with VC, OpenGL and WTK.
First, we decide the basic data of this system: parameters describing chip's path, parameters, which can decide the parameters describing chip's path, a series of relevant math model linking these two kinds of parameters and relevant math models of chip's break by analyzing kinds of reciprocities between chip's path and barrier.
Then, we link the initial parameters to the chip's forming parameters and link the forming parameters to the breaking parameters by writing program, link the parameters which can describe chip's forming and breaking to OpenGL and by running the program we can get the vivid chip's forming and breaking dynamically.
Last, on the basis of simulation of chip's forming and breaking, we can make use of WTK to set the environment of virtual reality and convert the data of chip's forming and breaking in simulation into virtual reality, thus can we finish virtual reality system of chip's forming and breaking.
In a word, by chip's forming and breaking simulation and virtual reality system, can we connect the initial parameters of machining with different parameters of chip's forming and breaking. Namely, we can get different vivid chip's types from
different initial condition parameters (including parameters on tool's groove types) and realize optimization of tool's groove. So now we can draw a conclusion that we have found a good way to control chip.
引文
1 赵玢等．切屑生成、卷曲、折断过程的实时仿真研究，组合机床与自动化加工技术．2000：12~15
2 郑敏利．切屑形成与折断过程及其预报系统．哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，2001
3 L. V. Colwell. Predicting the Angle of Chip Flow for Single Point Cutting Tools. Trans of the ASME.1954,76(2)：199~202
4 李振加．切屑折断过程与槽型CAD专家系统．北京：机械工业出版社，1996：117
5 熊光楞、王昕．仿真技术在制造业中的应用与发展．系统仿真学报，1999，11(3)：145~151
6 熊光楞等．先进仿真技术与仿真环境．北京：国防工业出版社，1997
7 邓子琼等．柔性制造系统建模及仿真．北京：国防工业出版社，1993
8 韦有双等．虚拟现实与系统仿真[J]．计算机仿真，1999,16(2)：63~66
9 何毅斌、陈定方．21世纪初的虚拟现实．湖北工学院学报，2000,15(2)：35~38
10 王汝传等．虚拟现实技术及其实现研究．计算机工程，2000,26(12)：1~3
11 姜惠娟、张辉．供热系统虚拟现实设计技术展望．能源研究与信息，2000,16(2)：16~20
12 Christopher J.Chuter，S.Ramaswamy and K.S.Barber．A Virtual Environment for Construction and Analysis of Manufacturing Prototypes．ASME，1995：927~932
13 David W.Rosen，Bert Bras，Farrokh Mistree．Virtual Prototyping for Product Remanufacture and Service Using a Virtual Design Studio Approach．ASME，1995：951~958
14 Jurgen Gausemeier etc．The Visualization of Automized Manufacturing
Processes in a Virtual Enterprise．ASME，1995：921~926
15 Richard Taylor，Gary Bayliss，Adrian Bowyer and Philip Willis．A Virtual Workshop for Design by Manufacture．ASME，1995：921~926
16 魏国前，范勤．虚拟现实及其在机械工程中的应用[J]．计算机应用，1999,19(8)：35~37
17 王滔，费敏锐．虚拟现实技术及其在工业工程中的应用．微计算机信息，2000,16(4)：3~7
18 Dinesh K.Pai，Juhani Siira，Kees van den Doel．Interactive Simulation of Physical Systems in Virtual Environments．SIVE，1995：169~171
19 X.Daniel Fang．Using Virtual Reality in Engineering Education．Proceedings of the 58th Annual American Society of Engineering Education，1996,10：IVA-1.1~IVA-1.9
20 Nakayama. K，Ogawa. M．Basic rules on the form of chip in metal cutting．Annals of the CIRP，1978,27(1)：17~21
21 Nakayama. K，Arai. M．Comprehensive chip form classification based on the cutting mechanism．Annals of the CIRP1992，41(1)：71~74
22 中山一雄．金属切削加工理论．李云芳译．北京：机械工业出版社，1985
23 Li Zhenjia，Qu Guimin，Xu Yihong．Forecast of breaking length of side curling short-spiral chips．Chinese Journal Mechanical Engineering，1999,12(4)：297~302
24 李振加等．横向卷曲C形屑折断数学模型及试验研究．机械工程学报，1997,33(1)：33~38
25李振加，曲贵民，董丽华等．横向卷曲短螺卷屑折断数学模型与折断判据．机械工程学报，1996,32(6)：105~110
26郑敏利，李振加，韦银利等．形成切屑向上弯曲非折断插入区的理论研究．机械工程学报，2001,37(8)：106~109
27 Kharkevich. A，Patri K Venuvinod．Basic geometric analysis of 3-D chip forms in metal cutting．Machine Tool & Manufacture，1999,39：751~769
28陈永洁，方宁，师汉民等．切屑的三维卷曲流动．华中理工大学学报，1993,21(4)：1~6
29 王华等．VisualC++6.0编程实例与技巧．北京：机械工业出版社，2000
30 侯俊杰．深入浅出MFC．第二版．武汉：华中科技大学出版社，2001
31 网冠科技．VisualC++6.0时尚编程百例．北京：机械工业出版社，2001
32 钱能等．C++程序设计教程．北京：清华大学出版社，2001
33 向世明．OpenGL编程与实例．北京：电子工业出版社，2000
34 老虎工作室，沈精虎等．OpenGL编程实例与技巧．北京：人民邮电出版社，2000
35周江华等．基于OpenGL的制造系统虚拟仿真环境研究．测控技术，2000,19(7)：22~25
36 李振加．切屑折断过程研究．北京：机械工业出版社，1996
37李振加等．切屑空间运动轨迹及其约束方程的研究．机械工程学报，2001,37(12)：42~46
38 张中民，李振加等．切屑折断界限的理论研究．机械工程学报，200238(8)：74~79
39 周泽华等．金属切屑原理．第二版．上海：上海科学技术出版社，1997：15~33
40 张幼桢．金属切削理论．北京：航空工业出版社，1988：50~64
41 李振加等．切屑折断机理及其应用．大连：大连理工大学出版社，1990
42 宋志刚等．实验室虚拟现实系统中的硬件构造技术．小型微型计算机系统，2000,21(12)：1337~1339
43 曾芬芳，解洪城．虚拟现实技术及应用．华东船舶工业学院学报，1995,9(1)：59~61
44 胡忠东，樊爱华．虚拟现实工具．计算机仿真，1997,14(3)：61~64
45 管伟光等．体视化技术及应用．北京：电子工业出版社，1998
46 徐伟中，谭正．三维立体显示系统的研究与开发．中国图像图形学报，1997,2(2)：144~148
47 汪成为，高文．王行仁灵境(虚拟现实)技术的理论、实现及应用[M]．北京：清华大学出版社，1997
48 曾建超，俞志和．虚拟现实的技术及应用．北京：清华大学出版社，1996
49 World Tool Kit C++ Programming Guide[M]．Sense8 Corporation，1999
50 World Tool Kit Reference Manual[M]．Sense8 Corporation，1999
51 World Tool Kit Windows NT Hardware Guide[M]．Sense8 Corporation，1999
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