面向铣削加工的虚拟机床技术的研究
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摘要
21世纪的制造业为了提高竞争力，适应快速变化的市场，必须以最快的上市速度，最好的质量，最低的成本，最优的服务及最清洁的环境来满足不同客户的需求和社会发展的需求。虚拟机床(VMT)就是为达成这一目标而产生的一种用于实现各种先进制造模式的新兴的使能技术，并处于迅速发展之中。数控技术是现代化加工设备的基础，发展先进制造技术，必须发展数控技术。而数控铣削是现代加工中不可缺少的一种加工手段，因此面向一般数控机床用户，以铣削加工为背景，在Windows环境下设计一个仿真数控铣削软件，将仿真结果变换成指令直接输给数控加工中心，以提高NC编程的效率与质量，改善NC加工环境是十分有益的。
本文在阅读和分析了大量国内外文献的基础上，以提高加工效率、缩短加工时间、降低加工成本、方便用户操作为目的，提出了“面向铣削加工的虚拟机床技术的研究”的课题，对虚拟机床的结构和功能进行了探讨和研究。
本论文首先介绍了虚拟现实的概念、特征、分类以及使用的计算机平台、外围设备、应用软件。讨论了虚拟机床的关键技术，在机械工程中的应用及其目前的发展情况。讨论了虚拟制造的相关技术的发展状况以及目前的研究成果。分析了虚拟机床实现的方法。
然后对虚拟铣削加工的建模方法和虚拟环境的建立作了分析和研究。用OpenGL函数库工具建立了铣削加工中心的三维几何实体模型。对实体模型加以颜色、光照、材质和纹理等处理，建立了逼真的虚拟铣床操作环境。并实现了用鼠标和键盘作为输入设备，显示器作为输出设备进行铣削加工的动态演示。该操作动画具有较强的交互性和一定的沉浸感。此虚拟铣床仿真系统为虚拟技术在机械工程中的应用作了一些基础性的研究工作。该应用程序为虚拟现实在铣削加工中的应用奠定了一定的基础。
最后探讨了如何利用VRML技术实现虚拟制造的网络文件数据交换，并给出了具体实现的方法，为基于计算机网络的远程加工作了一定的基础性工作。
本论文的研究开发工作都是在PC机上进行的。本地虚拟铣削系统使用VisualC++6.0编程语言，并用到了OpenGL函数库工具和基于3DMax实体造型工具。网络文件数据交换部分利用Java和VRML语言实现。
Manufacturing industry in 21th century requires the enterprises to win market and customers with the fastest time to market , the best quality , the lowest cost , the best service and the cleanest environment . Increasing rivalrousness and responding alterative market rapidly , Virtual Machine Tool is an enabling technology of growing rapidly for reaching this aim , which is used to integrate all kinds of advanced manufacturing models . Numerical control technology (NC) is base on modern machining equipment . Advanced making technic is depended on the development of NC . NC Mill (NCM)is an indispensable means in modern machining . So it is necessary to design a emulational NC software to help us to increase NC program efficiency and quality and to amend the NC environment in the underground of NC Mill , Facing to popular user .
On the basis of studying and analyzing abundant references , for improving the machining quality , shortening the machining time , lowering the cost , convenience user , this dissertation proposes the task of "The Research of NCM Virtual Manufacturing Tool (NCM-VMT)" .
Firstly this dissertation describes concept, characters and classification of virtual reality and the computer platform, peripheral , application software. Its application to engineering and the key technology is discussed in this part. The method about virtual manufacturing tool is analyzed.
Secondly this dissertation discribes how to build the model and environment of VMT . The system builds the three-dimensional mode of milling machine with OpenGL tools in part. The three-dimensional mode is imparted with color, illumination, material and texture. The operation environment of virtual milling machine is realistically built. The operator can operate the virtual milling machine by mouse and keyboard. The monitor is the equipment of output. The operation motion has better interaction and good immersion. This virtual milling machine can be used to train workers simply. It is a basic researching for the application of virtual reality in mechanical engineering. It provides a basement for the further application of virtual reality to engineering.
Finally this dissertation discusses how to use VRML to finish file transfer on VMT in Internet and bring forward a way to realization . It supply a base research for the long-distance process .
The researches in this dissertation are developed on PC with Visual C++ 6. 0. The VMT system has used developed tools of OpenGL and 3D Max . File transfer rely on Java and VRML .
本文在阅读和分析了大量国内外文献的基础上，以提高加工效率、缩短加工时间、降低加工成本、方便用户操作为目的，提出了“面向铣削加工的虚拟机床技术的研究”的课题，对虚拟机床的结构和功能进行了探讨和研究。
本论文首先介绍了虚拟现实的概念、特征、分类以及使用的计算机平台、外围设备、应用软件。讨论了虚拟机床的关键技术，在机械工程中的应用及其目前的发展情况。讨论了虚拟制造的相关技术的发展状况以及目前的研究成果。分析了虚拟机床实现的方法。
然后对虚拟铣削加工的建模方法和虚拟环境的建立作了分析和研究。用OpenGL函数库工具建立了铣削加工中心的三维几何实体模型。对实体模型加以颜色、光照、材质和纹理等处理，建立了逼真的虚拟铣床操作环境。并实现了用鼠标和键盘作为输入设备，显示器作为输出设备进行铣削加工的动态演示。该操作动画具有较强的交互性和一定的沉浸感。此虚拟铣床仿真系统为虚拟技术在机械工程中的应用作了一些基础性的研究工作。该应用程序为虚拟现实在铣削加工中的应用奠定了一定的基础。
最后探讨了如何利用VRML技术实现虚拟制造的网络文件数据交换，并给出了具体实现的方法，为基于计算机网络的远程加工作了一定的基础性工作。
本论文的研究开发工作都是在PC机上进行的。本地虚拟铣削系统使用VisualC++6.0编程语言，并用到了OpenGL函数库工具和基于3DMax实体造型工具。网络文件数据交换部分利用Java和VRML语言实现。
Manufacturing industry in 21th century requires the enterprises to win market and customers with the fastest time to market , the best quality , the lowest cost , the best service and the cleanest environment . Increasing rivalrousness and responding alterative market rapidly , Virtual Machine Tool is an enabling technology of growing rapidly for reaching this aim , which is used to integrate all kinds of advanced manufacturing models . Numerical control technology (NC) is base on modern machining equipment . Advanced making technic is depended on the development of NC . NC Mill (NCM)is an indispensable means in modern machining . So it is necessary to design a emulational NC software to help us to increase NC program efficiency and quality and to amend the NC environment in the underground of NC Mill , Facing to popular user .
On the basis of studying and analyzing abundant references , for improving the machining quality , shortening the machining time , lowering the cost , convenience user , this dissertation proposes the task of "The Research of NCM Virtual Manufacturing Tool (NCM-VMT)" .
Firstly this dissertation describes concept, characters and classification of virtual reality and the computer platform, peripheral , application software. Its application to engineering and the key technology is discussed in this part. The method about virtual manufacturing tool is analyzed.
Secondly this dissertation discribes how to build the model and environment of VMT . The system builds the three-dimensional mode of milling machine with OpenGL tools in part. The three-dimensional mode is imparted with color, illumination, material and texture. The operation environment of virtual milling machine is realistically built. The operator can operate the virtual milling machine by mouse and keyboard. The monitor is the equipment of output. The operation motion has better interaction and good immersion. This virtual milling machine can be used to train workers simply. It is a basic researching for the application of virtual reality in mechanical engineering. It provides a basement for the further application of virtual reality to engineering.
Finally this dissertation discusses how to use VRML to finish file transfer on VMT in Internet and bring forward a way to realization . It supply a base research for the long-distance process .
The researches in this dissertation are developed on PC with Visual C++ 6. 0. The VMT system has used developed tools of OpenGL and 3D Max . File transfer rely on Java and VRML .
引文
[1]．邵立，马登哲，严隽琪，钟廷修 虚拟制造中仿真技术的应用 工业工程与管理 2000年第4期
[2]．宋天虎 积极发展适合我国国情的虚拟制造技术 中国机械工程 1998年第9卷第11期
[3]．袁清珂，赵汝嘉 虚拟制造系统 中国机械工程 1995年第6卷第4期
[4]．曹岩 袁清珂 赵汝嘉 虚拟制造及其关键技术 电子机械工程 1998年05期
[5]. Kimura F.. Product and Process Modelling as a Kernal for Virtual Manufacturing Environment. Annals of the CIRP, 1993,42(1):147-150
[6]. Onosato M.,Iwata K.. Development of a Virtual Manufacturing System by Integrating Product Models and Factory Models. Annals of the CIRP, 1993,42(1):475-478
[7]. Shukla C.,Nazquez M.,Chen F.F.. Virtual Manufacturing:an Overview. Computers&Industrial Engineering, 1996,31(1/2):79-82
[8] 白明光 虚拟制造技术及其在在制造业中的应用制造技术与机床1999年第7期
[9]. M Alkan Donmez. Development of Virtual Machine Tool(VMT). Technical Paper of the North American Manufacturing Research Institute of SEM. 1997
[10]. K F Ehmann, R E Devor. A Framework for A Virtual Machine Tool(VMT). Technical Paper of the North American Manufacturing Research Institute of SEM. 1997
[11]. S Yang, J Yuan, J NJ. The Improvement of Thermal Error Modeling and Compensation on Machine Tools by CMAC Neural Network International Journal of Machine Tools and Manufacture.1996,36(4):527-537
[12]. M J Hockenberger, E C De Meter. The Application of Meta Function to the Quasi-Static Analysis of Workpiece Displacement Within a Machining Fixture. Transaction of the ASME. Journal of Manufacturing Science and Engineering. 1996 ,118(3):323-331
[13]. K I Lee, S D Noh. Virtual Manufacturing System - a Test Bed of Engineering Activities.Annals of the CIRP. 1997,46(1):347-350
[14]．严隽琪，范秀敏，姚健 虚拟制造系统的体系结构及其关键技术 中国机械工程1998年第9卷第11期
[15]．王宏典，张友良 虚拟制造技术及其体系结构 机械制造2000年04期
[16]．周杰韩，杜润生，吴波 用OpenGL开发虚拟制造环境 计算机应用1999年6月第19卷第6期
[17]．胡忠东，樊爱华．虚拟现实工具．计算机仿真．第14卷，第3期．1997．7
[18]．罗福元，王行仁，彭晓源．声音渲染技术及其在虚拟环境中的应用．系统仿真学报．1999年10月第11卷第5期
[19]．黄庆成，孙玉芹，林伟国，车仁生。基于虚拟现实的坐标测量机动态图形建模方法．哈尔滨工业大学学报1999年05期
[20]．樊爱华，胡忠东．虚拟现实的建模技术．计算机仿真．第4期第14卷．1997年10月．
[21]．王和顺，陈华．基于AutoCAD和3DSMAX的虚拟制造技术．机械与电子．2000(04)
[22]．吴伟，吴昌林，吴鹿鸣，吴立言．结合AutoCAD、3DMax和VRML实现web三维动画．机械设计与缺点制造．Aug 2002 No 4
[23]．方斌，OPENGL中3DMAX模型的应用．贵州省CAD应用工程科技期刊(电子版)．1999年第1卷 第2期
[24]．周江华，蔡忠闽，李宏，孙国基．基于OpenGL的制造系统虚拟仿真环境研究．《测控技术》2000年19卷第7期
[25]. WiegandTF. Interactive rendering of CSC models . Computer Graphics Forum , 1996,15(4) :2 49～2 61
[26]．韩向利，梁小军，肖田元，金海琳，阮建兴．直线与多面体求交加速算法及其应用研究．计算机集成制造系统．1998年4月第二期
[27]. Takeuchi Y et al. Development of a Personal CAD/ CAM System for Mold Manufacture Based on SolidModeling Techniques. Ann. CIRP Vol. 38,1988
[28]．孙家广 等．计算机图形学(第三版)．清华大学出版社
[29]．段广洪，雷年胜，刘丹，王君英．虚拟制造环境下的CAM集成技术研究．清华大学学报
[30]．罗燕，穆明，黄瑞清．基于STEP产品信息模型研究．机械研究与应用，1997 No．3
[31]．张思荣，谭建荣，张家泰，邱长华．STEP应用协议201工具的研究和开发．机械科学与技术，第18卷第4期，1999年7月
[32]．马玉林，孙宏伟．基于质量保证的数控切削仿真技术研究与展望．制造业自动化，第22卷第4期2000年4月
[33]．郭艳玲．智能化线切割虚拟制造系统研究．哈尔滨工业大学博士学位论文2001年3月
[34]．段光前，阳道善，李水进，唐小琦，毕波．基于网络的数控制造技术．机械与电子．2001(2)
[35]．李建华，王玮，王占礼．VRML在机械设计中的应用．吉林工学院学报第20卷
[36]．王艾伦，臧铁钢．VRML与机械产品造型．中南工业大学学报．第30卷第4期1999年8月
[37]．龚堰珏，厶贝敏，王小椿．基于VRML的虚拟NC加工仿真技术的研究．机床与液压2002 No．1
[38]．王蕾，葛研军，巩亚东，王宛山．网络制造环境下数控加工技术的研究．机械与电子2002年第2期
[39]．朱恒，何汉武，熊有伦，林奕鸿．虚拟制造系统建模与仿真．中国机械工程1996年第7卷第3期
[40]．刘壮，廖文和．裁减NURMS组合曲面的数控加工算法研究．南京航空航天大学学报．1997年6月第29卷第3期
[41]．王琨琦，张坤华．CAD／CAM中二次曲面求交的交叉迭代法．西安工业大学学报．1999年3月第19卷第1期
[42]．姜惠，董黎敏，吴会林．回转类零件自由曲线CAD／CAM集成的实现．天津大学学报．1996年9月第29卷第5期
[42]．刘壮，张德强，周来水．自由曲面三轴粗加工刀具轨迹的计算方法．南京航空航天大学学报．1997年4月第29卷第2期
[43]．平雪良，刘壮，周来水．计算机辅助工程．1997年10月第4期
[44]．张铁军，袁哲俊，姚英学．虚拟机床加工系统研究．制造技术与机床．1999年第12期
[45]．李浙昆，樊瑜瑾，杨晓京，任伟．NC加工刀具轨迹没计中的几个优化问题．机械设计与制造．
1999年8月第4期
[46]．乔林，费广正．OpenGL程序设计．清华大学出版社
[47]．孙家广．计算机图形学．清华大学出版社
[48]．David J. Kruglinski, Scot Wingo著．Visual C++6.0技术内幕．北京希望电子出版社
[49]．周江华，蔡忠闽，李宏，孙国基．基于OpenGL的制造系统虚拟仿真环境研究．测控技术．2000年19卷第7期
[50]．魏海燕．虚拟制造技术的相关概念及其应用．机械工程师1999．9
[51]．蒋长锦．科学计算和C程序集．中国科学技术大学出版社
[52]．汪辰，廖文和．基于实体的数控车削动态仿真技术的研究与实现．CAD／CAM 2000-12
[53]．叶琳．基于虚拟现实VRML的机械产品展示技术．机电工程技术2002年第31卷第1期
[54]．张海霞，吴华鹏，谢洪潮，陈大融．基于因特网的机械性能虚拟设计．清华大学学报(自然科学版)2000年第40卷第4期
[55]．李义连．利用OpenGL进行交互式CAD设计．微型电脑应用1999年6期
[56]．宁芊，殷国富，肖龙，刘晓环．虚拟制造中虚拟环境建模技术与方法．计算机应用第22卷第4期2002年4月
[57]．杨国哲，葛研军．虚拟加工在网络联盟中的应用．机械工程师2002年1月
[58]. Xie Fang, Wang Ningsheng, Lou Peihuang. NC MILLING OPERATION SIMULATION. Transactions of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics Vol. 17. No. 2 Dec. 2000(数控铣削加工的计算机仿真的研究)
[59]．张铁军，袁哲俊，姚英学，刘华明．虚拟机床加工系统的组件化设计．组合机床与自动化加工技术2000年第一期
[60]．王正滨，贾振元．虚拟数控铣削技术的研究．组合机床与自动化加工技术2003年第一期
[2]．宋天虎 积极发展适合我国国情的虚拟制造技术 中国机械工程 1998年第9卷第11期
[3]．袁清珂，赵汝嘉 虚拟制造系统 中国机械工程 1995年第6卷第4期
[4]．曹岩 袁清珂 赵汝嘉 虚拟制造及其关键技术 电子机械工程 1998年05期
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[6]. Onosato M.,Iwata K.. Development of a Virtual Manufacturing System by Integrating Product Models and Factory Models. Annals of the CIRP, 1993,42(1):475-478
[7]. Shukla C.,Nazquez M.,Chen F.F.. Virtual Manufacturing:an Overview. Computers&Industrial Engineering, 1996,31(1/2):79-82
[8] 白明光 虚拟制造技术及其在在制造业中的应用制造技术与机床1999年第7期
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[13]. K I Lee, S D Noh. Virtual Manufacturing System - a Test Bed of Engineering Activities.Annals of the CIRP. 1997,46(1):347-350
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[15]．王宏典，张友良 虚拟制造技术及其体系结构 机械制造2000年04期
[16]．周杰韩，杜润生，吴波 用OpenGL开发虚拟制造环境 计算机应用1999年6月第19卷第6期
[17]．胡忠东，樊爱华．虚拟现实工具．计算机仿真．第14卷，第3期．1997．7
[18]．罗福元，王行仁，彭晓源．声音渲染技术及其在虚拟环境中的应用．系统仿真学报．1999年10月第11卷第5期
[19]．黄庆成，孙玉芹，林伟国，车仁生。基于虚拟现实的坐标测量机动态图形建模方法．哈尔滨工业大学学报1999年05期
[20]．樊爱华，胡忠东．虚拟现实的建模技术．计算机仿真．第4期第14卷．1997年10月．
[21]．王和顺，陈华．基于AutoCAD和3DSMAX的虚拟制造技术．机械与电子．2000(04)
[22]．吴伟，吴昌林，吴鹿鸣，吴立言．结合AutoCAD、3DMax和VRML实现web三维动画．机械设计与缺点制造．Aug 2002 No 4
[23]．方斌，OPENGL中3DMAX模型的应用．贵州省CAD应用工程科技期刊(电子版)．1999年第1卷 第2期
[24]．周江华，蔡忠闽，李宏，孙国基．基于OpenGL的制造系统虚拟仿真环境研究．《测控技术》2000年19卷第7期
[25]. WiegandTF. Interactive rendering of CSC models . Computer Graphics Forum , 1996,15(4) :2 49～2 61
[26]．韩向利，梁小军，肖田元，金海琳，阮建兴．直线与多面体求交加速算法及其应用研究．计算机集成制造系统．1998年4月第二期
[27]. Takeuchi Y et al. Development of a Personal CAD/ CAM System for Mold Manufacture Based on SolidModeling Techniques. Ann. CIRP Vol. 38,1988
[28]．孙家广 等．计算机图形学(第三版)．清华大学出版社
[29]．段广洪，雷年胜，刘丹，王君英．虚拟制造环境下的CAM集成技术研究．清华大学学报
[30]．罗燕，穆明，黄瑞清．基于STEP产品信息模型研究．机械研究与应用，1997 No．3
[31]．张思荣，谭建荣，张家泰，邱长华．STEP应用协议201工具的研究和开发．机械科学与技术，第18卷第4期，1999年7月
[32]．马玉林，孙宏伟．基于质量保证的数控切削仿真技术研究与展望．制造业自动化，第22卷第4期2000年4月
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[34]．段光前，阳道善，李水进，唐小琦，毕波．基于网络的数控制造技术．机械与电子．2001(2)
[35]．李建华，王玮，王占礼．VRML在机械设计中的应用．吉林工学院学报第20卷
[36]．王艾伦，臧铁钢．VRML与机械产品造型．中南工业大学学报．第30卷第4期1999年8月
[37]．龚堰珏，厶贝敏，王小椿．基于VRML的虚拟NC加工仿真技术的研究．机床与液压2002 No．1
[38]．王蕾，葛研军，巩亚东，王宛山．网络制造环境下数控加工技术的研究．机械与电子2002年第2期
[39]．朱恒，何汉武，熊有伦，林奕鸿．虚拟制造系统建模与仿真．中国机械工程1996年第7卷第3期
[40]．刘壮，廖文和．裁减NURMS组合曲面的数控加工算法研究．南京航空航天大学学报．1997年6月第29卷第3期
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[42]．姜惠，董黎敏，吴会林．回转类零件自由曲线CAD／CAM集成的实现．天津大学学报．1996年9月第29卷第5期
[42]．刘壮，张德强，周来水．自由曲面三轴粗加工刀具轨迹的计算方法．南京航空航天大学学报．1997年4月第29卷第2期
[43]．平雪良，刘壮，周来水．计算机辅助工程．1997年10月第4期
[44]．张铁军，袁哲俊，姚英学．虚拟机床加工系统研究．制造技术与机床．1999年第12期
[45]．李浙昆，樊瑜瑾，杨晓京，任伟．NC加工刀具轨迹没计中的几个优化问题．机械设计与制造．
1999年8月第4期
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[51]．蒋长锦．科学计算和C程序集．中国科学技术大学出版社
[52]．汪辰，廖文和．基于实体的数控车削动态仿真技术的研究与实现．CAD／CAM 2000-12
[53]．叶琳．基于虚拟现实VRML的机械产品展示技术．机电工程技术2002年第31卷第1期
[54]．张海霞，吴华鹏，谢洪潮，陈大融．基于因特网的机械性能虚拟设计．清华大学学报(自然科学版)2000年第40卷第4期
[55]．李义连．利用OpenGL进行交互式CAD设计．微型电脑应用1999年6期
[56]．宁芊，殷国富，肖龙，刘晓环．虚拟制造中虚拟环境建模技术与方法．计算机应用第22卷第4期2002年4月
[57]．杨国哲，葛研军．虚拟加工在网络联盟中的应用．机械工程师2002年1月
[58]. Xie Fang, Wang Ningsheng, Lou Peihuang. NC MILLING OPERATION SIMULATION. Transactions of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics Vol. 17. No. 2 Dec. 2000(数控铣削加工的计算机仿真的研究)
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[60]．王正滨，贾振元．虚拟数控铣削技术的研究．组合机床与自动化加工技术2003年第一期