数控车削几何仿真系统研究
摘要
当今，在NC程序自动检查中，主要研究方向是数控加工图形仿真。由于产生的图形是真实感效果图，能够直接地检查NC程序代码的正确性，使NC编程人员和机床操作者通过图形显示进行干涉和碰撞检查，校验数控程序。因此，NC几何仿真技术正逐渐成为CAD＼CAM集成领域的一项重要技术。
在本仿真系统的开发过程中，作者利用现有的大型CAD／CAM软件Pro／E，完成数控机床零部件的造型，进行装配后建立真实感较好的虚拟加工环境。然后将其转化到OpenGL下进行操作控制。在这一过程中节省了大量的计算，建立了复杂的数控加工环境。
以基于深度体素算法为基础，本文提出了一种基于X_map的数控加工的可视化算法。利用此算法可在计算机屏幕上以真实感的三维图形方式显示数控加工的过程和结果。在构造工件毛坯时，本系统首先将毛坯离散成许多单元体，每个单元体由三角形面片组成。然后，利用X_map算法进行加工仿真，利用OpenGL的双缓存技术以及定时器技术可以动态的仿真毛坯的切削过程，检验碰撞或干涉，使加工结果可视化，并能够对最后形成的工件进行尺寸校验。
OpenGL是美国高级图形和高性能计算机系统公司SGI公司开发的三维图形库。目前它已成为开放的国际图形标准。OpenGL与硬件、窗口和操作系统是相互独立的。本文在X_map算法的基础上，全部用OpenGL实现有关的图形操作。本系统是在Windows2000上用Visual C++实现的。
本系统方便、实用、软硬件要求低、符合中国的国情。同时它的实时性、交互性、可移植性都很好。
Nowadays, in the process of checking against NC program automatically, the main research way is NC manufacturing graphics simulation. Because the resultant graph is third dimension, it can directly check the accuracy of NC program, also make NC programmer check collision and interference, verify NC program by the graphics display. Consequently, the NC graphic simulation is becoming a key technology in the CAD/CAM field.
In the development of this simulation system, by utilizing the large CAD/CAM software Pro/E, the author create every part of NC machine, then assemble all these parts and set up the virtual manufacturing environment. Through converting it into OpenGL, we can manipulate the machine. In this process, we reduce a lot of computing problems, and realize the establishment of complex manufacturing enviroment.
A visual method based on X_map has been proposed in this paper. It can be used to detect errors of NC programs visually from graphics display of process and result of NC manufacturing. When constructing a crude workpiece, at first this system divides dispersedly the workpiece into many cells, and every cell is made up of triangles net on the surfaces. Then, by the method based on X_map, the manufacturing simulation can be processed; by utilizing the technology of Double Buffer and Timer in OpenGL, the cutting process of workpiece can be simulated dynamically, collision and interference can be checked, and the result of manufacturing is visual, the resultant part can be measured.
OpenGL is the 3D graphics library developed by SGI of America. Now it has become the open international standard of graphics. OpenGL is separated from hardware. windows. OS(Operating System). Based on the X_map algorithm, the operations of graphics are all realized in OpenGL. This system is realized in Windows2000 by using Visual C++.
This system is convenient, practical, and because of low requirement for hardware and software, it accord with the situation of our country. In the meantime, its reality
interaction and the ability of transfer are all very good.
在本仿真系统的开发过程中，作者利用现有的大型CAD／CAM软件Pro／E，完成数控机床零部件的造型，进行装配后建立真实感较好的虚拟加工环境。然后将其转化到OpenGL下进行操作控制。在这一过程中节省了大量的计算，建立了复杂的数控加工环境。
以基于深度体素算法为基础，本文提出了一种基于X_map的数控加工的可视化算法。利用此算法可在计算机屏幕上以真实感的三维图形方式显示数控加工的过程和结果。在构造工件毛坯时，本系统首先将毛坯离散成许多单元体，每个单元体由三角形面片组成。然后，利用X_map算法进行加工仿真，利用OpenGL的双缓存技术以及定时器技术可以动态的仿真毛坯的切削过程，检验碰撞或干涉，使加工结果可视化，并能够对最后形成的工件进行尺寸校验。
OpenGL是美国高级图形和高性能计算机系统公司SGI公司开发的三维图形库。目前它已成为开放的国际图形标准。OpenGL与硬件、窗口和操作系统是相互独立的。本文在X_map算法的基础上，全部用OpenGL实现有关的图形操作。本系统是在Windows2000上用Visual C++实现的。
本系统方便、实用、软硬件要求低、符合中国的国情。同时它的实时性、交互性、可移植性都很好。
Nowadays, in the process of checking against NC program automatically, the main research way is NC manufacturing graphics simulation. Because the resultant graph is third dimension, it can directly check the accuracy of NC program, also make NC programmer check collision and interference, verify NC program by the graphics display. Consequently, the NC graphic simulation is becoming a key technology in the CAD/CAM field.
In the development of this simulation system, by utilizing the large CAD/CAM software Pro/E, the author create every part of NC machine, then assemble all these parts and set up the virtual manufacturing environment. Through converting it into OpenGL, we can manipulate the machine. In this process, we reduce a lot of computing problems, and realize the establishment of complex manufacturing enviroment.
A visual method based on X_map has been proposed in this paper. It can be used to detect errors of NC programs visually from graphics display of process and result of NC manufacturing. When constructing a crude workpiece, at first this system divides dispersedly the workpiece into many cells, and every cell is made up of triangles net on the surfaces. Then, by the method based on X_map, the manufacturing simulation can be processed; by utilizing the technology of Double Buffer and Timer in OpenGL, the cutting process of workpiece can be simulated dynamically, collision and interference can be checked, and the result of manufacturing is visual, the resultant part can be measured.
OpenGL is the 3D graphics library developed by SGI of America. Now it has become the open international standard of graphics. OpenGL is separated from hardware. windows. OS(Operating System). Based on the X_map algorithm, the operations of graphics are all realized in OpenGL. This system is realized in Windows2000 by using Visual C++.
This system is convenient, practical, and because of low requirement for hardware and software, it accord with the situation of our country. In the meantime, its reality
interaction and the ability of transfer are all very good.
引文
[1]吴明友．数控机床加工技术．东南大学出版社
[2]郑坚，朱继生．计算机辅助设计与制造．电子工业出版社
[3]姬舒平．NC Verification的研究现状及展望．组合机床于自动化加工技术．1997，第5期：42—45
[4]Xie Fang, Wang NingSheng, Lou Peihuang. NC Milling Operation Simulation. Transactions of Najing University of Aeronautics & Astronautics
[5]乔咏梅，张定华，张淼，魏生民．数控仿真技术的回顾与评述．计算机辅助设计与图形学学报．1995，7(4)
[6]黄雪梅，高国利，王启义．虚拟制造的机械加工过程仿真．组合机床于自动化加工技术
[7]孙宏伟，马玉林．基于加工质量预测与分析的数控铣削过程仿真系统研究与开发．制造业自动化
[8]韩向利，杨刚，肖田元．CIMS工程中的加工过程仿真技术(清华大学自动化系国家CIMS试验工程研究中心)．高技术通讯．1996年9月
[9]Voelcker, H.B. and Hunt, W.A., The Role of Solid Modeling in Machine Process Modeling and NC Verification, SAE Technical Paper No810195, Feb, 1981
[10]T.Van Hook. Real-time Shaded NC Milling Display. Proc. Graph. 15-20,Dec. 1986
[11]W. P. Wang and K. k. Wang. Real-time Verification of Multiaxis NC Programs with Raster Graphics. Pro. IEEE Robot. &Automat, April 1986
[12]Hunt, W.A. and Voelcker, H.B., An Exploratory Study of Automatic Verification of Programs for Numerically Controlled Machine Tools, Production Automation Project.Tech.Memo.No.34, University of Rochester, January 1982
[13]Chang, K.Y. and Goodman, E.D., A Method for NC Tool Path Interference Detection for A MultiAxis Milling System, ASME Control of Manufacturing Process, Dsc Vol.28/PED- Vol.53, 1991,23-30
[14]Jerard, R.B, Hussaini, S.Z., D rysdale R.L., and Schaudt, B., Approximate Methods for detecting errors in numerically controlled machining of sculptured surfaces, IEEE Comput.Graph., Appl. Vol.9,
No.1, 1989
[15] Oliver, J.H. and Goodman, E.D., Direction dimensional NC Verification, Computer Aided Design,1990, 22(1):3-10
[16] J. H. Oliver and E. D. Goodman. Color Graphic Surface Verification on NC Milling Programs for Sculptured Surface Parts. 1st Symp. Integrated Intelligent Manufacturing ASME,USA, 1986
[17] Grossman, D.D., Opportunities for Research on Numerical Control Machining, Communications of the ACM,1986
[18] Van Hook, T., Real-Time shaded NC Milling Display, Proceedings of SGIGRAPH'86. In Computer Graphics, 1986
[19] 张胜，陈文亮，曾建江．数控加工过程可视化的实现方法．计算机应用．2000年
[20] 任仲贵，CAD／CAM原理，清华大学出版社，1991
[21] 常明，朱林主编．计算机图形技术．华中科技大学出版社
[14] 吴竹溪，谢友宝．数控加工仿真程序设计．南昌航空工业学院学报．2000年3月，第14卷第1期
[22] 常林，朱林主编《计算机图形学》．华中科技大学出版社
[23] 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．2000年19卷第七期
[24] 乔林，费广正，林杜主编《程序设计OpenGL》．清华大学出版社
[25] 黄迪明主编《软件技术基础》．电子科技大学出版社
[26] 刘磊，吴明华，周济．通用数控加工过程中数控代码解释器的一种实现．组合机床与自动化加工技术．1995年第12期
[27] 刘壮，张德强，周来水、周儒荣．自由曲面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
[28] 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
[29] 钱晓峰．数控加工仿真中的动画技术．数据采集与处理．第15卷第1期．2000年3月
[30] 姚习武，朱志红，田文超．Windows平台下数控代码解释系统的研究与实践．机械设计与制造．第28卷第三期．1999年5月
[31] 汤幼宁，黎长荣．图像空间基于深度元素模型的数控加工几何仿真研究．西安电子科技大学学报．第23卷第3期．1996年6月
[32]陈晓川，张暴暴，冯辛安，刘晓冰．我国虚拟制造技术发展策略浅析．机械设计与研究．1999 No1
[33]李晓平，樊庆文，刘荣忠，马济永．数控加工三维仿真系统的研究与开发．四川大学学报(工程科学版)．第33卷第2期．2001年3月
[34]李光耀，张燕平，周来水，周儒荣．一种适用于微机的三轴加工仿真算法．计算机辅助工程．No1 Jan．1998
[35]张幼军．数控程序的检验与仿真．沈阳工业大学学报．第20卷增刊．1998年4月
[36]罗学科，王东宇，徐兴建．数控代码的计算机图形仿真．机械设计与制造．N03 Jun．2000
[37]汤幼宁，魏生民，杨海成．基于Dexel模型的NC加工仿真和验证研究．西北工业大学学报．第15卷第4期．1997年11月
[38]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．
[39]谢明红，林碧．数控加工程序的检验与仿真系统的研制．华侨大学学报(自然科学版)．第20卷第4期．1999年10月
[40]郑飞．零件机加工图形仿真的体元造型．计算机辅助工程．No3 Sep．1995
[41]曹岩，王宏，袁清珂，赵汝嘉．虚拟制造及其关键技术．先进制造技术．第21卷第1期．1999年2月
[42]李建广，赵航，袁哲俊．一种新的多坐标数控加工过程仿真算法的研究．哈尔滨工业大学学报．第31卷第5期．1999年10月
[43]刘晓云，李超，杨绍泉．基于加工过程仿真的圆弧剪取算法．华中理工大学学报．第23卷第2期．1995年2月
[44]付宜利，马云辉，马玉林．FMC仿真软件中几何造型技术．哈尔滨工业大学学报．1995年第2期
[45]罗学科，王东宇，徐兴建．数控代码的计算机图形仿真．机械设计与制造．Jun 2000 No3．
[46]张利波，周济．开放式数控编程通用后置处理器．机械与电子．1996(4)
[47]任军学，刘维伟，汪文虎，孟晓娴．五坐标数控机床后置处理算法．航空计算技术．第30卷第1期．2000年3月
[48]Wiendah J H P, Scholtissek P. Management and Control of Complexity in Manufacturing. Annals of the CIRP, 1994,43(2): 533—540
[49]Xie Fang, Wang NingSheng, Lou Peihuang. NC Milling Operation Simulation. Transactions
of Najing University of Aeronautics & Astronautics
[50]蒋新松．虚拟制造．第四届中国计算机集成制造系统(CIMS)学术会议CIMS—China论文集，哈尔滨，1996年
[51]P. L. Hsu, and W. T. Yang. Real-time 3D Simulation of 3-axis Milling Using Isometric Projection. Computer Aided Design, 25(4), 215-224, April 1993
[52]Neider J, Davis T, Woo M. OpenGL programming guide. Addison Westly,1993
[53]柯映林，周儒荣．实现3D离散点优化三角划分的三维算法．计算机辅助设计与图形学学报．1994年10月，第6卷第4期
[54]刘磊，吴明华，周济．通用数控加工过程仿真中数控代码解释器的一种实现．组合机床与自动化加工技术．1995年第12期
[2]郑坚，朱继生．计算机辅助设计与制造．电子工业出版社
[3]姬舒平．NC Verification的研究现状及展望．组合机床于自动化加工技术．1997，第5期：42—45
[4]Xie Fang, Wang NingSheng, Lou Peihuang. NC Milling Operation Simulation. Transactions of Najing University of Aeronautics & Astronautics
[5]乔咏梅，张定华，张淼，魏生民．数控仿真技术的回顾与评述．计算机辅助设计与图形学学报．1995，7(4)
[6]黄雪梅，高国利，王启义．虚拟制造的机械加工过程仿真．组合机床于自动化加工技术
[7]孙宏伟，马玉林．基于加工质量预测与分析的数控铣削过程仿真系统研究与开发．制造业自动化
[8]韩向利，杨刚，肖田元．CIMS工程中的加工过程仿真技术(清华大学自动化系国家CIMS试验工程研究中心)．高技术通讯．1996年9月
[9]Voelcker, H.B. and Hunt, W.A., The Role of Solid Modeling in Machine Process Modeling and NC Verification, SAE Technical Paper No810195, Feb, 1981
[10]T.Van Hook. Real-time Shaded NC Milling Display. Proc. Graph. 15-20,Dec. 1986
[11]W. P. Wang and K. k. Wang. Real-time Verification of Multiaxis NC Programs with Raster Graphics. Pro. IEEE Robot. &Automat, April 1986
[12]Hunt, W.A. and Voelcker, H.B., An Exploratory Study of Automatic Verification of Programs for Numerically Controlled Machine Tools, Production Automation Project.Tech.Memo.No.34, University of Rochester, January 1982
[13]Chang, K.Y. and Goodman, E.D., A Method for NC Tool Path Interference Detection for A MultiAxis Milling System, ASME Control of Manufacturing Process, Dsc Vol.28/PED- Vol.53, 1991,23-30
[14]Jerard, R.B, Hussaini, S.Z., D rysdale R.L., and Schaudt, B., Approximate Methods for detecting errors in numerically controlled machining of sculptured surfaces, IEEE Comput.Graph., Appl. Vol.9,
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[15] Oliver, J.H. and Goodman, E.D., Direction dimensional NC Verification, Computer Aided Design,1990, 22(1):3-10
[16] J. H. Oliver and E. D. Goodman. Color Graphic Surface Verification on NC Milling Programs for Sculptured Surface Parts. 1st Symp. Integrated Intelligent Manufacturing ASME,USA, 1986
[17] Grossman, D.D., Opportunities for Research on Numerical Control Machining, Communications of the ACM,1986
[18] Van Hook, T., Real-Time shaded NC Milling Display, Proceedings of SGIGRAPH'86. In Computer Graphics, 1986
[19] 张胜，陈文亮，曾建江．数控加工过程可视化的实现方法．计算机应用．2000年
[20] 任仲贵，CAD／CAM原理，清华大学出版社，1991
[21] 常明，朱林主编．计算机图形技术．华中科技大学出版社
[14] 吴竹溪，谢友宝．数控加工仿真程序设计．南昌航空工业学院学报．2000年3月，第14卷第1期
[22] 常林，朱林主编《计算机图形学》．华中科技大学出版社
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[24] 乔林，费广正，林杜主编《程序设计OpenGL》．清华大学出版社
[25] 黄迪明主编《软件技术基础》．电子科技大学出版社
[26] 刘磊，吴明华，周济．通用数控加工过程中数控代码解释器的一种实现．组合机床与自动化加工技术．1995年第12期
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[29] 钱晓峰．数控加工仿真中的动画技术．数据采集与处理．第15卷第1期．2000年3月
[30] 姚习武，朱志红，田文超．Windows平台下数控代码解释系统的研究与实践．机械设计与制造．第28卷第三期．1999年5月
[31] 汤幼宁，黎长荣．图像空间基于深度元素模型的数控加工几何仿真研究．西安电子科技大学学报．第23卷第3期．1996年6月
[32]陈晓川，张暴暴，冯辛安，刘晓冰．我国虚拟制造技术发展策略浅析．机械设计与研究．1999 No1
[33]李晓平，樊庆文，刘荣忠，马济永．数控加工三维仿真系统的研究与开发．四川大学学报(工程科学版)．第33卷第2期．2001年3月
[34]李光耀，张燕平，周来水，周儒荣．一种适用于微机的三轴加工仿真算法．计算机辅助工程．No1 Jan．1998
[35]张幼军．数控程序的检验与仿真．沈阳工业大学学报．第20卷增刊．1998年4月
[36]罗学科，王东宇，徐兴建．数控代码的计算机图形仿真．机械设计与制造．N03 Jun．2000
[37]汤幼宁，魏生民，杨海成．基于Dexel模型的NC加工仿真和验证研究．西北工业大学学报．第15卷第4期．1997年11月
[38]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．
[39]谢明红，林碧．数控加工程序的检验与仿真系统的研制．华侨大学学报(自然科学版)．第20卷第4期．1999年10月
[40]郑飞．零件机加工图形仿真的体元造型．计算机辅助工程．No3 Sep．1995
[41]曹岩，王宏，袁清珂，赵汝嘉．虚拟制造及其关键技术．先进制造技术．第21卷第1期．1999年2月
[42]李建广，赵航，袁哲俊．一种新的多坐标数控加工过程仿真算法的研究．哈尔滨工业大学学报．第31卷第5期．1999年10月
[43]刘晓云，李超，杨绍泉．基于加工过程仿真的圆弧剪取算法．华中理工大学学报．第23卷第2期．1995年2月
[44]付宜利，马云辉，马玉林．FMC仿真软件中几何造型技术．哈尔滨工业大学学报．1995年第2期
[45]罗学科，王东宇，徐兴建．数控代码的计算机图形仿真．机械设计与制造．Jun 2000 No3．
[46]张利波，周济．开放式数控编程通用后置处理器．机械与电子．1996(4)
[47]任军学，刘维伟，汪文虎，孟晓娴．五坐标数控机床后置处理算法．航空计算技术．第30卷第1期．2000年3月
[48]Wiendah J H P, Scholtissek P. Management and Control of Complexity in Manufacturing. Annals of the CIRP, 1994,43(2): 533—540
[49]Xie Fang, Wang NingSheng, Lou Peihuang. NC Milling Operation Simulation. Transactions
of Najing University of Aeronautics & Astronautics
[50]蒋新松．虚拟制造．第四届中国计算机集成制造系统(CIMS)学术会议CIMS—China论文集，哈尔滨，1996年
[51]P. L. Hsu, and W. T. Yang. Real-time 3D Simulation of 3-axis Milling Using Isometric Projection. Computer Aided Design, 25(4), 215-224, April 1993
[52]Neider J, Davis T, Woo M. OpenGL programming guide. Addison Westly,1993
[53]柯映林，周儒荣．实现3D离散点优化三角划分的三维算法．计算机辅助设计与图形学学报．1994年10月，第6卷第4期
[54]刘磊，吴明华，周济．通用数控加工过程仿真中数控代码解释器的一种实现．组合机床与自动化加工技术．1995年第12期