基于OpenGL的数控加工仿真系统的研究与开发
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摘要
数控加工仿真是指数控机床在虚拟环境中的映射，它集制造技术、机床数控理论，计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、建模与仿真技术于一体。人能够凭直觉感知计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境，在设计新的方案或更改方案时能够在真实制造之前在虚拟环境中进行零件的数控加工，检查数控程序的正确性、合理性，对加工方案的优劣做出评估与优化，从而最终达到缩短产品开发周期、降低生产成本、提高产品质量和生产效率的目的。
作者利用基于OpenGL的计算机仿真和动画技术，采用基于数控代码的仿真方法，针对MNC—CXZ300型多功能数控机床，研究与开发了数控加工过程的三维动态几何仿真系统。该系统与GAPT图形自动编程系统相集成，实现了自动编程和加工仿真的一体化。该课题主要完成以下内容：
(1)分析和建立仿真系统框架结构，设计友好的系统界面。
(2)深入研究OpenGL三维图形制作技术，采用面向对象的编程技术设计OpenGL与Visual C++间的接口类CGL。
(3)设计NC代码编辑器，便于用户进行手工编程。
(4)设计仿真系统和GAPT图形自动编程系统的接口，输入零件几何信息和加工参数后，系统自动生成加工程序，同时，动态显示刀具的加工轨迹。
(5)设计数控程序检查器、解释器，很好地解决数控代码的计算机识别与分析问题。
(6)设计仿真加工模块，实现车、铣、钻加工过程的三维仿真。进一步完善车削中螺纹加工、孔加工和圆弧曲面加工的仿真。在孔加工时，采用OpenGL透明处理技术，能方便地观察到孔径和孔深。
(7)设计帮助模块，方便用户使用。
综上所述，该系统具有界面友好、使用方便、可移植性好、功能全面的特点。不仅可用于实际加工生产，而且可用于数控教学和培训，适合我国国情，符合数控技术的最新发展方向。
The numerical controlling simulation of process indicates a mapping of NC machine tool in the virtual environment, and it includes the technique of manufacture, the theories of NC machine tool, CAD, CAM, and the technique of modeling and simulating. The people can apperceive the virtual environment of 3D simulated model developed by computers, carry the NC process of parts in virtual condition before the true doing when we design or alter a project, inspect the exactitude and justification of NC program, evaluate and optimize the project of process. Thereby the intention, abridging the time of developing products, depressing the cost of manufacture, advancing the quality of products and the efficiency of production, can be finally achieved.
With computer simulated technology and computer animated technology, applying the method of simulation based on NC program, aiming at multifunctional NC machine MNC-CXZ300, this thesis develops the machining process 3D animated simulation system. This system integrated with GAPT graphic automatic programming system, which realizes the combine of automatic programming and simulation of process. This thesis has mainly accomplished contents as follows:
(1) Analyzing the structure and developing the mainframe of the numerical controlling simulation of process system and friendly system interface has been designed.
(2) The technology of drawing 3D graphics has been lucubrated. The interface class environment CGL between OpenGL and Visual C++ has been designed by using OOP technique. So OpenGL function can be applied to draw 3D graphics in of the Visual C++6.0.
(3) NC program editor has been designed. So user can manually edit NC
program conveniently.
(4) The connection of simulation of process and automatic programming has been based. So the system come into being NC program by using graphic automatic programming after user iniport the geometry information and process parameter of part. Simultaneity, the track of cutting tool is displaying by dynamic effect.
(5) The module for checking and explaining NC program has been designed. So the computer identification and analyses of NC program have been magnificently gained.
(6) The simulation module has been designed, which realized the 3D simulation of turning, milling and drilling. Thereby the simulation of machining screw and hole has been perfected.
(7) The system help module has been designed. User can conveniently use it.
To sum up, this system has the characteristics that are friendly interface, simple manipulation, good portability, all-round function and finer versatility. It not only can be used in work, but also in NC training. It fits the needs of our country and accord with the NC technique's latest development direction.
作者利用基于OpenGL的计算机仿真和动画技术，采用基于数控代码的仿真方法，针对MNC—CXZ300型多功能数控机床，研究与开发了数控加工过程的三维动态几何仿真系统。该系统与GAPT图形自动编程系统相集成，实现了自动编程和加工仿真的一体化。该课题主要完成以下内容：
(1)分析和建立仿真系统框架结构，设计友好的系统界面。
(2)深入研究OpenGL三维图形制作技术，采用面向对象的编程技术设计OpenGL与Visual C++间的接口类CGL。
(3)设计NC代码编辑器，便于用户进行手工编程。
(4)设计仿真系统和GAPT图形自动编程系统的接口，输入零件几何信息和加工参数后，系统自动生成加工程序，同时，动态显示刀具的加工轨迹。
(5)设计数控程序检查器、解释器，很好地解决数控代码的计算机识别与分析问题。
(6)设计仿真加工模块，实现车、铣、钻加工过程的三维仿真。进一步完善车削中螺纹加工、孔加工和圆弧曲面加工的仿真。在孔加工时，采用OpenGL透明处理技术，能方便地观察到孔径和孔深。
(7)设计帮助模块，方便用户使用。
综上所述，该系统具有界面友好、使用方便、可移植性好、功能全面的特点。不仅可用于实际加工生产，而且可用于数控教学和培训，适合我国国情，符合数控技术的最新发展方向。
The numerical controlling simulation of process indicates a mapping of NC machine tool in the virtual environment, and it includes the technique of manufacture, the theories of NC machine tool, CAD, CAM, and the technique of modeling and simulating. The people can apperceive the virtual environment of 3D simulated model developed by computers, carry the NC process of parts in virtual condition before the true doing when we design or alter a project, inspect the exactitude and justification of NC program, evaluate and optimize the project of process. Thereby the intention, abridging the time of developing products, depressing the cost of manufacture, advancing the quality of products and the efficiency of production, can be finally achieved.
With computer simulated technology and computer animated technology, applying the method of simulation based on NC program, aiming at multifunctional NC machine MNC-CXZ300, this thesis develops the machining process 3D animated simulation system. This system integrated with GAPT graphic automatic programming system, which realizes the combine of automatic programming and simulation of process. This thesis has mainly accomplished contents as follows:
(1) Analyzing the structure and developing the mainframe of the numerical controlling simulation of process system and friendly system interface has been designed.
(2) The technology of drawing 3D graphics has been lucubrated. The interface class environment CGL between OpenGL and Visual C++ has been designed by using OOP technique. So OpenGL function can be applied to draw 3D graphics in of the Visual C++6.0.
(3) NC program editor has been designed. So user can manually edit NC
program conveniently.
(4) The connection of simulation of process and automatic programming has been based. So the system come into being NC program by using graphic automatic programming after user iniport the geometry information and process parameter of part. Simultaneity, the track of cutting tool is displaying by dynamic effect.
(5) The module for checking and explaining NC program has been designed. So the computer identification and analyses of NC program have been magnificently gained.
(6) The simulation module has been designed, which realized the 3D simulation of turning, milling and drilling. Thereby the simulation of machining screw and hole has been perfected.
(7) The system help module has been designed. User can conveniently use it.
To sum up, this system has the characteristics that are friendly interface, simple manipulation, good portability, all-round function and finer versatility. It not only can be used in work, but also in NC training. It fits the needs of our country and accord with the NC technique's latest development direction.
引文
[1]赵闻真、沈晓文、李大勇。数控机床数控加工程序编制技术的工艺应用，CAD／CAM，2000年第3期。
[2]魏志强、施平，集成环境中的数控程序仿真系统没计，组合机床与自动化加工技术，1993第6期。
[3]Ei_Mounayri H, Elbestawi M A, Spence A D, et al. General geometric modelingapproach for machining process simulation. The International Journal of Advanced Manufacturing technology, 1997(13). 237-247
[4]江早、王洪成，OpenGL VC／VB图形编程，科学出版社，2001。
[5]白燕斌等，OpenGL三维图形库编程指南，机械工业出版社，1998。
[6]孙波，OpenGL编程实例学习教程，北京大学出版社，2000。
[7]王华、叶爱亮等，Visual C++6.0编程实例与技巧，机械工业出版社，1999。
[8][美]Eugene Olafsen等，MFC Visual C++6编程技术内幕，1999。
[9]杨克俭、陈定方等，虚拟现实中的建模方法，武汉理工大学学报，2001年第4期。
[10]赵敏海、王亚芬，基于OpenGL组合体造型系统研究，哈尔滨理工大学学报，2001年第2期。
[11]高航、屈利刚等，虚拟设计中基于特征的零件实体建模技术研究，计算机辅助设计与制造，2001年第3期。
[12]方沂，数控机床编程与操作，国防工业出版社，1999。
[13]李福生，数控机床程序编制，机械工业出版社，1982。
[14]张国彬、林亨等，车削中心数控加工仿真系统程序检查模块的开发，机械设计与制造，2001年第2期。
[15]龙伟，数控机床及加工编程，成都科技大学出版社，1994。
[16]孙宏伟、马玉林，数控加工仿真器加工代码的计算机识别，航空制造技术，2000年第6期。
[17]周江华、蔡忠闽，基于OpenGL的制造系统虚拟仿真环境研究，测控技术，2000年第5期。
[18]苏爱林，基于多任务并行处理技术的高性能经济型数控系统理论研究，博士毕业论文，2000。
[19]刘荣忠，数控技术，成都科技大学出版社，1998。
[20]周泽华，金属切削原理，上海科学技术出版社，1984。
[21]韦彦成，金属切学机床构造与设计，国防工业出版社，1991。
[22][美]David J.Kruglinski,Scot Wingo,George Shepherd,Programming Visual C++6.0技术内幕，北京希望电子出版社，2000。
[23]刘晓石、郑淮等，精通Visual C++6.0，清华大学出版社，2000。
[24]林奕鸿等，机床数控技术及其应用，机械工业出版社，1994。
[25]殷国富、陈永华，计算机辅助没计技术与应用。科学出版社，2000。
[26]李晓平，数控加工仿真系统的研究与实现，硕士毕业论文，2000。
[27]杨勇，GAPT图形自动编程系统的研究及开发，硕士毕业论文，2000。
[28]何斌、马天予等，Visual C++数字图像处理，人民邮电出版社，2001。
[29]林丕源等，计算机图形图像处理应用技术，电子科技大学出版社，1999。
[30]倪明田、吴良芝，计算机图形学，北京大学出版社，1999。
[31]陈元琰、张晓竞，计算机图形学实用技术，科学出版社，2000。
[32]蒋春风、陈立平，数控加工仿真显示技术的研究，华中理工大学学报，1999年第3期。
[33]余斌、刘荣忠，基于OpenGL的数控加工仿真系统的研究，四川大学学报，2001第5期。
[34]李际军，基于OpenGL的参数曲面上任意点的交互选取研究，模具工业，2001年第2期。
[35]范良志、张建钢，五轴数控铣削加工图形仿真技术，机电一体化，2000年第5期。
[36]冯裕强、雷保珍，NC铣削加工过程的仿真及其实现，华北工学院学报，1999年第6期。
[37]李晓平、樊庆文，刘荣忠等，数控加工三维仿真系统的研究与开发，四川大学学报，2001年第2期。
[38]贺再红、杨鼎强，基于OpenGL双缓存的多媒体动画实现，计算技术与自动化，2001年第3期。
[39]尤辛基、李华，计算机绘图，电子科技大学出版社，1999。
[2]魏志强、施平，集成环境中的数控程序仿真系统没计，组合机床与自动化加工技术，1993第6期。
[3]Ei_Mounayri H, Elbestawi M A, Spence A D, et al. General geometric modelingapproach for machining process simulation. The International Journal of Advanced Manufacturing technology, 1997(13). 237-247
[4]江早、王洪成，OpenGL VC／VB图形编程，科学出版社，2001。
[5]白燕斌等，OpenGL三维图形库编程指南，机械工业出版社，1998。
[6]孙波，OpenGL编程实例学习教程，北京大学出版社，2000。
[7]王华、叶爱亮等，Visual C++6.0编程实例与技巧，机械工业出版社，1999。
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[10]赵敏海、王亚芬，基于OpenGL组合体造型系统研究，哈尔滨理工大学学报，2001年第2期。
[11]高航、屈利刚等，虚拟设计中基于特征的零件实体建模技术研究，计算机辅助设计与制造，2001年第3期。
[12]方沂，数控机床编程与操作，国防工业出版社，1999。
[13]李福生，数控机床程序编制，机械工业出版社，1982。
[14]张国彬、林亨等，车削中心数控加工仿真系统程序检查模块的开发，机械设计与制造，2001年第2期。
[15]龙伟，数控机床及加工编程，成都科技大学出版社，1994。
[16]孙宏伟、马玉林，数控加工仿真器加工代码的计算机识别，航空制造技术，2000年第6期。
[17]周江华、蔡忠闽，基于OpenGL的制造系统虚拟仿真环境研究，测控技术，2000年第5期。
[18]苏爱林，基于多任务并行处理技术的高性能经济型数控系统理论研究，博士毕业论文，2000。
[19]刘荣忠，数控技术，成都科技大学出版社，1998。
[20]周泽华，金属切削原理，上海科学技术出版社，1984。
[21]韦彦成，金属切学机床构造与设计，国防工业出版社，1991。
[22][美]David J.Kruglinski,Scot Wingo,George Shepherd,Programming Visual C++6.0技术内幕，北京希望电子出版社，2000。
[23]刘晓石、郑淮等，精通Visual C++6.0，清华大学出版社，2000。
[24]林奕鸿等，机床数控技术及其应用，机械工业出版社，1994。
[25]殷国富、陈永华，计算机辅助没计技术与应用。科学出版社，2000。
[26]李晓平，数控加工仿真系统的研究与实现，硕士毕业论文，2000。
[27]杨勇，GAPT图形自动编程系统的研究及开发，硕士毕业论文，2000。
[28]何斌、马天予等，Visual C++数字图像处理，人民邮电出版社，2001。
[29]林丕源等，计算机图形图像处理应用技术，电子科技大学出版社，1999。
[30]倪明田、吴良芝，计算机图形学，北京大学出版社，1999。
[31]陈元琰、张晓竞，计算机图形学实用技术，科学出版社，2000。
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[33]余斌、刘荣忠，基于OpenGL的数控加工仿真系统的研究，四川大学学报，2001第5期。
[34]李际军，基于OpenGL的参数曲面上任意点的交互选取研究，模具工业，2001年第2期。
[35]范良志、张建钢，五轴数控铣削加工图形仿真技术，机电一体化，2000年第5期。
[36]冯裕强、雷保珍，NC铣削加工过程的仿真及其实现，华北工学院学报，1999年第6期。
[37]李晓平、樊庆文，刘荣忠等，数控加工三维仿真系统的研究与开发，四川大学学报，2001年第2期。
[38]贺再红、杨鼎强，基于OpenGL双缓存的多媒体动画实现，计算技术与自动化，2001年第3期。
[39]尤辛基、李华，计算机绘图，电子科技大学出版社，1999。