虚拟NC切削加工环境构建机理研究

论文摘要

加工过程仿真是数控加工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)和建模与仿真技术于一体,能为产品的可制造性分析提供依据。本文在研究国内外虚拟制造发展状况的基础上,提出了虚拟加工过程仿真环境的体系结构,对其建造关键技术进行了研究,建立了三轴虚拟数控铣床几何模型。本文开发出了三维虚拟加工环境系统,加工环境由机床、工件、刀具构成,采用OpenGL对它们进行造型,各部件模型的具体表述应包含三维几何信息和拓扑信息,几何信息用来决定模型的形状、大小和位置;拓扑信息用来表示模型间的坐标及装配关系。设备建模主要分形状定义、数据结构、约束条件三个方面。在研究多种三维数据结构的基础上,根据数控加工的特点和要求,研究和制订毛坯离散的数据结构。本系统中所采用的离散矢量数据模型,在加工过程中该数据结构能稳定、准确地表示工件的逐步成型过程,记录有关的加工信息克服了实体建模方法需进行大量求交计算和图像空间方法无法对加工结构进行旋转、放缩操作,无法进行精确的误差检验等缺陷,大大提高了所开发软件的实用性。所研究的加工仿真算法,实现了在虚拟加工环境中的加工过程仿真。其中的设备单元为一个三坐标虚拟数控铣床,环境在NC代码的驱动下运行,在加工过程中以不同的视角观察加工过程中加工中的部件运动、零件和型腔的逐步成型过程,检查是否有碰撞或干涉现象,记录并存储加工过程的信息。该系统的仿真效果具有真实感强,实时性好的优点,可用于对设计的产品进行可加工性判断和NC的正确性检验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 虚拟数控技术国内外研究现状及存在的问题
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 存在的问题及发展趋势
• 1.3 本课题研究的意义
• 1.4 本课题的研究内容
• 第2章 系统总体框架设计
• 2.1 系统总体设计原则
• 2.2 系统总体设计的体系结构与模块划分
• 2.2.1 虚拟数控铣床的体系结构
• 2.2.2 虚拟数控铣床的模块划分
• 2.2.3 系统工作流程
• 2.3 系统开发环境
• 2.3.1 Windows
• 2.3.2 VC++语言
• 2.3.3 OpenGL
• 2.4 系统特点及关键技术
• 2.4.1 系统特点
• 2.4.2 关键技术
• 第3章 虚拟数控铣床建模
• 3.1 几种常用的建模方法
• 3.1.1 线框建模
• 3.1.2 表面建模
• 3.1.3 实体建模
• 3.1.4 基于图像空间建模
• 3.1.5 离散矢量建模
• 3.1.6 优化离散矢量模型的建立
• 3.2 虚拟数控铣床的几何建模
• 3.2.1 数控铣床机构分析
• 3.2.2 三轴数控铣床各部件的建模设计
• 3.3 坐标系的建立
• 3.3.1 自然坐标系
• 3.3.2 设备坐标系
• 3.3.3 机床坐标系
• 3.3.4 工件坐标系
• 第4章 动态仿真的实现
• 4.1 数控加工代码的翻译
• 4.1.1 NC 代码翻译的任务
• 4.1.2 NC 代码的结构
• 4.1.3 NC 代码处理方法
• 4.2 加工仿真中的数学求交计算
• 4.2.1 毛坯体与刀具扫描体的几何求交运算
• 4.2.2 球头刀的求交运算
• 4.2.3 平底刀的求交运算
• 4.2.4 带圆角的平底刀的求交计算
• 4.2.5 毛坯体数据的更新
• 4.3 加工过程的动画显示
• 第5章 仿真程序实现及实例验证
• 5.1 OpenGL 概述
• 5.1.1 OpenGL 的主要性能特点
• 5.1.2 OpenGL 的主要功能
• 5.1.3 OpenGL 的工作流程
• 5.1.4 OpenGL 图形的操作步骤
• 5.2 OpenGL 绘图功能介绍
• 5.2.1 简单几何图元定义
• 5.2.2 利用简单几何图元构造多边形模型曲面
• 5.3 系统主要界面设计
• 5.3.1 主界面
• 5.3.2 主菜单
• 5.3.3 其他界面
• 5.4 系统配置
• 5.5 程序实现
• 5.5.1 基本设置
• 5.5.2 几个重要功能的实现
• 5.6 仿真实例
• 5.6.1 仿真实验方案的制定
• 5.6.2 仿真预测与实验结果
• 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表（含录用）的学术论文