[虚拟切削加工系统的设计与实现] 国家级虚拟仿真实验室.docx

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1、虚拟切削加工系统的设计与实现 国家级虚拟仿真实验室 摘 要：虚拟制造是近年出现的一种先进制造技术，虚拟切削加工在虚拟制造中占有重要地位。为了供应虚拟的加工环境和验证工艺设计的正确性，对切削加工过程的计算机仿真方法进行了探讨，以OSG作为图形支持系统，用VC+开发了切削加工仿真系统。该系统实现了对毛坯切割的仿真，可对刀具运动切割状况进行实时监控，较好的再现了加工中毛坯的成型过程。 关键词：虚拟切削；仿真；实体造型; OSG; Visual C+ 中图分类号：TP391 文献标识码：A DoI: 10.3969/j.issn.1003-6970.2012.03.015 Design and Imp

2、lementation of Virtual Machining System ZHAO Kang, WEN Fuan (Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing Key Laboratory of Network System and Network Culture, Beijing 100088, China) Virtual manufacturing is an advanced manufacturing technology in recent years, and the virtual cutting

3、 plays an important role in virtual manufacturing. In order to provide the virtual processing environment and validate the process design, we have studied computer simulation of the cutting process with OSG 3D rendering engine and Visual C+. The system implements the simulation of rough-cut and repr

4、oduces the molding process for rough machining. and we also can monitor cutting tool movement in real time. Virtual Cutting; Simulation; Solid Modeling; OSG; Visual C+ 0 引 言 在切削加工过程中，人们常用试切法验证加工过程的合理性，由于产品向小批量、多样化发展，该方法已不能满意企业降低成本、缩短生产周期的须要。随着计算机可视化技术和动画技术的发展，人们提出了仿真的概念。通过仿真来检查加工中可能出现的碰撞、干涉危急，分析零件的可

5、加工性和工序的合理性。 在3D图形系统开发中，OSG (Open Scene Graph)是一个很重要的支持工具。目前大多数的仿真探讨的工作重点都集中在平面机构的运动仿真上，没有体现其强大的三维空间仿真功能。 基于上述状况，本文开发了一种基于OSG三维图形引擎的新的切削算法，对切削加工过程进行了三维动画仿真。 1 国内外虚拟制造相关技术发展状况 目前许多发达国家已经对虚拟制造技术进行深化探讨。在美国已形成了由政府、产业界、高校组成的多层次、多方位的综合探讨开发力气。由政府支持的探讨项目主要有:TEAM(Technologies Enabling Agile Manufacturing, Dep

6、t. of Energy)、NAMT(National Advanced Manufacuring Testbed)、SIMA(Advanced Manufacturing Systemsand Networking Testbed)。 在欧洲，很多高校和探讨机构通过相互间的合作并联合企业进行虚拟制造技术的探讨工作,例如:由Bath 高校进行的A vi rtual workshop for Design byManufacturing 探讨、由Herriot Watt 高校进行的Virual Manufacturing Group探讨等1。 国内在此方面的探讨刚刚起步,主要集中在以下三个方面:

7、 (1)产品虚拟设计技术 主要包括虚拟产品开发平台、虚拟测试、虚拟装配以及机床、模具的虚拟设计实现等。其中清华高校利用美国国家仪器公司的Labview 开发平台实现了锁相电路的虚拟。 (2)产品虚拟制造技术 主要包括材料热加工工艺模拟、 加工过程仿真、板材成型模拟、模具制造仿真等。 (3)虚拟制造系统 主要包括虚拟制造技术的体系结构、 技术支持、开发策略等。其中提出了比较成熟的思想并可能实现的是由上海同济高校张曙教授提出的分散网络化生产系统和西安交通高校谢友柏院士组建的异地网络化探讨中心。 2 OSG三维图形开发环境 OpenSceneGraph（简称OSG）运用OpenGL技术开发，是一套基

8、于C+平台的应用程序接口（API），它让程序员能够更加快速、便捷地创建高性能、跨平台的交互式图形程序。它作为中间件（middleware）为应用软件供应了各种高级渲染特性，IO，以及空间结构组织函数；而更低层次的OpenGL 硬件抽象层（HAL）实现了底层硬件显示的驱动2。 从系统开发人员的角度看，相比工业标准OpenGL 或其它的图形库，OSG的优点自不待言。除了开源和平台无关性以外，它封装并供应了数量众多的提升程序运行时性能的算法、针对包括分页数据库在内的几乎全部主流数据格式的干脆数据接口、以及对脚本语言系统Python 和Tcl 的支持。OSG采纳以下思想和工具进行构建：ANSI标准C+

9、；C+标准模板库（STL）；设计模式（Design patterns）。这些工具使得OSG的开发者可以在自己喜好的平台上进行开发，并且依据用户所要求的平台进行配置3。 因此OSG具备了简单快速开发，高性能，可扩展性强、可移植性强、开发费用低、没有学问产权问题的优点。这也是本系统采纳OSG技术进行开发的重要依据。 3 常见虚拟加工类别 3.1 线框方法 线框方法是一种非常简洁而且简单实现的加工仿真方法，即在屏幕上以线框的方式画加工刀具和零件模型。当程序运行时，刀具不断地按显示的加工轨迹在屏幕上移动，加工仿真模块未对刀具和待加工毛坯进行数学处理，难以进行真实的铣削加工仿真。 3.2 视向离散法 将

10、加工刀具和待加工毛坯沿视线方向上进行“等同”离散表示；然后在加工过程中，利用离散后的数据进行图像上的处理，以求达到真实的效果。采纳这样的方法可以达到很好的显示效果和实时性能。但其加工结果不具有连续性，不能放大或缩小显示，不能随意转动视角。 3.3 实体造型技术 考虑到待加工毛坯一般为长方体，刀具可以由二次几何体拼凑而成。进行加工仿真时，先求出刀具沿加工路径移动时所形成的扫描体，然后从毛坯中“减去”该扫描体，接着将结果进行真实感显示。利用这种方法进行仿真，可以支持三轴和五轴加工。其加工出的零件表示具有连续性，可以放大或缩小显示，可以随意旋转视角，可以进行加工误差的测量4。 综上所述，考虑到各种方

11、法的优缺点及OSG三维渲染引擎的特性，我们采纳了第三种实体造型技术来实现虚拟切削加工系统。 4 虚拟切削算法描述 在OSG中，为了简化场景的绘制，同时也为了便利开发者能够快速地构造一个场景，它本身定义了一些常用的几何体，如osg:Box立方体、osg:Cylinder柱体、osg:Sphere球体、osg:TriangleMesh三角片等。 目前采纳系统供应的圆柱体表示铣刀。此外，OSG还支持导入由外部三维建模工具创建的立体图形，如SolidWorks，只要供应OSG可以转化的格式文件即可，比如最常用的.stl格式文件、.ive格式文件、.3ds格式文件等。后续优化过程中可以加入根据真实铣刀建

12、模的铣刀模型，从而使系统更加真实5。 毛坯模型由若干Cube对象表示。自定义Cube类表示组成毛坯的立方体元素（图1）。 构造Cube时传入该长方体三个方向上的长度及中心坐标，然后构造一个相应的osg:Box对象赋给boxGeode变量。_min具有默认初始值false，表示还可以接着细分。 该系统实行OSG系统的右手坐标系，X轴沿着屏幕平面水平方向，Z轴沿着屏幕平面内垂直方向，Y轴垂直于屏幕平面。铣刀的运动由键盘限制，如XYZ方向上每个轴两个方向，共六个键。 首先定义一个容器用来存放全部的Cube对象。切削起先时，一个毛坯只包含一个Cube元素，即一个立方体形的毛坯，铣刀接触毛坯后，毛坯先被

13、分割为上下两层，即上下两个Cube对象，分割线为柱体铣刀底面所在的平面（图2）。该功能由以下函数完成： vector Cube:divideZ(double downHeight) 该函数惟一的参数downHeight代表铣刀底面与所碰撞的Cube对象底面的差。假如downHeight0，则表示铣刀底面高于当前遇到的Cube对象的底面所在平面，故将当前Cube对象划分为两个Cube对象，分割线为铣刀底面所在的平面。假如downHeight=0.0，则表示铣刀底面和Cube对象的底面在同一平面，则不再划分该Cube对象6。 然后再划分上层的立方体，此时按铣刀从“前后左右上”五个方向切入，分别定义

14、不同的水平方向的切分函数： vector divideXYLeft(double drillX, double drillY); vector divideXYRight(double drillX, double drillY); vector divideXYTop(double drillX, double drillY); vector divideXYBottom(double drillX, double drillY); vector divideXYDown(double drillX, double drillY); 假如把铣刀四周按“井”字划分，则最多为9个部分，分别按图3

15、给各部分编号。 下面以铣刀从Cube右侧切入为例，介绍水平方向的切分算法（图4）。铣刀位于5所在位置，只须考虑1、2、4、5、7、8六块的划分即可，同时还须考虑铣刀从右下角或者右上角切入的情形（图5），此时只要划分出1、2、4、5或4、5、7、8四块即可，最终还有可能Cube对象的宽度小于等于铣刀直径的情形，此事只须划分出4、5两块即可。完成该功能的函数为： vector Cube:divideXYLeft(double drillX, double drillY) 图4 Fig.4 首先，假如从右上角切入，则1、2部分在Y方向上长度定为0；同理假如从右下角切入，则7、8部分在Y方向上的长度定

16、为0。这样在下面构造出各部分的Cube对象时，假如有一个方向上的长度为0，则不再构造该部分。 图5 Fig.5 然后，确定4号部分在Y方向上的长度及4号长方体的中心在Y方向上的坐标。 最终，依据上面列出的数据，先划分出5号部分，再推断是否划分以及怎样划分1、2、4、7、8部分。划分完成后返回这些新生成的Cube对象7。 从其他方向切入的函数与此相像，这里不在赘述。 最终将5号Cube对象划分为若干最小分割单元立方体的集合（图6）。该功能由std:vector Cube:divide2Detail(int n)成员函数完成。参数n用来限制细分的精细程度，即将当前Cube划分为n*n个小的Cube

17、对象。 其中对细分循环中做了优化，对当前长方体做了中间空心的处理，这样削减了细分单元的数量。 图6 Fig.6 现在已经介绍完了Cube对象的各种划分算法，接下来就要在键盘限制铣刀运动时通过更新函数update()来调用这些划分函数，并对去除掉与铣刀接触的最小单元长方体。 在update()函数中，主要是遍历当前的Cube对象，推断是否与铣刀接触以及是否为最小单元，假如是则剔除该Cube对象，否则调用垂直方向上的划分函数divideZ()函数，将返回的划分完成后的若干Cube对象添加进Cube列表中。然后依据键盘事务调用相应的水平方向上的五个划分函数中的一个，并将被划分的Cube对象剔除。最终

18、调用divide2Detail()函数，并对得到的最小单元列表进行遍历，剔除掉与铣刀接触的部分，将剩余的部分添加至全局的Cube列表中8。 更新过程流程图如图7所示： 图7 Fig.7 下面附上几张对毛坯简洁切削后截图（图8）。 图8 Fig.8 5 结语 经过对切削算法的初步探究，完成了基于实体分割法和 OSG三维渲染引擎的切削算法，基本仿真了铣刀对毛坯的切削，但目前也只能完成不太困难的切削，存在着长方体数据过多的缺点，还有待于进一步优化。 参考文献 1 崔伟清，王晋涛，邢迪雄. 虚拟制造技术概述. 机械制造与自动化，2007，36(2) : 1，2 2 王锐，钱学雷. OpenSceneG

19、raph三维渲染引擎设计与实践M.北京: 清华高校出版社，2009 3 肖鹏，刘更代，徐光明.OpenSceneGraph三维渲染引擎编程指南M. 北京: 清华高校出版社，2010 4 于成杰，俞立钧，佘传伏. 数控车床切削仿真的探讨.机电工程技术，2006，35( 2) : 16 18 5 OpenSceneGraph官方网站. www.省略 6 余斌. 基于OpenGL的数控加工仿真系统的探讨与开发D. 成都: 四川高校，2002. 7 周江华，蔡忠闽，李宏等. 基于OpenGL的制造系统虚拟仿真环境探讨J. 测控技术，2000，19(7): 22-25. 8 冯善达，刘怡昕. 虚拟场景中碰撞检测好用算法探讨J .计算机仿真，2002，(6)