高性能数控仿真显示模式的研究

摘要

数控仿真系统是通过利用计算机图形显示系统模拟真实的数控机床操作的软件工具。通过查阅和研究文献发现，目前对数控加工仿真系统的研究大多是以传统CPU的串行模式设计实现，但相对于GPU来说，CPU存在着串行性、计算速度和内存带宽等方面的局限性，使得某些算法在CPU上无法快速的执行。因此，本文向数控仿真系统引入 CUDA平台方案，对仿真系统中能够并行执行的切削计算和显示部分利用GPU的并行线程进行大量数据的并行计算，代替原来的模式，提高仿真效率，满足实时性显示要求。
　　本文对数控仿真中几何建模、切削计算、加工面的动态显示模块进行了研究，主要内容如下：
　　1、几何建模方面：研究分析了几种常用的几何建模方法，结合数控加工的特点，本文改进了Marching Cubes算法，并给出刀具的通用模型；与传统MC算法比较，改进的算法避免了对全空和全实体素进行等值面抽取这一冗余操作，可以跨越工件模型外部全空的体素以及位于工件模型内部全实的体素，从而提升了对已切削加工面的显示速度。
　　2、切削计算方面：研究和分析了仿真系统中刀具包围盒与工件模型的切削计算部分，将切削计算原理通过CUDA平台并行实现，从XOY方向、XOZ方向和YOZ方向分别以并行方式执行求交运算，得到工件与刀具的切削点数据并存储于共享存储器。
　　3、动态显示方面：首先直接利用CUDA并行实现MC算法，但其缺点是遍历了所有体素，浪费了资源；为避免浪费资源，提出的基于 CUDA的边界体素绘制算法，该算法是将改进的Marching Cubes算法在CUDA平台上的应用与实现。改进的Marching Cubes算法通过利用GPU的硬件特点和优势实现并行化，以体素的状态为依据确定体素是否需要重建，线程与体素一一对应并行执行，执行结果通过CUDA与OpenGL的互操作方式进行加工面的渲染。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容

第二章 基于GPU的三维图形设计研究

2.1 CUDA编程模式

2.2 三维图形显示模式

2.3 本章小结

第三章 数控仿真中三维实体显示模型及算法的研究

3.1 三维实体建模分析

3.2 数控仿真切削计算分析

3.3 工件模型的加工面显示模型

3.4 本章小结

第四章 数控仿真显示模式的研究

4.1 数控仿真系统的并行化分析

4.2 CUDA平台上实现数控仿真切削算法的研究

4.3 CUDA平台上实现数控仿真显示算法的研究

4.4 CUDA平台上数控加工的测试与分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

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