增强现实数控加工仿真及监测系统关键技术研究

摘要

随着现代工业的发展，数控加工工艺日趋复杂，数控加工仿真已成为数控加工之前，验证、优化加工指令和加工工艺的必要步骤。传统的数控加工仿真只能离线仿真机床的理想加工过程，无法获知数控加工过程中机床真实环境的变化信息，仿真误差大，因此，如何在机模拟、监测数控机床的加工过程，实现虚实融合的数控加工仿真成为数控加工仿真的发展趋势。为此本文开展增强现实数控加工仿真及监测系统关键技术研究，利用增强现实技术实现虚拟加工模型与真实加工环境的融合，通过PLC采集机床实际运动信息，以实际运动信息驱动虚拟加工仿真模型，并通过虚拟毛坯与障碍物间的虚实碰撞检测检查机床与毛坯模型间是否存在碰撞干涉，从而实现数控加工的在机仿真和监测功能。主要研究内容如下:
　　 (1)基于PLC的数控机床运动信息采集。通过PLC内置高速计数器对机床编码器输出脉冲计数，建立了PLC与上位机间的TCP通信，通过PLC本身集成的Profinet接口将计数值发送给上位机，上位机使用Winsock接口接收计数值，并将其换算成机床X、Y轴工作台的位移，从而实现对数控机床实际运动信息的采集。
　　 (2)机床运动信息驱动的增强现实数控加工仿真方法。该方法能够实现虚拟加工模型与真实加工环境视觉上的融合和运动的一致，首先通过CCD采集数控机床实际加工环境图像，使用基于标识物的增强现实注册方法将虚拟加工仿真模型叠加到数控机床实际加工环境中，实现虚实加工环境视觉上的融合。其次以采集到的机床运动信息驱动虚拟加工仿真模型，实现仿真模型与真实机床运动的一致。
　　 (3)基于八叉树球形体素模型的虚拟毛坯与真实障碍物间的虚实碰撞检测方法。建立了障碍物及虚拟毛坯八叉树球形体素模型，机床工作过程中，通过实时检测二者球形体素单元间是否存在碰撞，达到了在机监测虚拟毛坯与障碍物间是否存在碰撞的目的。
　　 本文研究过程中，以数控机床铣削加工为例，在WindowsXP环境下，以VisualC++6.0为集成开发平台，利用图形显示工具OpenGL和增强现实工具ARToolKit，建立增强现实数控加工仿真平台，结合实验室现有的教学用数控机床，验证了本文设计的增强现实数控加工仿真及监测系统的可行性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 虚拟加工仿真

1．2．2 增强现实数控加工仿真

1．3 存在问题与发展趋势

1．3．1 存在问题

1．3．2 发展趋势

1．4 论文结构安排

第2章 增强现实数控加工仿真开发平台

2．1 图形显示工具OpenGL

2．1．1 OpenGL库函数

2．1．2 OpenGL图形处理功能

2．1．3 OpenGL基本工作流程

2．2 增强现实开发工具ARToolKit

2．2．1 ARToolKit体系结构

2．2．2 ARToolKit主要特性

2．3 集成开发工具Visual C++

2．3．1 Visual C++概述

2．3．2 Visual C++编程主要特性

2．4 本章小结

第3章 基于PLC的数控机床运动信息采集方法

3．1 PLC端数据采集接口设计

3．1．1 高速计数模块设计

3．1．2 通信指令块设计

3．2 上位机通信接口设计

3．2．1 Winsock工作流程

3．2．2 PLC与上位机通信设计

3．3 机床运动信息采集实验

3．4 本章小结

第4章 增强现实数控加工仿真及监测系统设计

4．1 系统功能模块

4．2 基于标识物的跟踪注册方法

4．2．1 标识物识别

4．2．2 坐标转换

4．2．3 增强现实融合

4．3 增强现实数控加工仿真方法

4．3．1 基于机床运动信息驱动的仿真方法

4．3．2 基于标识点视觉跟踪的仿真方法

4．3．3 实验对比

4．4 本章小结

第5章 基于八叉树体素模型的虚实碰撞检测方法

5．1 虚实碰撞检测流程

5．2 虚拟模型体素化

5．3 球形体素单元间的碰撞检测

5．4 虚实碰撞检测实验

5．5 系统实际应用

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作

致谢

附录