虚拟现实数控加工仿真系统研究与开发

摘要

数控加工仿真技术是指采用计算机手段，模拟真实数控加工过程，并以多种表达形式对加工结果进行展示和评价的技术。该技术已经广泛应用于数控机床结构设计验证、数控教学、数控系统调试、C AM等多个方面。但是，目前数控加工仿真系统普遍“真实程度”不高，仿真效果欠佳。针对这些问题，本课题采用虚拟现实技术开发数控加工仿真系统，利用虚拟现实技术的“3I”（“immersion沉浸-interaction交互-imagination想象”）特性，有效提高了数控加工仿真系统的真实程度。
　　虚拟现实数控加工仿真系统是机械设计制造及其自动化专业实验室虚拟现实教学系统的子课题。本课题从分析系统总体需求入手，进行系统总体设计，具体划分了虚拟现实数控加工仿真系统的功能模块。逐模块设计开发，结合虚拟现实外接硬件设备，针对系统的不同应用场合，设计并实现了多种三维显示模式；从而开发出模型真实度高，加工功能齐全，具有初步切削仿真效果和沉浸效果的虚拟现实数控加工仿真系统。其研发过程分四部分：总体设计、软件开发、硬件系统搭建和软硬件联机调试。
　　1）总体方案设计
　　首先，分析了数控加工仿真系统需求，提出开发思路，明确了软件开发平台所需要达到的要求；其次，经过对比，选定以VS2008，VegaPrime5.0， GLstudio4.5.1和 GLstudioforVP5插件组成本系统的软件开发平台，最后，总结出基于此平台的系统模块化开发流程。
　　2）软件开发
　　第一，研究了某型三轴数控加工中心的虚拟现实模型构建需求，对比了多种模型转换和精简方式，选择合适的一种完成虚拟机床模型的构建；第二，设计并开发了一款能够实现NC代码导入加工、手动输入NC代码加工和手动操作数控面板加工三种加工方式的数控系统，针对软件平台实际情况优化了插补算法，提高加工仿真质量；第三，针对数控系统操作需求和软件的使用对象，基于当前软件平台，设计并开发了人机交互功能，重点研发了基于虚拟现实技术的可操作数控面板；第四，设计了一种易于实现的刀具切削算法；采用平面离散法构建了加工模型，初步实现了加工仿真功能。
　　3）硬件系统搭建
　　分析了使用者类型和使用场合特点，结合头盔显示器、立体投影设备、CrystalEye立体眼镜等虚拟现实外设，设计并搭建了三种立体显示硬件平台，支持系统呈现立体显示效果。
　　4）系统调试
　　经过联机调试，结合软硬件系统，完成虚拟现实数控加工仿真系统的研发。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1绪论

1.1论文选题背景及意义

1.2国内外现状

1.3论文主要内容

1.4与现有数控仿真系统比较的优势

1.5课题主要创新点

2虚拟现实加工仿真系统总体设计

2.1系统总体需求分析

2.2系统软件平台选择

2.3系统功能结构

2.4本章小结

3虚拟机床构建与控制

3.1虚拟机床构建需求分析

3.2机床模型构建技术

3.3机床运动控制实现

3.4本章小结

4数字控制系统构建

4.1数字控制系统构建需求分析

4.2各模块数据处理分析

4.3指令分析模块功能设计

4.4意图传递程序模块功能设计

4.5驱动模块功能设计

4.6控制系统总体运行

4.7本章小结

5人机交互功能的设计实现

5.1系统人机交互功能需求分析

5.2数控面板功能的实现

5.3采用功能菜单实现的交互功能

5.4加工过程跟踪交互功能

5.5辅助观察操作视窗

5.6本章小结

6切削仿真功能开发

6.1切削仿真功能的设计

6.2实现的切削效果

6.3本章小结

7硬件系统搭建和软硬件调试

7.1沉浸效果介绍

7.2立体显示系统的搭建

7.3本章小结

8总结与展望

8.1课题总结

8.2课题不足

8.3课题展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文目录

声明