五轴数控铣削加工图形仿真技术的研究与实现

论文摘要

加工仿真是数控加工前NC程序验证的一个有效手段,是CAD/CAM、CIMS和虚拟制造研究的重要内容之一,其中五轴数控加工图形仿真以其突出的理论意义和实际需求越来越受到研究者的重视。本文对五轴数控铣削加工仿真中几何模型的建立、材料移除过程的实现、加工仿真的动态图形显示质量等方面的关键技术进行了研究,主要研究内容和成果如下:1.建立了适用于五轴数控铣削加工图形仿真的几何模型。根据五轴数控铣削加工的特点,引入Dexel方法对工件进行几何表示,并针对传统Dexel模型构建方法的不足,改善了Dexel模型的数据结构,有效降低了仿真过程的运算复杂度。2.基于五轴数控加工仿真中刀具的运动特点,通过综合刀具位置离散方法、刀具运动分解与合成以及显式求解方法,推导出了五轴数控加工中刀具扫掠面的显式表达,使得复杂的扫掠曲面由一系列简单的平面和椭圆柱面所组成。3.根据刀具扫掠面的显式表达,采用快速求交算法生成刀具扫掠体的Dexel模型;根据Dexel模型的结构特点,采用快速定位方法确定工件Dexel链的更新范围,在更新范围内采用Dexel模型的一维布尔运算方法对模型进行更新,有效提高了材料移除过程的模拟速度。4.根据Dexel模型的数据结构特点和可视球的概念,提出了将Dexel模型转化为三角网格模型的方法,消除了Dexel模型显示时的台阶效应,提高了仿真图形显示的质量;利用OpenGL的光照模型和消隐算法中的深度缓冲区算法进一步增强仿真过程图形显示的真实感效果;通过使用多线程技术和OpenGL提供的双缓存机制保证了数控加工图形仿真过程动画显示的平滑效果。根据本文研究成果开发的五轴数控铣削加工图形仿真软件模块已经经过整体叶轮等应用实例的考核,结果综合表明本文的研究工作切实有效。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 数控加工图形仿真技术的发展
• 1.2.1 数控加工仿真方法
• 1.2.2 数控加工仿真技术的研究现状
• 1.3 选题依据与论文结构
• 1.3.1 选题依据
• 1.3.2 研究内容与论文结构
• 第二章 五轴数控加工仿真几何模型的建立
• 2.1 三维实体表示方法概述
• 2.1.1 线框图表示法
• 2.1.2 边界表示法
• 2.1.3 构造实体几何法
• 2.1.4 离散模型法
• 2.2 实体的 Dexel 建模方法
• 2.2.1 实体的Dexel 模型表示
• 2.2.2 Dexel 模型的构建
• 2.2.3 应用实例
• 2.3 本章小结
• 第三章 刀具扫掠面的生成及切削过程的实现
• 3.1 刀具扫掠面
• 3.1.1 刀具的几何模型
• 3.1.2 刀具扫掠面的构成
• 3.1.3 刀具扫掠包络理论
• 3.1.4 刀具扫掠面方程的推导
• 3.1.5 应用实例
• 3.2 切削过程的实现
• 3.2.1 刀具扫掠体的Dexel 表示
• 3.2.2 Dexel 模型的布尔运算
• 3.2.3 应用实例
• 3.3 本章小结
• 第四章 Dexel 模型转化为三角网格模型
• 4.1 Dexel 模型的数据结构
• 4.2 Dexel 模型的分析
• 4.3 Dexel 模型转化为三角网格模型的方法
• 4.3.1 模型底部和顶部三角面片的构建
• 4.3.2 模型垂直壁三角面片的构建
• 4.4 应用实例
• 4.5 本章小结
• 第五章 开发环境与真实感图形的生成
• 5.1 开发环境
• 5.2 基于 OpenGL 的真实感图形的产生
• 5.2.1OpenGL 的工作流程
• 5.2.2 光照的应用
• 5.2.3 消隐算法的应用
• 5.2.4 动态仿真图形实时更新机制
• 5.3 应用实例
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文