虚拟现实数控加工仿真系统研究与开发

发布时间：2017-04-03 17:03

  本文关键词：虚拟现实数控加工仿真系统研究与开发，，由笔耕文化传播整理发布。

【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、CAM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,Vega Prime5.0,GLstudio4.5.1和GLstudiofor VP5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、Crystal Eye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。
【关键词】：数控加工 仿真系统 虚拟现实 立体视觉
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG659
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 1 绪论11-15
• 1.1 论文选题背景及意义11-12
• 1.2 国内外现状12-13
• 1.2.1 数控仿真技术国内外研究现状12
• 1.2.2 虚拟现实技术国内外研究现状12-13
• 1.3 论文主要内容13-14
• 1.4 与现有数控仿真系统比较的优势14
• 1.5 课题主要创新点14-15
• 2 虚拟现实加工仿真系统总体设计15-21
• 2.1 系统总体需求分析15-16
• 2.1.1 系统功能性需求15
• 2.1.2 系统可行性限定15-16
• 2.2 系统软件平台选择16-19
• 2.2.1 系统的总体设想16-17
• 2.2.2 主要功能系统的软件平台选择17-18
• 2.2.3 指令输入的软件平台选择18-19
• 2.3 系统功能结构19-20
• 2.4 本章小结20-21
• 3 虚拟机床构建与控制21-35
• 3.1 虚拟机床构建需求分析21-22
• 3.1.1 虚拟机床构建的总体要求21
• 3.1.2 虚拟机床构建要求的分析21-22
• 3.2 机床模型构建技术22-32
• 3.2.1 虚拟机床构建平台（VP/VC++）分析22-23
• 3.2.2 机床模型对象输入23-27
• 3.2.3 保证模型精度的方法27-30
• 3.2.4 模型精简方法30-32
• 3.3 机床运动控制实现32-33
• 3.4 本章小结33-35
• 4 数字控制系统构建35-55
• 4.1 数字控制系统构建需求分析35
• 4.2 各模块数据处理分析35-37
• 4.3 指令分析模块功能设计37-41
• 4.3.1 手动控制机床指令的分析功能设计37
• 4.3.2 NC代码指令的分析功能设计37-41
• 4.4 意图传递程序模块功能设计41-42
• 4.4.1 手动操作的传递41
• 4.4.2 NC代码形式操作的传递41-42
• 4.5 驱动模块功能设计42-52
• 4.5.1 工件坐标系功能42-44
• 4.5.2 具体驱动函数实现44-52
• 4.6 控制系统总体运行52-54
• 4.6.1 模块间的锁定设置52-53
• 4.6.2 不同形式用户指令的调用53-54
• 4.6.3 控制系统总体逻辑流程54
• 4.7 本章小结54-55
• 5 人机交互功能的设计实现55-77
• 5.1 系统人机交互功能需求分析55-58
• 5.1.1 人机交互内容的确定55-56
• 5.1.2 人机交互表达方式的确定56-58
• 5.2 数控面板功能的实现58-70
• 5.2.1 GLS触发原理58-59
• 5.2.2 面板功能划分59
• 5.2.3 数控面板制作59-64
• 5.2.4 数据互传技术64-70
• 5.3 采用功能菜单实现的交互功能70-72
• 5.4 加工过程跟踪交互功能72-74
• 5.4.1 OpenGL与VP协同仿真技术72
• 5.4.2 刀具位置坐标与程序跟踪功能72-73
• 5.4.3 加工轨迹跟踪功能73-74
• 5.5 辅助观察操作视窗74-75
• 5.6 本章小结75-77
• 6 切削仿真功能开发77-85
• 6.1 切削仿真功能的设计77-83
• 6.1.1 切削仿真功能分析77-78
• 6.1.2 工件切削功能的实现78-83
• 6.2 实现的切削效果83-84
• 6.3 本章小结84-85
• 7 硬件系统搭建和软硬件调试85-91
• 7.1 沉浸效果介绍85
• 7.2 立体显示系统的搭建85-90
• 7.2.1 立体显示技术概述85-86
• 7.2.2 虚拟加工系统立体显示实现86-90
• 7.3 本章小结90-91
• 8 总结与展望91-93
• 8.1 课题总结91-92
• 8.2 课题不足92
• 8.3 课题展望92-93
• 致谢93-95
• 参考文献95-99
• 攻读学位期间发表的学术论文目录99-101

【参考文献】

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本文编号：284642