面向对象建模技术及其在虚拟仿真中的应用

面向对象建模技术及其在虚拟仿真中的应用

陈满意　段正澄　李斌

华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心,湖北武汉　430074

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摘要:多轴数控机床具有结构复杂、运动自由度多等特点。为了解决虚拟环境下多轴数控机床几何模型与各轴关联运动的

一致性问题,本文分析了多轴数控机床几何模型及运动模型的特点,研究了采用面向对象技术进行多轴数控机床建模的一般方法。以CKX56807轴5联动机床为例,使用OpenGL建立其虚拟仿真模型,实现了多轴数控机床几何模型与各轴关联运动的一致性,为进行加工仿真以及虚拟环境下的碰撞检测打下基础。关键词:面向对象技术;仿真模型;OpenGL中图分类号:TP391.9:TP391.73　文献标识码:B　文章编号:1001-2265(2004)10-0010-02

Aresearchonobject-orientedmodelingtechnologyanditsapplicationtoVirtualsimulation

CHENManyi　DUANZhengcheng　LIBin

Abstract:Multi-axisCNCmchiningcenterareofbothstructuralcomplexityandmulti-axiskinematics.Inordertotackleconjunctmove-mentofaxesinvirtualenviromnent,geometricmodelandkinematicsofmulti-axisCNCmachiningcenterarestudied,andgenericmodeling

methodbasedonobject-orientedtechnologyisinvestigated.TakingCKX5680asastudycase,virtualsimulationmodelofmulti-axisCNCmachiningcenterisestablishedwithconsistencyofgeometricmodelandconjunctmovementofaxesusingOpenGL.ThedevelopedmethodlaysfoundationtoNCcuttingsimulationandcollisiondetection.Keywords:object-orientedtechnology;simulationmodel;openGL

引言

数控加工过程仿真是CAD/CAM领域的重要研究内容,包括材料切除过程及刀具、铣头与加工环境的碰撞检测。正确构造虚拟环境下零件、夹具、机床以及其它制造资源的仿真模型是实现数控加工过程仿真的基础。尤其对于结构复杂的五轴数控加工机床,运动自由度多、刀具轨迹复杂,利用虚拟制造技术进行加工仿真研究具有重要意义。

面向对象技术的特点在于它对现实世界对象的抽象、继承、封装及多态机制,适合描述复杂对象。虚拟机床是虚拟加工过程的具体对象,由几何模型和运动模型构成。本文结合正在研制的CKX5680七轴五联动专用机床,以OpenGL为开发平台,将面向对象技术引入虚拟多轴数控机床的建模中,实现了多轴数控机床几何模型与各轴关联运动的一致性,为进行加工仿真打下基础。

体、圆柱、锥、球等。针对这个特点,在建立机床几何模型时,首先利用OpenGL图形库构造若干个基本几何体库。然后,由这些基本几何体利用几何体之间的布尔运算组建高一层的基本模型,这种方法在计算机图形学中被称为构造实体造型技术(Con-structionSolidGeometry,CSG)。对于一台机床,其层次关系一般为设备-部件-零件形式,即具有层次性。可采用分层树状结构表达出模型间的分层装配和顺序约束。设备树状结构的根节点是设备,叶节点是各个零件,中间节点是各个部件。1.2　运动模型虚拟机床的虚拟运动由各运动部件的平动、转动及相互间的关联运动构成。根据机床用途的不同,五轴联动数控机床的结构各异。

　图2　五轴数控机床运动链图图2为一种带回

转工作台、配置特殊铣头的五轴联动数控机床传动链。

各运动轴说明:(1)X轴,大拖板沿横梁导轨水平移动,坐标变换为TX;(2)Z轴,刀架沿Z方向(与回转工作台垂直)移动,坐标变换为TZ;

(3)B2轴,特殊铣头绕Y轴回转,坐标变换为RB2;(4)A轴,特殊铣头绕X轴回转,坐标变换为RA;(5)C2轴,工作台回转运动,坐标变换为RC2。其中,X、Z、B以及A轴存在关联运动。

设刀心在刀具局部坐标系中的坐标为(xT,zT,cT),在机床

1　数控机床仿真模型

1.1　几何模型

数控机床几何模型的对象类结构主要是以模块为基础的对象类形成的组装结构,这是数控机床本身由上向下逐层

分解的装配关系决定的。建立数控机床几何模型的关键是几何模型的表达,也就是采用什么样的数据结构来描述数控机床。

一台机床可以看作是由许多部件组成的复杂系统,各部件可

　图1　机床对象层次结构

细分成零件,零件又可进一步分

成若干基本模型如图1所示,例如OpenGL基本几何体包括立方

基金项目:国家863计划(2002AA424012)

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