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金刚石车削光学自由曲面的加工仿真系统研究

作　者: 徐明旭
导　师: 呼咏
学　校: 吉林大学
专　业: 机械制造及自动化
关键词: 金刚石车削自由曲面仿真系统快速刀具伺服
分类号: TG51
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 110次
引　用: 2次
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内容摘要

光学自由曲面由于诸多优越的性能,如能够校正多种像差,减小光能损失,提高元件的成像效果等,因此在很多领域应用广泛。由于光学自由曲面的复杂性及其较高的精度要求,很难在普通数控机床上进行加工,如何实现光学自由曲面的精密、高效制造一直是光学元件生产领域的难题。基于快速刀具伺服(Fast Tool Servo,简称FTS)的金刚石车削加工技术是近年来发展起来的一项技术,此项技术被认为是实现光学自由曲面加工的革命性技术。然而,这项技术还没有发展成熟,因此有必要在进行实际加工之前对加工过程进行计算机仿真,以检验加工过程中可能出现的错误。本文在深入研究现有仿真技术和建模方法的基础上,针对光学自由曲面金刚石车削加工仿真进行研究。主要研究内容涉及到基于FTS的金刚石车削加工过程仿真系统的总体结构设计、数控代码的检验与编译、材料去除算法与动态显示等。论文具体研究内容主要包括以下几个方面：(1)通过分析光学自由曲面的加工特点和仿真系统的功能需求,建立了数控代码检验与几何仿真集成的金刚石车削加工仿真系统的体系结构,为后续各个子模块的开发奠定基础,对实现数控代码检验与几何仿真的有效紧密集成具有重要意义。(2)提出了仿真系统的总体功能要求,根据功能要求,设计了仿真系统的各个模块,并对每个模块的具体功能进行了详细论述,通过对系统各模块的集成,实现了各模块之间的数据通信和数据共享。(3)完成了编译模块中数控代码的检验功能,通过词法检验、语法检验和语义检验,可以准确、快速地检查出数控代码中可能出现的错误,并对其中的错误进行了分类,这样可以很方便地进行修改。通过读入和解释加工程序信息,把数控程序中的刀具位置和机床状态信息存储到加工数据信息结构体当中,为后续金刚石车削加工仿真做好了数据准备工作。(4)在深入研究现有数控插补原理的基础上,根据本系统仿真的特点,创新性地对现有插补原理进行了改进,提出了适合于本数控仿真系统的插补原理。通过对本系统插补原理的分析可知,与原有插补原理相比本系统所采用的插补原理有效地提高了仿真精度。(5)通过对现有建模方法的详细分析,结合本系统加工零件的特点,以Z_map法为基础,创新性地把B-rep法和Z_map法结合起来,提出了适合于光学自由曲面金刚石车削加工仿真系统的建模方法。该建模方法大大地减小了数据存储量,同时为后续的材料去除算法奠定了基础。(6)以环曲面为例,对刀具轨迹的生成进行了研究。结合布尔运算的理论,对三维实体的布尔运算进行了简化,提出了基于物体空间离散法的材料去除算法。结合三维图库OpenGL,通过双缓存技术,比较简单、方便地实现了材料去除过程的动态显示。论文围绕金刚石车削光学自由曲面加工仿真展开,对仿真系统的体系结构进行了设计,较好地实现了数控代码解释模块、材料去除模块、动态显示等模块之间的数据传输和数据共享。充分利用OpenGL库函数对现有插补算法进行了改进,极大地提高了系统的仿真精度。本文对场景模型进行了分类,并根据模型的特点采用适合的建模方法对模型进行了建模。利用B-rep法和Z_map法相结合的方法完成了毛坯建模,减小数据存储量,简化了实体间的布尔运算过程。仿真结果表明,该系统较好地实现了光学自由曲面加工的动态仿真,所采用的建模方法有效提高了系统的仿真速度和仿真质量。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
第1章绪论  12-22
  1.1 光学自由曲面及其应用  12
  1.2 光学自由曲面的加工技术  12-14
  1.3 数控仿真技术  14-19
    1.3.1 计算机仿真的概念及应用  14-15
    1.3.2 数控仿真技术的研究现状  15-19
  1.4 论文的选题意义  19-20
  1.5 论文的主要研究内容  20-21
    1.5.1 光学自由曲面金刚石车削仿真系统模型的建立  20
    1.5.2 研究材料去除算法  20
    1.5.3 对系统各模块进行集成  20-21
    1.5.4 仿真实例验证  21
  1.6 本章小结  21-22
第2章仿真系统的总体结构设计  22-28
  2.1 仿真系统总体设计思路  22-23
    2.1.1 仿真系统的功能要求  22
    2.1.2 仿真系统功能模块  22-23
  2.2 仿真系统的功能结构  23-25
    2.2.1 底层数据库形成  23-24
    2.2.2 中间层  24-25
    2.2.3 显示层  25
  2.3 系统开发环境的选择  25-26
  2.4 本章小结  26-28
第3章数控代码的编译模块  28-46
  3.1 数控代码的结构与格式  28-31
    3.1.1 数控代码的组成  28
    3.1.2 程序段格式  28-29
    3.1.3 数控加工程序格式  29-31
  3.2 程序编译模块的功能分析  31
  3.3 程序编译过程总体设计  31-33
  3.4 数控代码的检验  33-36
    3.4.1 词法检验  33
    3.4.2 语法检验  33-35
    3.4.3 语义检验  35-36
  3.5 代码编译  36-40
    3.5.1 NC程序信息识别和存储  37
    3.5.2 模态指令的处理  37-40
  3.6 插补运算  40-41
  3.7 系统开发的关键技术  41-44
  3.8 本章小结  44-46
第4章仿真环境几何模型的建立  46-62
  4.1 几何建模的关键技术  46-50
    4.1.1 Visual C++下OpenGL编程  46-47
    4.1.2 OpenGL的工作方式  47-48
    4.1.3 OpenGL的图形绘制过程  48-50
    4.1.4 OpenGL的相关库函数  50
  4.2 OpenGL绘图环境设置  50-51
    4.2.1 设置编译环境  50-51
    4.2.2 添加OpenGL头文件  51
  4.3 几何模型的建立  51-61
    4.3.1 窗口及绘图环境的初始化  52-53
    4.3.2 场景模型的绘制  53-61
  4.4 本章小结  61-62
第5章材料去除算法及动态显示  62-76
  5.1 刀具轨迹生成  62-64
  5.2 光学自由曲面加工的布尔运算  64-69
    5.2.1 布尔运算的概念  64-65
    5.2.2 仿真加工的布尔运算  65-69
  5.3 仿真过程的动态显示  69-71
  5.4 仿真软件界面编程  71-74
  5.5 本章小结  74-76
第6章加工仿真实例  76-80
  6.1 仿真系统整体界面  76
  6.2 NC代码编译界面  76-77
  6.3 加工仿真过程  77-78
  6.4 本章小结  78-80
第7章结论与展望  80-82
  7.1 结论  80
  7.2 后续工作展望  80-82
参考文献  82-86
在学期间的研究成果及发表的学术论文  86-88
致谢  88

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