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弹簧数控卷绕仿真系统研究

作　者: 王克
导　师: 李济顺；库祥臣
学　校: 河南科技大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 卷簧机床仿真技术 OpenGL 实体造型碰撞检测
分类号: TH135
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 25次
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内容摘要

在弹簧制造领域,由于数控卷簧机在结构上与普通数控机床差别很大,所以其程序格式与编程方法也不同于普通机床。目前国内的数控卷簧机大多是人工调试、人工编程且不具备图形显示功能,给操作者带来很多不便。随着工业经济的持续发展,弹簧作为一种重要的机械零部件,在工业中的应用日益广泛,对其几何精度的要求越来越高,加工程序的正确性难以保障。尤其在卷制异形弹簧时,加工程序复杂,出差错的概率较大。针对上述问题,本论文对弹簧的卷制过程进行了研究,开发了弹簧成形过程仿真系统。在弹簧实际卷制之前,先在计算机上执行弹簧加工程序,模拟弹簧的卷绕过程。这样不仅能够确保加工程序的可靠性,提高弹簧的生产效率,还可以提前看到弹簧造型及弹簧的卷制过程,为弹簧的自动化制造奠定基础。本论文首先介绍了仿真技术的发展及其在弹簧制造领域的应用现状,概述了弹簧的成形原理及弹簧的卷制工艺,分析了弹簧的成形过程与卷绕刀具运动参数之间的关系,并以锥形弹簧为例阐述了弹簧的卷绕过程。随后,对送料系统和卷簧系统各组成部件的几何模型进行了研究,建立了这些部件的几何模型并利用OpenGL对其实体造型;由于弹簧空间形状的复杂性,本论文对弹簧的建模技术进行了研究,采用了弹簧实体表面微分技术来构造弹簧的几何模型。最后,本论文采用了轴向包围盒碰撞检测算法,在计算机上模拟弹簧卷绕时,使发生碰撞的卷绕刀具产生碰撞响应,并进行特效渲染,以便操作者观察到可能发生的碰撞。论文的结尾阐述了系统的实现过程,总结了课题的研究内容,并对卷簧机床仿真系统的发展做了展望。

全文目录

摘要  2-3
ABSTRACT  3-8
第1章绪论  8-16
  1.1 引言  8-9
  1.2 弹簧制造工艺流程及弹簧卷制设备  9-11
    1.2.1 弹簧制造工艺流程  9-11
    1.2.2 弹簧卷绕设备  11
  1.3 仿真技术发展现状及其在数控卷簧机床中的应用  11-15
    1.3.1 仿真技术发展现状  11-13
    1.3.2 仿真技术在数控卷簧机床中的应用现状  13-15
  1.4 本课题研究的意义  15
  1.5 本章小结  15-16
第2章弹簧卷制过程及仿真系统设计  16-28
  2.1 引言  16
  2.2 数控卷簧机的工作原理及结构  16-19
    2.2.1 数控卷簧机的工作原理  16-17
    2.2.2 数控卷簧机的结构  17-19
  2.3 螺旋弹簧卷制的工艺特点  19-25
    2.3.1 弹簧的生产过程  19-20
    2.3.2 双顶杆数控卷簧机工步分析  20-22
    2.3.3 锥形弹簧的卷绕过程  22-24
    2.3.4 卷绕刀具的推进量和压柄旋转角度的关系  24-25
  2.4 仿真系统结构设计  25-27
    2.4.1 系统功能需求分析  25-26
    2.4.2 系统总体结构  26-27
  2.5 本章小结  27-28
第3章基于 OpenGL 的三维实体建模  28-44
  3.1 OpenGL 简介  28-31
    3.1.1 OpenGL 特点  28-29
    3.1.2 OpenGL 工作机制  29
    3.1.3 OpenGL 基本功能  29-30
    3.1.4 OpenGL 在Visual C++中的应用方法  30-31
  3.2 卷簧机床零部件的几何建模  31-34
    3.2.1 零部件3DS 文件模型  31-32
    3.2.2 零部件的三维造型  32-34
  3.3 机床零部件的装配  34-36
    3.3.1 基于约束的零件装配  34-35
    3.3.2 卷簧机零部件的装配过程  35-36
  3.4 螺旋弹簧的特征结构及信息表达  36-39
    3.4.1 与弹簧卷绕有关的几何参数  37-38
    3.4.2 压缩弹簧分段信息表达  38-39
  3.5 螺旋弹簧的三维造型  39-42
    3.5.1 弹簧表面的离散技术  39-40
    3.5.2 螺旋弹簧体的数学描述  40
    3.5.3 弹簧体表面离散顶点三维坐标求解  40-41
    3.5.4 空间离散点的存储结构  41-42
  3.6 本章小结  42-44
第4章弹簧卷绕仿真系统运动模型  44-50
  4.1 运动模型概述  44-45
    4.1.1 运动模型坐标系  44-45
    4.1.2 齐次变换矩阵  45
  4.2 机床零部件的齐次坐标变换  45-47
    4.2.1 机床零部件的平移变换  45-46
    4.2.2 机床零部件的旋转变换  46-47
  4.3 机床零部件在仿真环境中的运动  47-49
    4.3.1 运动关系的建立  47-48
    4.3.2 零部件的运动  48-49
  4.4 本章小结  49-50
第5章卷绕刀具的碰撞检测  50-60
  5.1 碰撞检测概述  50-52
    5.1.1 常用碰撞检测算法  51
    5.1.2 基于轴向包围盒的碰撞检测流程  51-52
  5.2 轴向包围盒（AABB）  52-54
    5.2.1 AABB 的表达方法  52-53
    5.2.2 AABB 的计算  53-54
  5.3 包围盒的求交测试  54-56
  5.4 碰撞响应  56-58
    5.4.1 可编程着色器概述  56-57
    5.4.2 可编程着色器实现过程  57
    5.4.3 着色器在OpenGL 程序中的应用  57-58
  5.5 本章小结  58-60
第6章仿真系统的实现过程  60-66
  6.1 系统开发环境  60
  6.2 三维动态仿真的实现  60-62
    6.2.1 弹簧加工程序的生成  60-62
    6.2.2 加工过程的动画显示  62
  6.3 系统实现过程  62-65
  6.4 本章小结  65-66
第7章结论与展望  66-68
  7.1 结论  66
  7.2 展望  66-68
参考文献  68-72
致谢  72-73
攻读硕士学位期间的研究成果  73

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