基于opengl的多軸運(yùn)動(dòng)仿真

基于opengl的多軸運(yùn)動(dòng)仿真

0生成文件為三維圖形,其三維結(jié)合的方式確定germ（germ）是美國germ開發(fā)的非常優(yōu)秀的三維圖形軟件庫。其實(shí)質(zhì)是圖形和硬件的接口。它提供一系列的三維圖形單元、圖形變換函數(shù)以及外部設(shè)備訪問函數(shù)等,在處理建模、變換、光線、色彩、動(dòng)畫等方面具有很好的性能。OpenGL獨(dú)立于硬件、窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng),能在各種平臺(tái)下工作,許多計(jì)算機(jī)公司把OpenGL集成到各種窗口和操作系統(tǒng)中。VC++中MFC(微軟基礎(chǔ)類庫)包含了強(qiáng)大的基于Windows的應(yīng)用框架,提供了豐富的窗口和事件管理函數(shù),利用MFC調(diào)用OpenGL函數(shù)可以較方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)控銑削材料去除過程的動(dòng)態(tài)仿真。1生成文件后的程序在VC++6.0環(huán)境下開發(fā)OpenGL應(yīng)用程序需要解決OpenGL與VC++6.0窗口系統(tǒng)的接口問題,主要是為OpenGL創(chuàng)建適當(dāng)?shù)匿秩久枋霰?RenderContexts)并設(shè)置正確的像素格式。此外還需將OpenGL與VC++6.0事件編程相結(jié)合,在VC++6.0事件處理程序中利用OpenGL進(jìn)行圖形繪制。以下是基本步驟:①利用MFCAPPWizard建立一個(gè)單文檔應(yīng)用程序框架;②打開資源編輯器對(duì)程序界面上的菜單、對(duì)話框等資源進(jìn)行必要的修改;③在程序中包含進(jìn)OpenGL的頭文件和庫文件;④利用ClassWizard進(jìn)行OpenGL所必須的初始化工作,包括設(shè)置像素格式、建立渲染描述表以及初始化OpenGL投影觀察體系等;⑤根據(jù)對(duì)程序功能的要求,給視圖類和其它類添加具有相應(yīng)功能的成員函數(shù),并進(jìn)行相應(yīng)的事件處理。2刀具掃階段切削的結(jié)果數(shù)控銑削材料去除過程動(dòng)態(tài)仿真是通過工件與刀具掃掠體之間的布爾減運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的。刀具沿刀位軌跡運(yùn)動(dòng),形成刀具掃掠體,并不斷通過執(zhí)行工件幾何體與刀具掃掠體之間的布爾減運(yùn)算來更新工件幾何體,最后形成的工件幾何體就表示了切削的結(jié)果。仿真過程流程圖見圖1。2.1利用規(guī)則、cpp等格式的生成三維圖形OpenGL本身提供了基本的點(diǎn)、線、多邊形、三維物體(如球體、錐體、多面體等)及復(fù)雜曲線和曲面(如Bezier、Nurbs等曲線或曲面)的繪制函數(shù)。但對(duì)于復(fù)雜的三維物體,利用OpenGL建模就比較困難了,在這種情況下,可采用下述方法:①利用一定的算法,將其它三維建模軟件(如3DMAX,AutoCAD等)創(chuàng)建的模型數(shù)據(jù)讀出來,然后利用這些數(shù)據(jù)在OpenGL中重新構(gòu)建三維模型;②利用3DExploration等軟件對(duì)在建模軟件中已建好的模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換,生成.cpp格式的OpenGLcpp代碼,這種代碼包含了所有關(guān)于圖形的數(shù)據(jù)信息,VC++可以直接調(diào)用這種代碼文件,生成三維圖形。本文采用第二種方法來建立工件、刀具的實(shí)體模型。2.2該算法2.2.1zmap法佐理基于實(shí)體的仿真算法可以提供三維形體最完整的幾何和拓?fù)湫畔?能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的過程仿真,但這種方法由于計(jì)算量大、效率低,難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真,因此需要采用離散的仿真方法。目前常用的離散仿真方法大致分為兩大類:基于圖像空間離散法的仿真和基于物體空間離散法的仿真。本文采用一種基于物體空間的離散方法——Z_map算法。具體說來,Z_map方法將工件的z軸可見包絡(luò)面按xy平面定義域離散為網(wǎng)格,各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)z坐標(biāo),相當(dāng)于用平面內(nèi)長(zhǎng)出的不等長(zhǎng)線段來代替曲面,這些線段就稱為Z_map法矢。平面網(wǎng)格及其對(duì)應(yīng)的一系列點(diǎn)z坐標(biāo)組合就是曲面的Z_map表達(dá)(見圖2),即:{x(i),y(j),z(i,j)}i∈[0,I],j∈[0,J]。其中,I、J為x、y方向網(wǎng)格數(shù)。這樣,在計(jì)算機(jī)中可以用一個(gè)二維數(shù)組來表示Z_map法矢,該數(shù)組的兩個(gè)下標(biāo)分別對(duì)應(yīng)x、y軸上的I+1、J+1個(gè)網(wǎng)格點(diǎn),數(shù)組的各個(gè)元素即表示其下標(biāo)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)處的Z_map值。網(wǎng)格劃分的越小,則仿真精度越高,但同時(shí)會(huì)影響仿真速度。2.2.2刀具掃掠體構(gòu)造實(shí)際應(yīng)用中銑刀的形狀多種多樣,這里假設(shè)采用圓角銑刀。圖3是圓角銑刀的幾何示意圖,其中R為刀具半徑,r為圓角半徑。數(shù)控銑削加工中,刀具根據(jù)每段NC指令從某一起始位置經(jīng)某一路徑運(yùn)動(dòng)到另一位置,在此過程中,刀具在空間掃過了一定的體積,刀具在運(yùn)動(dòng)過程中包絡(luò)的空間形體稱為這一段軌跡內(nèi)的刀具掃掠體。圓弧插補(bǔ)可以近似用一組直線段來代替,因此只考慮刀具做直線進(jìn)給的情況。刀具沿軸向運(yùn)動(dòng)時(shí),掃掠體與刀具實(shí)體本身相比,僅在軸向長(zhǎng)度上產(chǎn)生變化。構(gòu)造這種掃掠體與構(gòu)造刀具實(shí)體方法相同。刀具沿直線運(yùn)動(dòng)時(shí),掃掠體等效為起點(diǎn)、終點(diǎn)兩個(gè)刀具實(shí)體和全輪廓沿直線軌跡掃掠體的組合。2.2.3平行走刀情況(1)對(duì)于一條NC指令,設(shè)刀具從起點(diǎn)Ps(xs,ys,zs)運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)Pe(xe,ye,ze),計(jì)算出刀具掃掠體以及掃掠體在xy面的投影即掃描域。(2)循環(huán)掃描工件上的網(wǎng)格點(diǎn)Pw(xw,yw),判斷其是否在掃描域內(nèi)。網(wǎng)格點(diǎn)落在掃描域內(nèi)的必要條件是:(a)對(duì)于垂直走刀情況,需要滿足:d=(xe?xw)2+(ye?yw)2???????????????????√<R。(b)對(duì)于平行走刀情況,需滿足:d=|(xe?xs)yw+(ye?ys)xw+(xsye?xeys)|(xe?xs)2+(ye?ys)2√<R。(3)對(duì)于落在掃描域內(nèi)的網(wǎng)格點(diǎn)Pw,zw為其對(duì)應(yīng)的法矢,法矢與刀具掃掠體的交點(diǎn)為z′,比較zw和z′,如果zw>z′,則用z′替換zw,反之則說明刀具沒有進(jìn)行有效切削。(a)垂直走刀時(shí):z′=ze?r×dr2?d2√。(b)平行走刀時(shí):z′=zs?zd+(Dx?M)×ze?zs(xe?xs)2+(ye?ys)2√。上式中的各中間變量由以下式子計(jì)算:zd=r-zt。其中,zt為切削點(diǎn)到刀具底端的z向距離。Dx=(xe?xs)(xw?xs)+(ye?ys)(yw?ys)(xe?xs)2+(ye?ys)2√。M=±(r+xd)2?d2???????????√。上式中,ze-zs>0時(shí),M為正,ze-zs<0時(shí),M為負(fù)。xd=r2?z2d??????√。3基于時(shí)間條件的動(dòng)畫畫件設(shè)計(jì)OpenGL支持雙緩沖技術(shù),允許圖像平滑切換。要利用雙緩沖技術(shù)實(shí)現(xiàn)仿真過程的動(dòng)畫顯示,應(yīng)完成如下工作:(1)在前述開發(fā)環(huán)境設(shè)置中,設(shè)置像素格式(PIXELFORMATDESCRIPTOR)時(shí),緩沖區(qū)為雙緩沖(PFD_DOUBLEBUFFER)。(2)使用SETTIMER函數(shù)創(chuàng)建定時(shí)器,設(shè)置動(dòng)畫的刷新頻率。刷新頻率的高低決定動(dòng)畫顯示的質(zhì)量。設(shè)置太高,會(huì)導(dǎo)致Windows消息或其它應(yīng)用程序進(jìn)程不能正常進(jìn)行,若設(shè)置太低,則產(chǎn)生的動(dòng)畫畫面容易閃爍。(3)完成所有圖形繪制工作,然后調(diào)用SwapBuffers交換前后緩沖區(qū)。(4)定時(shí)器每隔一段時(shí)間向窗口發(fā)送WM_TIMER消息,在視圖的成員函數(shù)OnTimer中處理此消息:通過調(diào)用Invalidate(FALSE)函數(shù),刷新窗口,返回上一步重繪窗口圖形。為了提高動(dòng)畫顯示的真實(shí)感,還可以通過構(gòu)造光照環(huán)境、設(shè)置不同材質(zhì)、采用紋理貼圖和深度緩沖等一系列技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。圖4是經(jīng)