金属板料成形3D虚拟仿真平台关键技术研究

华中科技大学硕士学位论文金属板料成形3D虚拟仿真平台关键技术研究姓名：彭良友申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：张李超2011-01-11华中科技大学硕士学位论文 I摘要随着金属板料成形的研究与应用不断深入和虚拟仿真技术的不断发展，对金属板料成形工艺软件的模拟仿真系统也提出了更高的要求。本文对金属板料成形的三维仿真进行了深入的研究与探讨，并针对无模成形与数控板料折弯等工艺开发了虚拟仿真系统。首先介绍了OpenSceneGraph三维图形引擎的体系架构，通过对场景图形概念的分析，研究了如何使用该平台建立场景以及进行场景的控制管理。针对金属板料成形设备以及工艺特点，本文提出基于拉伸体建模技术，通过二维轮廓信息实现对大多数几何实体的抽象建模；通过逆波兰表达式计算实现造型数据的简单参数化，使同一个拓扑几何模型可以生成一系列不同尺寸、规格的实体模型；昀后研究并实现了基于两视图切片算法的扩展拉伸体建模技术，使得系统可以支持复杂的三维模型创建，扩展了模型覆盖域。针对无模成形工艺的仿真需求，本文使用关键帧插值技术转换G代码文件，并通过时间轴的控制实现了路径动画功能；同时基于图像空间离散法使用柱状Voxel体素建立毛坯模型，实现了高性能的碰撞检测算法。该无模成形仿真系统已在为日本Amino公司无模成形工艺规划软件AFS2得到实际应用。在华中数控的数控板料折弯仿真系统的开发过程中，首先使用变形体动画技术解决了板料柔体的仿真功能，并使用VBO（VertexBufferObjects，顶点缓存对象）优化了其显示性能；根据数控系统的硬件抽象层建立运动动画管理器，实现了虚拟折弯机与数控系统的连接；并通过折弯工序的研究，将板料柔体和折弯机的运动控制同步，实现了连续的折弯仿真功能，该仿真平台同时也为模拟仿真折弯工艺中的展开长度、回弹、减薄等特性提供了支持。关键词：虚拟仿真；金属板料成形；无模成形；柔体折弯；拉伸体建模；OSG华中科技大学硕士学位论文 IIAbstractWithdeepeningdevelopmentofsheetmetalformingandvirtualrealitytechnology,theoriginalsimulationsystemofsheetmetalformingprocesssoftwarehasbeenunabletomeetwiththeacquirementsofpracticalapplicationscenarios.Therefore,inthisarticlethestereo3Dsimulationofsheetmetalforminghasbeeninvestigatedthoroughly.AndthevirtualsimulationsystemhasbeendevelopedfordielessNCprocessandCNCbending.Thispaperintroducedthearchitectureofthethree-dimensionalgraphicsengineOpenSceneGraph,anditscharacteristicsweresummarized.Throughanalysisoftheconceptofscenegraph,aneffectivewayhadbeeninvestigatedtosetupthesceneaswellascontrolandmanageit.Forsheetmetalformingequipmentandtechnologicalfeatures,thispaperpresentsawaytorealizetheabstractmodelingformostmodelinggeometricentitiesbytheinformationoftwo-dimensionalcontour,usingmodelingtechniqueswhichisbasedonthestretchedbody;thencalculatedthedatabyuseofthereversepolishnotationtoachieveparametricdata,anditenabledsamegeometrictopologymodeltogenerateaseriesofphysicalmodelswithdifferentsizesandspecifications;Atlast,amethodoftwoviewsextrudemodelingbasedonsimpleextrudemodeltechniqueandtwo-dimensionalcontourinformationisproposedtobuildsimpleengineeringmodelsfast.FortherequirementsofthesimulationofdielessNC,thepathsimulationhasbeenrealizedthroughtransferGcodeswiththetechnologyofkeyframesandthecontroloftimeline.Thediscretemethodbasedonimagespacehasbeenusedtobuildroughmodelwithcylindervoxelstoachieveahighperformancealgorithmforthedetectionofcollision.ThissimulationsystemhasbeenappliedintheAFS2softwareofdielessNCprocessplanning.DuringthedevelopmentofCNCsheetmetalbendingsimulationsystemforHuazhongCNC,firstly,simulationcapabilitiesofflexiblesheetmetalissolvedbyusingmorphtargetanimation,anditsdisplayperformancehasbeenoptimizedbythewayofvertexbufferobjects.Themotionanimationmanagerwasdesignedbyhardwareabstractionlayer华中科技大学硕士学位论文 IIIoftheCNCsystemtoachievetheconnectionbetweenvirtualsimulationsystemandCNCsystem.Bytheresearchofbendingprocessthesynchronizationbetweentheflexiblesimulationandthemotionofbendingmachinehasbeenachievedandthesystemcansimulateacontinuousbendingprocess.Additionally,thesimulationofexpansionlength,springback,thinningandotherfeaturesinbendingprocesscanbesupportedinthissimulationplatform.Keywords:Virtualsimulation;Sheetmetalforming;DielessNC;Flexiblebending;Extrudemodeling;OSG独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。文中除已经标明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密√。(请在以上方框内打“√”)学位论文作者签名：指导教师签名：日期:年月日日期:年月日华中科技大学硕士学位论文 11绪论1.1虚拟仿真技术1.1.1虚拟现实80年代，Jaron Lanier提出了“虚拟现实”（Virtual Reality，VR）的观点，即使用计算机来逼真的模拟仿真出一个现实三维世界场景。VR是一种涉及计算机图形学、计算机应用等各个领域的集合技术[1]。虚拟现实技术的产生和发展，为解决和处理那些需要巨额资金和巨大人力投入的各种问题提供了新方法，目前该技术应用主要集中在以下几个方面：产品设计[2‐4]与性能评价、教育与娱乐[5]、高难度和危险环境下的虚拟[6]、分布式虚拟应用场景如医学成像领域[7]等等。1.1.2虚拟制造随着计算机的软硬件技术的发展，虚拟现实（VirtualReality，简称VR）技术的发展和应用有了越来越广阔的天空，诸如场景图形（SceneGraph）和变形体动画等技术也慢慢的应用于各个领域的虚拟场景中，为各个领域提供了更加富有真实感的虚拟场景。在工业领域，特别是CAD/CAM/CAE等领域的应用也越来越广泛，并占据重要的作用，并衍生出虚拟制造[8,9]（VirtualManufacturing，VM）这个新概念。虚拟制造技术是由许多先进学科和先进知识形成的综合系统技术，以计算机仿真技术为前提，对设计和制造等生产过程进行场景建模，在产品设计阶段和产品制造之前，就能实时地并行地模拟产品的制造全过程以及在设计对产品性能的影响，预测产品的性能，使工厂车间的资源优化配置，使生产布局更加合理，以达到缩短产品的开发周期、降低成本和提高生产效率等等目的[10-13]。虚拟制造的研究应用与具体应用环境紧密相联，因此其研究重点也不同，Lwarneoe协会根据虚拟制造应用的不同特点，将其分为三个大类[14]，包括：(1)面向设计;(2)面向生产;(3)面向控制华中科技大学硕士学位论文 21.1.3虚拟仿真技术的研究现状及应用在材料成形领域中，虚拟仿真技术的应用也在随着计算机和材料成形研究的不断发展而不断深入。其中以设计为中心的CAD三维建模软件，如UGNX，Pro-E等等，昀为大家熟知并得到广泛应用。美国俄亥俄大学Sormaz等也对数控铣削的路径轨迹进行了模拟仿真的研究工作[15]，其研究并实现了基于Java平台洗削虚拟仿真系统。结合材料成形的领域特点，华中科技大学模具国家重点实验室刘芬等人结合注塑机特点应用虚拟仿真的骨骼动画完成了注塑机的虚拟仿真场景[16]，开发了虚拟注射机仿真系统HsCAI并已作为宁波海太塑料投入实际应用，进行用户培训和生产教学等工作。华中科技大学模具国家重点实验室研发了板料成形模拟系统FASTAMP已经作为国际领先的板料成形有限元模拟软件达到了工业实用水平。武汉理工大学袁莎研究并开发了虚拟数控加工系统，并模拟仿真了数控车削的过程，将虚拟仿真技术应用到了数控加工领域[17]。南京航空航天大学的邢少葵开发了基于OpenGL的飞秒激光加工仿真系统对激光加工过程实现了动态仿真[18]。。西安电子科技大学的杨青研究了基于粒子系统的动态模拟真实感的研究[19]也取得了一定的进展。可以说在材料成形的各个领域，虚拟仿真技术都起着不可替代的作用。同时各个板料成形工艺软件也将虚拟仿真功能加入到软件中，成为一个必不可少的功能。通过结合虚拟仿真技术与材料成形工业领域相关知识，有效的应用虚拟仿真技术成为了又一研究重点。1.2金属材料成形简介在钢、铁和合金为代表的现代工业社会，金属材料以其优良的力学性能、加工性能和独特的表面特性，成为现代产品设计中的一大主流材质。在机电、仪表、汽车和航空