基于GPU的數(shù)控機床虛擬仿真系統(tǒng)研究與實現(xiàn).pdf

1、在“工業(yè)4.0”大背景下，“虛擬工廠”已成為“智能制造”領(lǐng)域中重要的研究課題。作為虛擬工廠的主要組成部分，如何建立一個實時性好、真實感強的數(shù)控機床虛擬仿真系統(tǒng)已成為當前研究的熱點。針對傳統(tǒng)的虛擬仿真系統(tǒng)實時性差、仿真畫面真實感不強以及兼容性差等問題，本文以常見類型的五軸數(shù)控機床為研究對象，基于GPU加速技術(shù)進行了全新的數(shù)控機床虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。具體研究內(nèi)容如下：
　　（1）根據(jù)現(xiàn)有的虛擬仿真系統(tǒng)的一些優(yōu)缺點以及實際數(shù)控加工

2、需求，對本虛擬仿真系統(tǒng)進行了需求分析；以面向?qū)ο鬄橹笇?dǎo)思想，對數(shù)控機床虛擬仿真系統(tǒng)進行總體框架設(shè)計，按照功能屬性不能耦合的原則將系統(tǒng)劃分為四大模塊；針對本系統(tǒng)底層編程語言表達的邏輯對象之間調(diào)用關(guān)系復(fù)雜的情況，重點對這些抽象后的邏輯對象的類進行整體邏輯架構(gòu)設(shè)計。
　?。?）為了給本數(shù)控機床虛擬仿真系統(tǒng)提供3D模型素材，以某數(shù)控車間多種類型的機床為樣本，開展了精確、逼真度高的三維建模工作。針對傳統(tǒng)的虛擬仿真軟件只能導(dǎo)入一種模型文件類型

3、的情況，本文對幾種常見的模型文件類型進行了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析，并提出了相應(yīng)的模型導(dǎo)入算法，著重分析了3D模型在基于OpenGL圖形庫創(chuàng)建的虛擬環(huán)境中顯示的工作原理。
　?。?）針對傳統(tǒng)的虛擬仿真系統(tǒng)只能實現(xiàn)某一特定類型機床的仿真運動的缺陷，本文以機床運動鏈為標準對常見的機床進行類型劃分，分析了每種類型機床工作機理，提出了一種通過設(shè)置機床運動部件的運動形式來實現(xiàn)多種類型機床虛擬仿真的解決方案。為了解決由于機床轉(zhuǎn)軸模型的旋轉(zhuǎn)中心軸與坐標系軸

4、不重合而引起仿真運動失真的情況，提出了一種通用解決算法。
　　（4）結(jié)合數(shù)控機床虛擬仿真系統(tǒng)對實時數(shù)據(jù)的要求，設(shè)計并實現(xiàn)了仿真系統(tǒng)與現(xiàn)實機床數(shù)據(jù)通信的接口模塊。同時分析兩種旋轉(zhuǎn)機制的工作原理，提出了相應(yīng)的算法，實現(xiàn)了人機界面交互。
　?。?）為了解決仿真系統(tǒng)實時性差的問題，本文引入了 GPU加速技術(shù)。結(jié)合GPU異步傳輸原理，將模型數(shù)據(jù)直接傳遞給GPU的頂點緩存中，一方面利用GPU強大的并行運算能力處理模型數(shù)據(jù)，節(jié)約了 CPU