基于GPU的數(shù)控機(jī)床虛擬仿真系統(tǒng)研究與實(shí)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(gè)實(shí)時(shí)性好、真實(shí)感強(qiáng)的數(shù)控機(jī)床虛擬仿真系統(tǒng)已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。針對(duì)傳統(tǒng)的虛擬仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差、仿真畫面真實(shí)感不強(qiáng)以及兼容性差等問(wèn)題，本文以常見類型的五軸數(shù)控機(jī)床為研究對(duì)象，基于GPU加速技術(shù)進(jìn)行了全新的數(shù)控機(jī)床虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。具體研究?jī)?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(diǎn)以及實(shí)際數(shù)控加工

2、需求，對(duì)本虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行了需求分析；以面向?qū)ο鬄橹笇?dǎo)思想，對(duì)數(shù)控機(jī)床虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行總體框架設(shè)計(jì)，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(duì)本系統(tǒng)底層編程語(yǔ)言表達(dá)的邏輯對(duì)象之間調(diào)用關(guān)系復(fù)雜的情況，重點(diǎn)對(duì)這些抽象后的邏輯對(duì)象的類進(jìn)行整體邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)。
　?。?）為了給本數(shù)控機(jī)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(jī)床為樣本，開展了精確、逼真度高的三維建模工作。針對(duì)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(duì)幾種常見的模型文件類型進(jìn)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(kù)創(chuàng)建的虛擬環(huán)境中顯示的工作原理。
　?。?）針對(duì)傳統(tǒng)的虛擬仿真系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)某一特定類型機(jī)床的仿真運(yùn)動(dòng)的缺陷，本文以機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)常見的機(jī)床進(jìn)行類型劃分，分析了每種類型機(jī)床工作機(jī)理，提出了一種通過(guò)設(shè)置機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)形式來(lái)實(shí)現(xiàn)多種類型機(jī)床虛擬仿真的解決方案。為了解決由于機(jī)床轉(zhuǎn)軸模型的旋轉(zhuǎn)中心軸與坐標(biāo)系軸

4、不重合而引起仿真運(yùn)動(dòng)失真的情況，提出了一種通用解決算法。
　?。?）結(jié)合數(shù)控機(jī)床虛擬仿真系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的要求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了仿真系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)機(jī)床數(shù)據(jù)通信的接口模塊。同時(shí)分析兩種旋轉(zhuǎn)機(jī)制的工作原理，提出了相應(yīng)的算法，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)界面交互。
　?。?）為了解決仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差的問(wèn)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(diǎn)緩存中，一方面利用GPU強(qiáng)大的并行運(yùn)算能力處理模型數(shù)據(jù)，節(jié)約了 CPU