【正文】 控程序內容轉存到動態(tài)二維數組中； for(i=0。irow。i++) //對二維數組分行處理。 { while(本行未結束) //針對每行提取指令及參數數值； { 讀取G指令參數； 讀取X指令參數； 讀取Z指令參數； 讀取R指令參數； 讀取I指令參數； 讀取K指令參數； 讀取F指令參數； ...... }//while語句結束。 若為G00指令執(zhí)行G00()子程序； 若為G01指令執(zhí)行G01()子程序； 若為G02指令執(zhí)行G02()子程序； 若為G03指令執(zhí)行G03()子程序； 若為G04指令執(zhí)行G04()子程序； 若為G32指令執(zhí)行G32()子程序； 若為G28指令執(zhí)行G28()子程序； 若為G90指令執(zhí)行G90()子程序； 若為G92指令執(zhí)行G92()子程序； 若為G94指令執(zhí)行G94()子程序； ...... }// for循環(huán)結束，數控程序執(zhí)行完畢. } 系統(tǒng)實現車削加工仿真時需要逐行翻譯數控程序，調用相應的指令實現方法，對每一數控程序段分析后需要保存讀取的各個參數，為此我們設計了以下數據結構： typedef struct Run_Data { int Gcode。 //G指令 int Mcode。 //M指令 float Xnum。 //X值 float Znum。 //Z值 float Inum。 //I 值 float Knum。 //K值 float Pnum。 //P值 float Rnum。 //R值 float Fnum。 //F值 int Tnum。 //刀具號 }Rundata。 由于數控加工指令有模態(tài)和非模態(tài)之分，其中模態(tài)指令一旦執(zhí)行就一直保持有效，直到同一模態(tài)組的另一個代碼替代為止，而非模態(tài)指令只在它所在的程序段有效，所以每次執(zhí)行非模態(tài)指令程序段后都要需要作出相應處理，使提取的G指令值只在本程序段有效。 本章小結 本章首先介紹數控程序結構，分析了數控代碼的特點，然后引入編譯技術，選取FANUC0TD數控系統(tǒng)對數控語言進行了詞法分析、語法分析、語義分析，最后設計了用于執(zhí)行翻譯的數據結構。第4章 虛擬加工過程實現 虛擬加工過程的實現是運用計算機圖形學及虛擬現實技術對真實加工過程的仿真過程。目前對加工過程的仿真包括幾何仿真和物理仿真，幾何仿真以建立刀具和工件幾何模型為基礎，用以驗證數控代碼的正確性，物理仿真由于影響因素復雜而難于實現。另外從本系統(tǒng)開發(fā)的目的來看，以檢驗和驗證數控代碼的正確性為目的，并不片面強調其真實性。因此，本章主要討論基于幾何模型的虛擬加工過程的實現。 幾何建模技術 幾何模型是為了表示物體在計算機中的表達形式而建立的模型，幾何建模一直是CAD/CAM系統(tǒng)發(fā)展的核心內容。虛擬加工系統(tǒng)的主要功能就是實現加工過程的動態(tài)圖形仿真，從而驗證數控程序的加工效果，因而需要選用合適的幾何建模方法。 目前用于實現虛擬數控加工過程的幾何建模方法有三類：直接三維實體建模、基于圖像空間建模、離散矢量建模[24]。 三維實體建模 三維實體建模也稱體素建模，是表達和處理三維物體的一種完整表達形式，其研究的重點是如何利用簡單幾何體構造復雜組合實體，如何方便地定義形狀簡單的幾何體，如何經過適當的布爾集合運算構造出所需的復雜幾何體，并最終在圖形設備上輸出各種視圖。應用較為廣泛的三維實體造型方法有構造實體幾何法(CSG)、邊界表示法(Brep)、單元分解法等： （1）構造實體幾何法(CSG) 是將簡單的實體進行一定的集合運算構成所需要設計的復雜物體。利用這種方法實現實體建模的過程就是集合運算的過程，這一過程可以形象地用一顆二叉樹－CSG樹表示。但CSG樹只是定義了所表示物體的構造方式，既不反映物體的面、邊、頂點等有關邊界信息，也不顯示說明三維點集與所表示的物體在實際空間的一一對應關系。 （2）邊界表示法(Brep) 是通過描述物體的表面邊界來表示一個物體的方法。物體的邊界是物體內部點和外部點的分界線，要用實體的邊界信息表示一個實體，必須包含兩類信息：幾何信息和拓撲信息。其中幾何信息是物體幾何元素的尺寸數據，拓撲信息指物體上頂點、棱邊、表面間的連接關系。邊界表示法中最為重要的兩種數據結構是翼邊結構和半邊數據結構。邊界表示法強調實體的外表細節(jié)，有利于邊和面的運算，但其數據量大，數據關系復雜，對幾何特性整體描述能力弱不能反映實體的構造過程和特點。 （3）單元分解法 單元分解法是將形體按某種規(guī)則分解為小的、更易于描述的部分，每一小部分又可分為更小的部分，直至每一小部分都能夠直接描述為止。分解表示的一種特殊形式是每一個小的部分都是一種固定形狀(正方形、立方體等)的單元，形體被分解成這些分布在空間網格位置上的具有鄰接關系的固定形狀單元的集合，單元的大小決定了單元分解形式的精度。根據基本單元的不同形狀，常用四叉樹、八叉樹和多叉樹等表示方法。 在加工仿真過程中，零件的形成過程實質是不斷從零件實體減去刀具掃描體切入零件內部材料部分的過程，因此可以用實體間的布爾運算來描述零件切削過程。但這種實體間的布爾運算計算量也是驚人的，大大降低了加工過程的實時性，很難直接應用于動態(tài)仿真。 基于圖像空間建模 圖像空間建模方法是使用類似圖形消隱的Zbuffer，將工件和刀具按屏幕的象素離散為Zbuffer結構，切削過程簡化為沿視線方向的一維布爾運算。利用圖像空間離散思想，Van Hook提出了一種利用擴展的Z緩沖區(qū)數據結構來進行加工過程仿真的方法[25]：將實體按圖像空間的象素離散，在每一個屏幕象素點上，將刀具和毛坯表示為一個長方體單元，稱為Dexel結構。刀具和毛坯之間的關系有七種，此時刀具切削毛坯的過程就變成兩套Dexel結構的比較問題，具體運算過程用以下算法表示[26]： CASE 1：只有刀具，顯示刀具；break； CASE 2：毛坯遮擋刀具，顯示毛坯；break； CASE 3：刀具切削毛坯后部，顯示毛坯；break； CASE 4：刀具切削毛坯內部，顯示毛坯；break； CASE 5：刀具切削毛坯前部，顯示刀具；bread； CASE 6：刀具遮擋毛坯，顯示刀具；break； CASE 7：只有毛坯，顯示毛坯；break； 這種算法計算量小，實時性好，但由于是基于起始視向來進行計算，如果用戶想改變觀察視向，需要重新運行整個系統(tǒng)進行數據計算，導致無法對仿真結果進行旋轉、平移、縮放等操作。另外Dexel網格的密度也決定了仿真顯示的精度，所以若采用均勻分布的Dexel結構可能導致因象素劃分而形成的工件表面不均勻，影響加工仿真的結果。 離散矢量建模 由于實體建模方法需要大量的布爾運算，而基于圖像空間的方法無法對加工進行旋轉、放縮等操作也無法進行精確的誤差檢驗。針對以上缺陷提出了離散矢量建模方法，這種方法最早源于Chappel提出的“點－矢量”法[27]。離散矢量建模的原理是[28]：將零件表面按照一定的方式以一定精度進行離散，利用這些離散點來代替原曲面，計算每一個離散點在原曲面處的法矢，從該點沿法矢方向的直線與所定義的毛坯邊界或零件別的表面相交，交點與原離散點之間距離的最小值為該離散點法矢的初始長度。仿真計算時，從該離散點出發(fā)并沿該點法矢方向的直線與刀具運動形成的刀具包絡體相交，如果交點到離散點的距離小于原來的法矢長度，則用交點距離替代原來法矢長度，否則保留。這樣重復直到刀具切削加工完成，通過離散點的矢量值不斷減少來模擬仿真加工過程中刀具切削毛坯體的材料去除過程。 采用離散矢量建模方法的仿真加工過程實際上就是刀具掃描體與毛坯的求交及毛坯體的數據更新過程。離散矢量模型中常用的離散求交方法是采用均勻離散方式，這樣對仿真精度和仿真速度的要求無法同時得到滿足，若采用非均勻離散的優(yōu)化模型則可以有效解決此不足[29]。 在離散矢量建模方法中，離散矢量與刀具掃描體的求交算法是影響運行速度的關鍵因素。從應用來看，離散矢量建模方法主要用于曲面加工的誤差檢測。 總體來說，基于實體造型的方法中幾何模型的表達與實際加工過程相一致，使得仿真的最終結果與設計產品間的精確比較成為可能；但實體造型的技術要求高，計算量大，在目前的計算機實用環(huán)境下較難應用于實時檢測和動態(tài)模擬?；趫D像空間的方法速度快得多，能夠實現實時仿真，但由于原始數據都已轉化為像素值，不易進行精確的檢測。離散矢量求交法基于零件的表面處理，能精確描述零件面的加工誤差，主要用于曲面加工的誤差檢測。 本系統(tǒng)中的三維車削加工仿真部分采用了簡化的單元分解法進行三維實體建模，并對顯示算法進行了改進，大大降低了計算量，后面將詳細介紹。 插補算法 插補計算就是數控系統(tǒng)根據輸入的基本數據（起點、終點、進給速度等），通過計算，將工件輪廓的特征描述出來，邊計算邊根據計算結果向各坐標發(fā)出進給命令，可見在數控加工過程中插補算法是系統(tǒng)控制的核心內容。數控機床加工的零件的輪廓一般由直線、圓弧組成，對于非圓曲線也可以用直線或圓弧去逼近，因此插補計算主要進行直線插補和圓弧插補。目前應用的插補算法主要有兩類：脈沖增量插補和數字增量插補。脈沖增量插補的特點是每次插補結束只產生一個行程增量，以一個個脈沖的方式輸出給步進電機。數字增量插補的特點是插補運算分兩步完成：粗插補和精插補。在普通的CNC裝置中，逐點比較法和數字積分法獲得廣泛應用。 在虛擬加工系統(tǒng)中，加工仿真的過程，也就是根據數控程序要求運用插補算法改變毛坯幾何模型的過程。下面詳細介紹本系統(tǒng)開發(fā)中使用的逐點比較法。 所謂逐點比較法，即每走一步都要和給定軌跡上的坐標值進行一次比較，視該點在給定軌跡的上方或下方，或在給定軌跡的里面或外面，從而決定下一步的進給方向，使之趨近加工軌跡。在逐點比較法中，每進給一步都要完成以下四個工作節(jié)拍（見圖41）：偏差判別進給偏差計算終點判別圖41逐點比較法的工作節(jié)拍 下面以第一象限直線插補為例介紹逐點比較直線插補算法。如圖42，直線的起點為坐標原點，終點為，設點為加工動點。 XY0.圖42直線方程（1）偏差判別： 若點正好處在直線上，則有，即 若點位于直線上方，有： 若點位于直線下方，有： 設則有：時，點在直線上；時點在直線上方；時點在直線下方。（2）坐標進給： 坐標進給是向使偏差縮小的方向。當向X正方向進給一步；當時向Y正方向進給一步；可任意走X正向或Y的正向，但通常按處理。這樣走一步算一次直到終點。（3）偏差計算： 為避免繁雜的計算，在插補運算的新偏差計算中，通常采用遞推公式進行。 當時可得如下遞推公式： 當時同理得： （4）終點判別： 終點判別方法一般有兩種：1）根據X、Y兩向坐標總步長判斷，每走一步x或y，均使總步長減1，總步長為零時到終點。2）比較和，取其中大值為步長，當沿該方向進給一步時，步長減1，直到步長為零。 根據上述插補原理，可以得到第一象限逐點比較直線插補的程序流程（見圖43）：YNY初始化，F=0，求出總步長B+X方向進給+Y方向進給B＝0 結束N開始圖43第一象限直線插補流程 在圓弧加工過程中，是用動點到圓心的距離來反映刀具位置與被加工圓弧之間的相對關系，現仍以第一象限圓弧插補為例進行說明。 如圖44所示，設弧是要加工的第一象限逆圓，為圓弧起點，為圓弧終點，為加工動點。X0Y.圖44圓弧與動點的關系與直線插補類似，圓弧插補每進給一步也要經過四個節(jié)拍的工作：（1）偏差判別： 若點在圓弧上，則下式成立： 取偏差函數為 則根據動點所在區(qū)域不同，有下列三種情況：，動點在圓弧外；，動點在圓弧上；，動點在圓弧內。（2）坐標進給： 把和合在一起考慮，按如下原則，就可以實現第一象限逆圓的圓弧插補：當時，向進給一步；當時，向進給一步。（3）偏差與坐標計算： 為簡化計算，也導出便于計算的偏差遞推公式：當時，向進給一步，加工點由移動到則新加工點的偏差 當時，向進給一步，則新加工點的偏差為 （4）終點判別： 圓弧插補的終點判別常用方法有兩種：一種是用X,Y方向應走總步長之和，每進給一步，總步長減1，直到為零；另一種是用圓弧末端來選取，如末端離Y(X)軸近，則選取X(Y)的坐標做總步長，每在該坐標進給一步，總步長減1，直到為零。 根據上述圓弧插補原理，可以得到第一象限逐點比較法逆圓弧插補流程圖（見圖45）：YN初始化，F=0，求出總步長B－X方向進給+Y方向進給YB＝0 結束N開始圖45第一象限圓弧插補流程 前面討論了逐點比較法在第一象限進行直線插補和圓弧插補的算法，由此可推廣可得出其他象限的直線和不同象限、不同走向的圓弧插補計算公式和進給方向，在此不再詳述。逐點比較法使用簡單方便，但因其以垂直折線逼近給定軌跡，插補誤差只能小于或等于一個進給單位。如果在全象限中進給方向由四個變?yōu)榘藗€，以45176。折線逼近給定軌跡，誤差就會小于半個進給單位，得到較高質量的插補數據[30]。 在虛擬加工系統(tǒng)中利用上述插補算法得到的數據控制刀具運動和毛坯的切除，就能實現對加工過程的仿真。 二維仿真 由于車削編程屬于二維編程，所以車削加工仿真可以在二維進行。二維仿真由于其建模簡單，運算量小而更容易實現實時仿真。 MFC圖形編程方法 1 GDI基礎知識 圖形設備接口(GDI)是Windows提供的圖形編程接口，它接收應用程序的繪圖請求，將它們傳給相應的設備驅動程序，完成特定硬件的輸出。GDI通過設備描述表（DC）來實現設備的無關性，DC實際上是一個關于如何繪制圖形的集合，不僅可以繪制各種圖形，而且還可以確定在應