基于OpenGL的圓筒段自動鋪帶仿真研究 zund bhs 150-translucent foil台中切割加工－蘇惟愛焦點新聞熱搜

1 引言
復合材料筒形體構件廣泛應用于航空航天及民用工業中，如軍用、民用飛機的機身段、固體火箭發動機殼體[1]等。目前國內對于復合材料筒形體構件主要采用手工鋪疊、纏繞成型等成型方法，手工鋪疊效率低、浪費大，普通纏繞成型封頭處材料浪費較大、掛鉤纏繞工藝復雜。發達已廣泛采用自動鋪放成型技術以降低成本，提高效率，如波音787機身段等^[2]。
自動鋪帶技術^[3]是20世紀60年代發展起來的一項復合材料自動化制造技術，以帶有隔離襯紙的單向預浸帶為原料，在鋪帶頭中完成預定形狀的切割，加熱后在壓輥的作用下直接鋪疊到模具表面。鋪帶機是自動鋪帶技術實施的關鍵之一，典型的自動鋪帶機為10軸龍門式自動鋪帶機，如圖1(a)所示，其中5軸控制鋪帶頭運動軌跡、另外5軸實現鋪帶頭內部預浸帶放卷、回收和切割等運動；另一類鋪帶機為鋪放特定形狀的專用鋪帶機、如錐形和筒形體多采用主軸-小車式結構，如圖1(b)所示。

    國內自動鋪帶技術研究起步數年，包括原理樣機、鋪放工藝和鋪帶設計方法等^[4]。文獻[5,6]研究了自動鋪帶技術一般曲面的鋪放軌跡、平面鋪帶的軟件開發。對于筒形體構件，文獻[7,8]從纖維纏繞的角度研究，提出了筒形段實現非測地線的條件，實現了纖維纏繞筒形壓力容器的動態仿真。本文針對有開口的筒形體構件，采用主軸-小車式結構的專用自動鋪帶機，基于OpenGL技術對鋪放過程進行三維動態仿真，重點研究自動鋪帶機模型的構建、預浸帶的繪制、開口圓筒芯模上軌跡規劃算法及鋪放過程的動態顯示。仿真結果對具有開口的復合材料構件一次成型具有指導意義,可以提高效率、降低成本。[-page-]
2 OpenGL下三維建模
2.1 自動鋪帶機模型的構建
    隨著計算機硬件技術和計算圖形軟件技術的不斷發展，計算機的圖形處理能力大大提高，三維動畫制作軟件不斷涌現，常用的有3DMAX, Maya,OpenGL等。其中OpenGL是目前工業界公認的先進而強大的三維圖形編程接口(3D API)。它有著功能完備的二維和三維圖形處理能力，是理想的三維應用程序開發工具。已被廣泛應用于科學可視化、計算機動畫、CAD/CAM、仿真、虛擬環境等領域^[9]。OpenGL雖然是性能卓越的三維圖形標準，但是實現復雜物體的建模困難，需要強大的建模工具來輔助完成物體建模^[10]。
    自動鋪帶機的核心部位是自動鋪帶頭^[11]，圖2為本系統采用的專用鋪帶機自動鋪帶頭的結構簡圖，對自動鋪帶機的建模采用以下方法來實現：

    (1)對于結構比較復雜的自動鋪帶頭，使用現有的三維軟件（如CATIA軟件）構造出復雜的幾何形體。完成建模后，將標準CAD數據文件通過一些相關的轉換工具軟件(如3D Exploration)，生成OpenGL格式的C＋＋數據文件，直接導入到VC工程中，稍加修改就可完成自動鋪帶頭及其輔助結構的繪制工作；
    (2)對于結構簡單而控制要求稍復雜的筒形體芯模，可直接使用OpenGL提供的三維建模函數完成繪制^[12]。在此過程中，對芯模的縮放、位置、角度的調整主要使用OpenGL中glSclaef()、glTranslatef()、glRotatef()函數來完成。
2.2 預浸帶的圖形表征
    預浸帶需要在數控程序下完成開卷、輸送、回收，在切割器中實現平面曲邊的切割和開口切割，加熱后在壓輥的作用下直接鋪疊到模具表面。根據上述要求，對于預浸帶的繪制，考慮到預浸帶鋪疊過程是個添料的過程同時要求實時顯示，并且考慮鋪帶過程對邊界及開口區域做出處理，因此采用三角面片法以達到對切割帶形及實時顯示的要求。其具體原理和實施步驟如下：
    (1)根據在芯模表面的鋪放路徑^[4]和開口情況，生成某一條預浸帶上平面曲邊的邊界及開口區域的邊界曲線，生成的切割邊界示意圖如圖3(a)所示；

    (2)根據預浸帶的輸送方向，對上述的預浸帶在u方向進行劃分，如圖3(b)所示，自動鋪帶機在時間段△t內完成預浸帶u方向上△u距離的鋪疊，△u大小的選取與自動鋪帶機的行程與每一步所走的步長有關，每次繪制△u距離的帶形完成實時顯示的要求；
    (3)為了實現切割帶形，對v方向也進行劃分，如圖3(c)所示，對于切割邊界，根據切割曲線與u線和υ線的交點，連接交點，以直代曲，實現對切割曲線的逼近，△u和△υ的選取大小直接與圖像顯示質量有關；
    (4)由上述模型，在一個△u距離內求取u線和υ線的交點以及切割交點，交點坐標映射回芯模表面，連接交點生成△u距離的三角面片，然后在OpenGL下進行一系列渲染，完成帶形的繪制。圖4所示為芯模為圓筒時，采用三角面片法繪制單條帶時處理邊界的情況。

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3 開口圓筒芯模軌跡規劃算法
    單曲面上自動鋪帶軌跡與測地線等價^[5]，因此柱面上的鋪帶軌跡可以在其展開后的平面上直接構造直線研究，通過建立平面鋪帶與柱面鋪帶的轉換關系，計算出壓輥鋪放軌跡和切刀切割軌跡，求取鋪帶過程中的特征點，控制各個角度的鋪層。
3.1 開口圓筒鋪帶的幾何參數
    開口圓筒芯模幾何形式如圖5(a)所示，圓筒半徑為r，高度為h。開口形狀根據輸入頂點的個數來確定，構造相鄰頂點的圓柱螺線可實現對復雜形狀開口的離散逼近，依次處理每條螺線，確定預浸帶上的開口情況。以四邊形開口為例，處理方法與復雜形狀開口一致。四邊形開口的頂點分別為Q1、Q2、Q3、 Q4。圖5(b)為沿母線X＝r的展開示意圖，開口點Q1對應的坐標點為P1，預浸帶寬度為b，帶與帶之間的間隙為c，鋪帶角度為α，對于大鋪放角度（如90°鋪層），自動鋪帶機采用了纏繞機理，實際鋪帶角度根據公式arcos((b＋c)/2/π/r)近似求取。

3.2 軌跡生成和特征點求取
    展開面上條帶與割線P1P2、P3P4和P4P1相交，交點T1、P2、T2、P4和T3為帶上的開口點，交線T1P2、T2P4與P4T3為超聲割切器中切刀所走軌跡。給定柱面上一點和過該點的切方向，柱面上的測地線是唯一的^[13],因此柱面上的壓輥鋪放軌跡是確定的，映射到展開面上為虛線X1X3。
    虛線上控制點X1為鋪帶頭定位點，X3為鋪帶結束點,X2為輔壓輥工作點。切割控制點X4，由開口點P2到X4所在邊界的距離等于主壓輥到切刀的距離確定，同理確定其余開口點對應的切割控制點。將上述控制點映射回芯模表面，增加對應的動作量，生成鋪帶過程中的特征點。圓筒芯模上鋪放一條開口預浸帶的典型動作如下：定位X1點（包括自動鋪帶頭空間移動，芯模旋轉）、轉頭(根據鋪放角度α）、送帶、主壓輥工作(X1-X2)、切割器工作（包括切刀定位、刀速與送帶速度的比率、切刀結束控制等)切割開口、切割邊界、主壓輥提起輔壓輥工作（X2-X3）、輔壓輥提起。鋪帶結束時，旋轉鋪帶頭定位到下一條帶上的X1點進行鋪帶，進而完成當前層上的所有鋪帶。
4 MFC下動態仿真的實現
4.1 仿真的平臺
    OpenGL圖形標準雖然優勢明顯，但同時也存在不足之處。如OpenGL與界面窗口系統無關，不提供任何交互手段，必須由程序員自己編寫所有的交互功能。VC中的MFC（微軟基本類庫）為用戶提供了Windows環境下面向對象的程序開發界面，它能處理多數標準的Windows編程任務。因此選用VC++6.0開發平臺，一方面發揮MFC面向對象和界面開發的強大優勢，同時也可充分發揮OpenGL的優點，實現具有友好界面和交互功能的三維動態仿真程序。
4.2 動畫的實現
    在MFC中為OpenGL仿真進行必要的環境初始化（如設置像素格式、創建繪制描述表等），添加一些消息的響應函數（如WM_SIZE，WM_TIMER等），為動畫的實現做好準備。
    OpenGL利用雙緩存技術實現動畫繪制，為了提高動畫顯示速度，OpenGL提供了顯示列表技術^[14]。顯示列表(DisplayList)是由一組預先存儲起來的供以后執行調用的OpenGL函數語句組成，調用顯示列表時就執行表中的函數語句。針對本文開發的仿真軟件，自動鋪帶機部分（包括自動鋪帶頭、基體）全部采用顯示列表技術，預浸帶部分為了達到實時鋪放的效果，對于當前正在鋪放的帶編寫程序計算控制頂點、軌跡路徑，并用三角面片進行繪制，鋪放完畢的帶生成對應的顯示列表，以供仿真程序調用。仿真軟件的結構示意圖如圖6所示。

4.3 仿真結果
采用上述方法，編寫自動鋪帶三維運動仿真程序，圖所示7為自動鋪帶三維運動仿真程序運行效果圖。

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5 結論
    (1)在VC6.0開發平臺MFC編程環境下，基于OpenGL技術進行自動鋪帶加工仿真的幾何建模和預浸帶的繪制過程，對自動鋪帶機及預浸帶部分利用了OpenGL的顯示列表技術，仿真軟件達到了流暢的顯示速度；
    (2)在此基礎上，進行開口圓筒芯模的軌跡規劃算法、界面設計，方便控制加工過程和進行人機交互，完善了仿真軟件；
    (3)初步完成的仿真軟件可基本實現自動鋪帶加工的運動仿真，由于實際的鋪放過程考慮的因素很多，可對仿真軟件進行進一步開發與完善。
                    參考文獻
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[14] OpenGL體系結構審核委員會著，鄧鄭祥譯，OpenGL編程指南(第四版)[M]．北京:人民郵電出版社,2005:183-197.

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