基于OpenGL ES的嵌入式數(shù)控雕刻系統(tǒng)加工仿真設(shè)計(jì)

劉 俊 唐善斌 劉 潔 肖 文

(三一重工攪拌設(shè)備研究院，湖南長沙410100)

目前，市場上出現(xiàn)的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)大都采用二維畫圖來實(shí)現(xiàn)加工軌跡仿真，實(shí)現(xiàn)三維加工軌跡仿真的很少。主要原因在于嵌入式處理器對OpenGL ES的支持不夠。隨著嵌入式技術(shù)和制造工藝的發(fā)展，ARM處理器的主頻不斷提升，對3D加速也提供了足夠的支持，使得嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軌跡加工的三維仿真成為可能。

本文介紹了一種嵌入式數(shù)控雕刻系統(tǒng)軌跡加工三維仿真的實(shí)現(xiàn)方法。嵌入式數(shù)控雕刻系統(tǒng)以WinCE6.0作為嵌入式操作系統(tǒng)，VS2005作為應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境，采用三星公司的ARM處理器S3C6410作為CPU、NOVA公司的MCX314芯片作為運(yùn)動控制芯片。通過本仿真軟件，可以實(shí)現(xiàn)NC加工代碼編譯、雕刻圖形的三維建模、以及加工軌跡的動態(tài)仿真。

1 OpenGL ES平臺構(gòu)建

OpenGL ES是針對嵌入式系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)的跨平臺的、功能完善的2D和3D圖形應(yīng)用程序接口API，它由桌面OpenGL子集組成［1］。針對硬件資源相對緊缺的嵌入式系統(tǒng)，OpenGL ES具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)平臺接口層EGL，保留OpenGL最常用的API，并增加了新的特性:定點(diǎn)運(yùn)算、字節(jié)匹配、調(diào)色板紋理［2］。目前OpenGL ES已經(jīng)發(fā)展到2.0版本，其可編程流水線示意圖如圖1所示。

根據(jù)2.0版本的可編程流水線，OpenGL ES的初始化過程如圖2所示，分六個(gè)步驟，分別是:獲取Display、初始化 EGL、選擇 Config、構(gòu)造 Surface、創(chuàng)建 Context、顯示。各個(gè)步驟對應(yīng)的調(diào)用函數(shù)為:eglGetDisplay、eglInitialize、eglChooseConfig、eglCreateWindowSurface、eglCreateContext、eglSwapBuffers。OpenGL ES 簡化了模型描述，取消了通過在glBegin/glEnd之間使用大量glVertex之類的調(diào)用來逐點(diǎn)描述模型［3］，統(tǒng)一使用VertexArray(頂點(diǎn)數(shù)組)來繪圖。

2 NC代碼的編譯

仿真程序首先要對NC文件進(jìn)行編譯，才能獲得雕刻圖形的加工信息，然后通過數(shù)學(xué)運(yùn)算得到待仿真模型的像素點(diǎn)和灰度信息，進(jìn)而才能進(jìn)行三維建模。NC代碼的編譯流程包括:語法和詞法檢查、語義分析、生成可識別的中間數(shù)據(jù)。首先根據(jù)數(shù)控機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)G代碼(JB3208-83)設(shè)定規(guī)則庫，根據(jù)規(guī)則進(jìn)行詞法、語法檢查和語義分析，并設(shè)立出錯(cuò)信息表，方便用戶查找錯(cuò)誤和分析錯(cuò)誤原因以及進(jìn)行出錯(cuò)處理。詞法語法檢查包括:去除無效字符如注釋信息、程序段中的空格、N指令等;根據(jù)NC代碼的組詞規(guī)則進(jìn)行逐個(gè)檢查，包括代碼中的字符是否合法、代碼的參數(shù)是否合理等［4］。語義分析主要的規(guī)則有:NC代碼功能指令代碼和坐標(biāo)代碼在每一行中只能出現(xiàn)一次;X、Y、Z、F 等代碼的取值不能超過機(jī)床的設(shè)定范圍;圓弧運(yùn)動指令 G02、G03必須指定圓心坐標(biāo)及半徑;F指令只對 G01、G02、G03 有效，對G00無效等。

通過如圖3所示的編譯流程，得到中間代碼，并將其保存到一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體中。定義如下:

}*pNCCodeData;根據(jù)NCCodeData結(jié)構(gòu)體中的坐標(biāo)信息和脈沖當(dāng)量信息可以計(jì)算雕刻圖形的像素和灰度(即加工深度)，從而為三維建模和仿真提供數(shù)據(jù)源。

3 三維建模以及實(shí)時(shí)仿真

3．1 雕刻圖形的三維建模

根據(jù)CCodeData提供的數(shù)據(jù)源，通過逐點(diǎn)比較的方法獲得X軸和Y軸方向的最大最小值，從而確定待加工幅面的大小。通過坐標(biāo)變換和比例變換將工件坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為圖形的像素點(diǎn)坐標(biāo)。CAD/CAM軟件處理圖形時(shí)，需要設(shè)定加工深度h?；叶戎礸ray可以根據(jù)加工深度和Z軸工件坐標(biāo)計(jì)算得到。設(shè)g(x，y，z)表示工件坐標(biāo)(x，y，z)處的像素點(diǎn)灰度值，圖形灰度值為256時(shí)可由如下公式得到:

根據(jù)公式(1)得到的像素點(diǎn)坐標(biāo)和灰度值以向量的形式保存，然后調(diào)用OpenGL ES的相關(guān)畫圖API函數(shù)(如glDrawArrays)構(gòu)建雕刻圖形的三維模型，再結(jié)合加工初始信息可以實(shí)現(xiàn)加工軌跡仿真(如圖4所示)。

3.2 加工軌跡的實(shí)時(shí)仿真

加工軌跡實(shí)時(shí)仿真有兩種方式:逐行掃描和輪廓跟蹤掃描。本系統(tǒng)支持這兩種掃描方式。當(dāng)前加工的坐標(biāo)數(shù)據(jù)的刷新由WINDOW的多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在自動加工過程中，建立一個(gè)加工監(jiān)控線程，由其實(shí)時(shí)讀取運(yùn)動控制芯片MCX314返回的當(dāng)前加工點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。然后根據(jù)公式(1)獲得當(dāng)前加工點(diǎn)的像素點(diǎn)坐標(biāo)和灰度值，在OpenGL ES平臺中完成當(dāng)前加工點(diǎn)的重繪。三維建模以及實(shí)際加工的效果圖如圖5所示。

4 結(jié)語

本仿真軟件主要可以實(shí)現(xiàn)以下功能:(1)對NC文件進(jìn)行詞法語法檢查以及語義分析;(2)對雕刻圖形進(jìn)行三維建模;(3)三維仿真雕刻圖形的加工過程，并得到加工結(jié)果;(4)同步顯示機(jī)床狀態(tài)和加工時(shí)間;(5)在實(shí)際雕刻過程中實(shí)現(xiàn)與加工過程同步的動畫效果，從而方便用戶監(jiān)控和觀察雕刻加工過程。通過VS2005開發(fā)平臺，本仿真軟件已成功移植到嵌入式雕刻機(jī)的操作系統(tǒng)WinCE6.0中，目前已成功應(yīng)用于中國地質(zhì)大學(xué)機(jī)械與電子工程研究所研制的嵌入式數(shù)控木雕機(jī)系統(tǒng)。利用OpenGL ES技術(shù)在嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行三維仿真，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

［1］史揚(yáng)，吳金平.OpenGL ES圖形標(biāo)準(zhǔn)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2008，21(3):27-29.

［2］Aaftab Munshi，Dan Ginsburg，Dave Shreiner.OpenGL ES 2.0 programming guide［M］.New Jersey:Addison Wesloy，2008.

［3］Kari Pulli，Tomi Aarnio，Ville Miettinen，et al.Mobile 3D graphics with OpenGL ES and M3G［M］.Amsterdan:Morgan Kaufmann Publishes，2007:170-193.

［4］劉沖，楊代華，張曉婷.基于工控機(jī)的G代碼編譯程序設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007(5):60-62.

［5］吳濤，楊代華，章文獻(xiàn)，等.用 VC實(shí)現(xiàn)數(shù)控雕刻機(jī)加工過程仿真［J］.機(jī)床與液壓，2003(5):130-131.