CN112462691B - 基于OpenGL的多通道数控系统三维仿真的方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本公开基于OpenGL的多通道数控系统三维仿真的方法，包括以下步骤：仿真模块获取CNC数控系统开始仿真的信号；CNC数控系统通过CNC解析模块进行解析数控程序，生成若干的坐标数据点信息，并将若干坐标数据点信息传入到仿真模块中的数据处理模块中；数据处理模块不断的接收到坐标数据点信息，并根据坐标数据点信息的通道号的不同分别放入到不同的内存模块中；内存模块将接收到的坐标数据点定时发送到显存模块VBO中；显存模块VBO将获取的坐标数据点信息以及变换矩阵信息传输到着色器中进行图形轨迹绘制。本公开实现三维仿真轨迹、实时轨迹显示，并显示工作台范围，直观显示CNC数控系统的三维轨迹，能在仿真与加工中进行轨迹显示，满足现代生产需求。

Description

基于OpenGL的多通道数控系统三维仿真的方法及其系统

技术领域

本公开涉及工业数控技术领域，特别涉及基于OpenGL的多通道数控系统三维仿真的方法及其系统。

背景技术

在数控系统的应用中，仿真能在加工生产之前预知刀路的轨迹，从而根据仿真的效果来知道生产的产品与刀路之间是否相符，进而得到满足加工需求的刀路，但是普通的仿真只是二维的，不能够立体的查看刀路轨迹，从而Z方向上的信息被忽略掉了。

现有技术基本为单通道的2D显示，一方面不能满足多通道的需求，另一方面2D仿真已经跟不上时代的潮流，信息量的不足严重影响生产中对刀路的正确性的评估。

发明内容

本公开针对上述问题，提出基于OpenGL的多通道数控系统三维仿真的方法及其系统。

为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提出如下技术方案：

根据本申请的一个方面，提出基于OpenGL的多通道数控系统三维仿真的方法：包括仿真模块，仿真模块通过仿真接口连接CNC数控系统，仿真模块包括数据处理模块，方法包括以下步骤：

S1.CNC数控系统导入数控程序文件；

S2.仿真模块获取CNC数控系统开始仿真的信号，进入仿真模式；

S3.CNC数控系统通过CNC解析模块进行解析数控程序，生成若干的坐标数据点信息，并将若干坐标数据点信息传入到仿真模块中的数据处理模块中；

S4.数据处理模块不断的接收到坐标数据点信息，并根据坐标数据点信息的通道号的不同分别放入到不同的内存模块中；

S5.内存模块将接收到的坐标数据点定时发送到显存模块VBO中；

S6.显存模块VBO将获取的坐标数据点信息以及变换矩阵信息传输到着色器中进行图形轨迹绘制显示到屏幕上；

S7.CNC数控系统传输数据完成后，仿真模块获取CNC数控系统到传输的结束的信号，则仿真结束。

在一些实施方式中，在步骤S1之前还包括通过初始化步骤获取并显示工作台的范围，包括：

通过进行界面初始化和变换矩阵初始化获取当前通道的限位；

初始化FBO；

初始化显存模块VBO，初始化中每个通道的1个VAO有多个VBO；

加载着色器并开启定时器，初始化完成后进行显示工作台范围。

在一些实施方式中，工作台范围包括CNC数控系统中的X轴、Y轴以及Z轴的上下限行程。

在一些实施方式中，仿真模块读取着色器GLSL代码并编译链接，用于将VBO中的数据按照GLSL中自定义的方法来放到显存中进行显示。

在一些实施方式中，FBO初始化时绑定有纹理信息和深度信息，纹理信息包含两个数据，深度信息包含1个数据，纹理信息写X轴和Y轴坐标，深度信息写入Z轴坐标。

在一些实施方式中，着色器包括选点着色器、轨迹绘制着色器以及用于工作台和坐标轴显色的显色着色器。

在一些实施方式中，步骤S6中，显存模块VBO将获取的坐标数据点信息以及变换矩阵信息传输到着色器中进行图形轨迹绘制显示到屏幕上，其中，根据旋转和平移以及缩放参数进行修改变换矩阵信息，并将修改后变换矩阵信息以及显存模块VBO中的数据传入到轨迹绘制着色器。

在一些实施方式中，仿真模式中的数据处理和轨迹绘制异步进行，其中，数据处理模块不断的接收数据放入到内存模块中，同时当发现有数据更新，通过定时器来获取内存模块中新增的数据，读入到显存模块VBO中。在一些实施方式中，在仿真模式中，在绘制完成或者暂停时，还会通过着色器进行离屏渲染，并将内存模块获取的坐标数据点信息绘制到FBO中，通过对应的坐标数据点信息来读取坐标以及行号信息。

本公开还提供一种基于OpenGL的多通道数控系统三维仿真系统，用于执行三维仿真的方法，三维仿真系统包括：CNC数控系统和仿真模块，CNC数控系统通过仿真接口连接仿真模块，仿真模块用于获取CNC数控系统的仿真信号，进入或结束仿真模式；其中，数控系统包括CNC解析模块，仿真模块包括数据处理模块、内存模块、显存模块VBO，

CNC解析模块，用于解析数控程序文件，生成若干的坐标数据点信息，并将若干坐标数据点信息传入到仿真模块中的数据处理模块中进行数据处理；

数据处理模块，用于不断的接收到坐标数据点信息，并根据坐标数据点信息的通道号的不同分别放入到不同的数控系统的内存模块中；

内存模块，用于将接收到的坐标数据点定时发送到显存模块VBO中；

显存模块VBO，用于将获取的坐标数据点信息以及变换矩阵信息传输到着色器中进行图形轨迹绘制显示到屏幕上。

本公开的有益效果：本公开实现三维仿真轨迹、实时轨迹显示，并显示工作台范围，直观显示CNC数控系统的三维轨迹，能在仿真与加工中进行轨迹显示，满足现代生产需求；

同时通过实时显示坐标位置、轨迹行号等功能，能够读取三维轨迹中的坐标、距离、加工对应的程序等信息；

而且，本申请对于大数据量的问题，通过定时刷新以及顶点数组对象等实现三维显示，实现了无延时流畅的显示，且对于硬件的依赖较低，可以实现在低成本的情况下实现三维的显示。

附图说明

图1为本公开的基于OpenGL的多通道数控系统三维仿真的方法流程图；

图2为本公开的基于OpenGL的多通道数控系统三维仿真的方法另一实施例的流程图；

图3为本公开另一实施例的提供的仿真系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

下面结合附图对本公开作进一步详细的说明。

实施例1，参考说明书附图1，基于OpenGL的多通道数控系统三维仿真的方法，包括仿真模块，所述仿真模块通过仿真接口连接所述CNC数控系统，所述仿真模块包括数据处理模块，所述方法包括以下步骤：

S1.所述CNC数控系统导入数控程序文件；

S2.所述仿真模块获取CNC数控系统开始仿真的信号，进入仿真模式；

S3.所述CNC数控系统通过CNC解析模块进行解析所述数控程序，生成若干的坐标数据点信息，并将若干所述坐标数据点信息传入到所述仿真模块中的数据处理模块中；

S4.所述数据处理模块不断的接收到所述坐标数据点信息，并根据坐标数据点信息的通道号的不同分别放入到不同的内存模块中；

S5.所述内存模块将接收到的坐标数据点定时发送到显存模块VBO中；

S6.所述显存模块VBO将获取的坐标数据点信息以及变换矩阵信息传输到着色器中进行图形轨迹绘制显示到屏幕上；

S7.CNC数控系统传输数据完成后，仿真模块获取CNC数控系统到传输的结束的信号，则仿真结束。

在可选的实施例中，着色器指轨迹着色器，当切换通道时，会根据当前通道号显示当前通道的数据，通道与通道之间是相互独立的。

在可选的实施例中，参考说明书附图2，在步骤S1之前还包括步骤S0，通过初始化步骤获取并显示工作台的范围，包括：

通过进行界面初始化和变换矩阵初始化获取当前通道的限位；

初始化FBO；

初始化显存模块VBO，初始化中每个通道的1个VAO有多个VBO；

加载着色器并开启定时器，初始化完成后进行显示工作台范围。

在可选的实施例中，工作台范围包括CNC数控系统中的X轴、Y轴以及Z轴的上下限行程。由此，根据X轴、Y轴以及Z轴的上下限行程来显示工作台范围，当多通道时，可能存在行程上下限不一样的情况，则会根据当前通道从CNC控制系统获取对应的上下限行程，从而修改工作台范围，根据工作台范围设置初始的变换矩阵，初始化VAO，VBO，FBO，加载着色器，开启定时器，完成上面工作后，即可进行显示。当VBO没收到数据时，只显示工作台的范围，当对应的通道获取数据后，将变换矩阵以及数据传入到着色器中，进行绘制。

在可选的实施例中，界面初始化可以初始化背景颜色，界面显示的范围大小，因为默认只显示－1到1的范围，如果初始化后可以显示其他的范围，比如工作台大小为300＊180＊40，初始化后可以把工作台范围显示完全。初始化变换矩阵的作用就是默认是轴视图的视角。VA0，VB0，FBO这三个为OpenGL中的专用术语，分别为顶点缓存对象，顶点数组对象，帧缓存对象。VBO可以存储大量顶点，因而我们可以利用VBO一次性发送一大批数据到显卡上。FBO在本公开中的用途为实现离屏渲染。VAO可以对应多个VBO，初始化后VBO所占的总显存固定为100M，而FBO为帧缓存，绑定FBO时就会把VBO中数据传入到选点着色器中，即实现离屏渲染，解绑后又会正常绘制到屏幕上。

在可选的实施例中，当显示的数据超过设置上限100M时，会删除前面部分数据，删除的大小为1个VBO的大小，删除的数据包括内存模块和显存模块中的数据，从而有空间给新的数据，可以绘制新的轨迹。

在可选的实施例中，仿真模块读取着色器GLSL代码并编译链接，用于将VBO中的数据按照GLSL中自定义的方法来放到显存中进行显示。

FBO初始化时绑定有纹理信息和深度信息，所述纹理信息包含两个数据，所述深度信息包含1个数据，所述纹理信息写X轴和Y轴坐标，所述深度信息写入Z轴坐标。

在可选的实施例中，所述着色器包括选点着色器、轨迹绘制着色器以及用于工作台和坐标轴显色的显色着色器。着色器使用步骤都是类似的，都是将VBO中的数据传入到着色器中，其中，轨迹着色器中的数据包括坐标位置，运动速度以及运动模式，跟据运动模式和运动速度计算出对应颜色，在对应的坐标位置绘制相应的线段颜色；显色着色器中的数据包括坐标位置以及颜色，颜色是固定点，在对应的坐标位置绘制相应的线段颜色；离屏渲染着色器中数据只包括坐标位置和行号，选点着色器是在对应的坐标位置设置深度和纹理，将x，y，z三个值刚好放到深度和纹理中，若放的是行号，就只用到一个值，只读一个值即可，这样在选点的时候读取到深度和纹理值就是坐标值，其中选点着色器比较特殊，是用于离屏渲染用的着色器，但是步骤也是将VBO中的数据传入后按照定义的方法离屏渲染。

具体的，步骤S6中，所述显存模块VBO将获取的坐标数据点信息以及变换矩阵信息传输到着色器中进行图形轨迹绘制显示到屏幕上，其中，根据旋转和平移以及缩放参数进行修改变换矩阵信息，并将修改后变换矩阵信息以及显存模块VBO中的数据传入到所述轨迹绘制着色器。其中，缩放矩阵为：

平移矩阵为：

绕X轴旋转矩阵为：

绕Z轴旋转矩阵为：

其中，所有公式中的x，y，z为坐标点，tx，ty为平移量，yaw为绕Z轴的角度，α为绕x的角度，scale为缩放量。

其中，仿真模式中的数据处理和轨迹绘制异步进行，数据处理模块不断的接收数据放入到内存模块中，同时当发现有数据更新，通过定时器来获取内存模块中新增的数据，读入到显存模块VBO中。由此，在轨迹在绘制过程中，异步进行的数据处理动作是独立，不管界面是否绘制，只要CNC控制系统传输过来数据，都会进行数据储存，唯一与界面交互的是在绘制的时候定时器定时从内存模块中读取数据，实现了数据处理、界面显示的分离，减少了耦合。

在可选的实施例中，在仿真模式中，在绘制完成或者暂停时，还会通过着色器进行离屏渲染，并将所述内存模块获取的坐标数据点信息绘制到FBO中，通过对应的坐标数据点信息来读取坐标以及行号信息。

实施例2，参考说明书附图3，示出了本申请一个实施例提供的用于执行上述任一仿真方法的仿真系统，包括：

三维仿真系统包括：CNC数控系统和仿真模块，CNC数控系统通过仿真接口连接仿真模块，仿真模块用于获取CNC数控系统的仿真信号，进入或结束仿真模式；其中，数控系统包括CNC解析模块，仿真模块包括数据处理模块、内存模块、显存模块VBO，

CNC解析模块11，用于解析数控程序文件，生成若干的坐标数据点信息，并将若干坐标数据点信息传入到仿真模块中的数据处理模块21中进行数据处理；

数据处理模块21，用于不断的接收到坐标数据点信息，并根据坐标数据点信息的通道号的不同分别放入到不同的数控系统的内存模块22中；

内存模块22，用于将接收到的坐标数据点定时发送到显存模块VBO23中；

显存模块VBO23，用于将获取的坐标数据点信息以及变换矩阵信息传输到着色器中进行图形轨迹绘制显示到屏幕上。

在本实施例中，通过仿真模块提供仿真接口给CNC数控系统，CNC数控系统进行调用，当CNC数控系统有数据了之后，CNC数控系统会调用仿真模块提供的接口传送数据，从而达到数据采集的过程。

其中，仿真模块包括数据处理模块，数据处理模块为仿真模块的一个子模块，即为仿真模块的一部分，CNC数控系统加载文件后，进行仿真或者加工的时候才会发送通道数据，然后数据处理模块才会处理数据。

在可选的实施例中，数据处理模块通过接收CNC数控系统获取给定的轨迹坐标，先存放到内存模块中，多个通道之间的数据是相互独立的，比如通道1的数据接收了一部分，这时CNC数控系统发送通道2数据的时候，会存放到通道2的数据中，与通道1无关。仿真模块还包括界面显示模块，数据处理模块的数据处理的过程是和界面显示模块相互独立的，CNC数控系统传送的数据还包括轨迹类型、行号、运动速度。

在可选的实施例中，还包括离屏渲染模块，离屏渲染模块和界面显示模块的相互配合设置主要是用于显示三维轨迹，进行显示三维轨迹的步骤分为界面初始化、三维轨迹显示、离屏渲染三个步骤。

其中，界面显示模块用于执行界面初始化步骤，包括通过获取CNC数控系统的对应通道的限位，通过初始化变换矩阵从而获取工作范围；读取着色器GLSL代码并编译链接、初始化FBO，其中FBO为离屏渲染所需，初始化VAO和VBO，FBO初始化时绑定纹理和深度，纹理包含两个数据，深度包含1个数据，从而将坐标位置放入这三个数据中；同时通过定时器开启定时，每隔20ms从内存模块中读取数据进行显示。三维轨迹显示步骤，是在初始化完成后，分为两个方面，一方面是等待仿真和加工信号，另一方面定时器获取数据，当有数据时，将内存模块中的数据读取到VBO中，该过程是内存模块的数据读取到显存模块中，从而显示时能进行GPU加速。当拿到仿真或加工信号后，根据旋转、平移以及缩放参数，进行修改变换矩阵，并将数据传入轨迹绘制着色器中，着色器通过GPU加速进行图形绘制显示到屏幕上。离屏渲染用于执行离屏渲染步骤，用上述进行同样的变换矩阵进行变换，并数据传入到离屏渲染的着色器中，进行离屏绘制，绘制完成后，当鼠标移动到对应位置即可进行3d坐标的拾取，从而实现测距、坐标实时显示、行号获取等功能，同时显示完成后，可以通过修改变换矩阵进行轴视图、俯视图、左视图等切换。

以上的仅是本公开的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于公开的保护范围。

Claims (8)

1.基于OpenGL的多通道数控系统三维仿真的方法，其特征在于，包括仿真模块，所述仿真模块通过仿真接口连接CNC数控系统，所述方法包括以下步骤：

S1.所述CNC数控系统导入数控程序文件；

S2.所述仿真模块获取CNC数控系统开始仿真的信号，进入仿真模式；

S3.所述CNC数控系统通过CNC解析模块进行解析所述数控程序，生成若干的坐标数据点信息，并将若干所述坐标数据点信息传入到所述仿真模块中的数据处理模块中进行数据处理；

S4.所述数据处理模块不断的接收到所述坐标数据点信息，并根据坐标数据点信息的通道号的不同分别放入到不同的内存模块中；

S5.所述内存模块将接收到的坐标数据点定时发送到显存模块VBO中；

S6.所述显存模块VBO将获取的坐标数据点信息以及变换矩阵信息传输到着色器中进行图形轨迹绘制显示到屏幕上；

S7.CNC数控系统传输数据完成后，仿真模块获取CNC数控系统到传输的结束的信号，则仿真结束；

在步骤S1之前还包括通过初始化步骤获取并显示工作台的范围，包括：

通过进行界面初始化和变换矩阵初始化获取当前通道的限位；

初始化FBO；

初始化显存模块VBO，初始化中每个通道的1个VAO有多个VBO；

加载着色器并开启定时器，初始化完成后进行显示工作台范围；

FBO初始化时绑定有纹理信息和深度信息，所述纹理信息包含两个数据，所述深度信息包含1个数据，所述纹理信息写X轴和Y轴坐标，所述深度信息写入Z轴坐标。

2.根据权利要求1所述基于OpenGL的多通道数控系统三维仿真的方法，其特征在于，工作台范围包括CNC数控系统中的X轴、Y轴以及Z轴的上下限行程。

3.根据权利要求2所述基于OpenGL的多通道数控系统三维仿真的方法，其特征在于，仿真模块读取着色器GLSL代码并编译链接，用于将VBO中的数据按照GLSL中自定义的方法来放到显存模块中进行显示。

4.根据权利要求3所述基于OpenGL的多通道数控系统三维仿真的方法，其特征在于，所述着色器包括选点着色器、轨迹绘制着色器以及用于工作台和坐标轴显色的显色着色器。

5.根据权利要求1所述基于OpenGL的多通道数控系统三维仿真的方法，其特征在于，在步骤S6中，所述显存模块VBO将获取的坐标数据点信息以及变换矩阵信息传输到着色器中进行图形轨迹绘制显示到屏幕上，其中，根据旋转、平移以及缩放参数进行修改变换矩阵信息，并将修改后变换矩阵信息以及显存模块VBO中的数据传入到所述轨迹绘制着色器。

6.根据权利要求1所述基于OpenGL的多通道数控系统三维仿真的方法，其特征在于，仿真模式中的数据处理和轨迹绘制异步进行，其中，数据处理模块不断的接收数据放入到内存模块中，同时当发现有数据更新，通过定时器来获取内存模块中新增的数据，读入到显存模块VBO中。

7.根据权利要求6所述基于OpenGL的多通道数控系统三维仿真的方法，其特征在于，在仿真模式中，在绘制完成或者暂停时，还会通过着色器进行离屏渲染，并将所述内存模块获取的坐标数据点信息绘制到FBO中，通过对应的坐标数据点信息来读取坐标以及行号信息。

8.基于OpenGL的多通道数控系统三维仿真系统，用于执行权利要求1 至7任一所述三维仿真的方法，其特征在于，所述三维仿真系统包括：CNC数控系统和仿真模块，所述CNC数控系统通过仿真接口连接仿真模块，所述仿真模块用于获取CNC数控系统的仿真信号，进入或结束仿真模式；其中，所述数控系统包括CNC解析模块，所述仿真模块包括数据处理模块、内存模块、显存模块VBO，

CNC解析模块，用于解析所述数控程序文件，生成若干的坐标数据点信息，并将若干所述坐标数据点信息传入到所述仿真模块中的数据处理模块中进行数据处理；

数据处理模块，用于不断的接收到所述坐标数据点信息，并根据坐标数据点信息的通道号的不同分别放入到不同的数控系统的内存模块中；

内存模块，用于将接收到的坐标数据点定时发送到显存模块VBO中；

显存模块VBO，用于将获取的坐标数据点信息以及变换矩阵信息传输到着色器中进行图形轨迹绘制显示到屏幕上。

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