車床虛擬加工系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法研究

老鷹

引言　fficeffice" />

    虛擬制造(Virtual Manufacturing VM)技術(shù)是虛擬

顯示技術(shù)與計算機(jī)仿真技術(shù)在制造領(lǐng)域的綜合發(fā)展和

應(yīng)用,。VM 的實(shí)質(zhì)是“計算中的制造”，即在計算機(jī)中

借助建模與仿真技術(shù)及時地完成制造全過程的模擬和

示范,，并預(yù)測評價產(chǎn)品性能和產(chǎn)品的可制造性,。數(shù)控

3 v/ p, ^ B. }4 \/ k% b4 V- A

(NC)車削程序的編制過程與工藝過程相似,，都具有經(jīng)

4 n4 D# G1 H5 I" E9 W

驗(yàn)性和動態(tài)性,，在程序編制過程中經(jīng)常發(fā)生錯誤。為

3 j3 q" Z4 C: W4 y# d* d

此,，在數(shù)控機(jī)床上加工零件之前一般要進(jìn)行數(shù)控程序

" c! C1 t5 J( c/ q( `" M

(NC 代碼)校驗(yàn),，并進(jìn)行首件試切。但這種傳統(tǒng)的試切

方法來檢驗(yàn)刀具路徑既費(fèi)時又費(fèi)力,。隨著數(shù)控編程技

術(shù)的發(fā)展,，人們采用視覺檢查 NC 刀具軌跡的二維線

& \- U$ _/ q) S

框圖，這種方法主要依賴于程序員對易錯區(qū)選擇的判

斷和對該區(qū)域復(fù)雜的刀具軌跡線框圖的理解程度,，一

般的用戶無法判斷其正確性,。通過數(shù)控加工三維幾何

仿真能夠使 NC 編程人員和機(jī)床操作者通過圖形顯示

進(jìn)行干涉和碰撞檢查，校驗(yàn)數(shù)控程序,，故可以大大減

少上述情況的發(fā)生,，提高數(shù)控編程效率和質(zhì)量。

* {* U. r9 Z" \+ t, [- w; ?& u

１ 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)　

    由于OpenGL適用于多種硬件平臺及操作系統(tǒng),，其

圖形庫能夠制作出高質(zhì)量的三維圖形和高質(zhì)量的動畫

# H- C5 Y/ X( g

效果。因而整個虛擬加工的３Ｄ顯示引擎選用ＯｐｅｎＧＬ來

. v* C% b# t' y( s( q) Q

實(shí)現(xiàn),�,？紤]到Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋功能強(qiáng)大,，開發(fā)出的系統(tǒng)執(zhí)

& o/ W- r' R, ~) q4 J! f

行效率高,，且便于控制ＯｐｅｎＧＬ,，因而選用Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋

/ y2 h# |( _) i3 f

作為整個虛擬加工系統(tǒng)的開發(fā)工具,。通過對數(shù)控車床

% }0 Z' v. T% _ f- I- D9 S4 K: m

及其加工過程進(jìn)行仿真,，動態(tài)顯示產(chǎn)品加工過程和結(jié)

. m" c+ i( h; e

果，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品零件的虛擬加工,，并驗(yàn)證ＮＣ程序的正

7 b9 y* B$ B! U6 o0 n4 E: O5 j

確性,。

0 O. K* S. i% |& y$ T; p0 G N

圖１為系統(tǒng)的設(shè)計流程圖�,！�

２ 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)　

２．１�,。危贸绦蚓幾g　

    由于虛擬加工系統(tǒng)主要用于工業(yè)培訓(xùn)及ＮＣ代碼的

, J3 u' C( ]% G& k

正確性檢查，故要求系統(tǒng)能夠在加工之前通知操作人

* R3 `* U! C" k9 h$ S. t

員ＮＣ程序中是否存在語法錯誤,，上下程序段間的邏輯

關(guān)系是否正確等,，故選用編譯方式而不是解釋方式來

對NC程序進(jìn)行編碼。根據(jù)編譯原理的思想[1,2],構(gòu)造出

NC程序編譯模塊,，對NC程序進(jìn)行語法和詞法檢查,。

比如檢查地址符字母是否大寫，上下程序段之間的邏

) k5 s/ S2 h2 `

輯關(guān)系是否正確,，圓弧的終點(diǎn),、圓心、半徑值等是否

匹配,，子程序調(diào)用時子程序號是否正確,，程序開始字

0 e! c. {) Q e9 t4 h

符，程序號,，程序主體,，程序結(jié)束代碼和程序結(jié)束字

# c( t; n& y" d( w: p& o+ u

符等是否完整等等。通過詞法和語法檢查指出錯誤發(fā)

/ s6 l& k+ k/ ^+ ?4 N- ?2 f

生的位置,，給出錯誤的原因,。使得虛擬加工系統(tǒng)能夠

% s& [5 r$ W9 [, x- t% p! O

輔助用戶學(xué)習(xí)NC程序的編制�,！�

4 h9 |& y4 Q( @9 H6 ?2 `* o+ ^( f- M

２．２虛擬車床本體的搭建　

     在數(shù)控加工幾何仿真系統(tǒng)中,，首先要建立虛擬加

3 y8 N/ H) t6 X% `- O

工環(huán)境，實(shí)現(xiàn)虛擬數(shù)控機(jī)床,。由于機(jī)床是由許多零部

3 [' U0 m& J1 J9 s( x- |

件組成,，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，用OpenGL函數(shù)進(jìn)行造型工作

: @/ e7 x# {- j } B

量太大,，故先在ＣＡＤ軟件Ｐｒｏ／Ｅ中造型出數(shù)控機(jī)床各個

& \, {$ J/ a' c# o) q, o7 t3 A

零部件,，將其導(dǎo)出成標(biāo)準(zhǔn)的三維數(shù)據(jù)格式ＳＴＬ，在程序

中直接讀�,。樱裕涛募�,，并將其裝配起來,。在繪制機(jī)床時

- H- q5 w9 |! b

利用了ＯｐｅｎＧＬ顯示列表技術(shù)，將每個零部件都生成一

個ＯｐｅｎＧＬ的顯示列表,，這樣可以大幅度提高重繪效率,，

滿足實(shí)時繪制的要求。圖２為虛擬車床的效果圖,�,！�

; J! A2 x- A1 u8 P9 c

２．３ 數(shù)控加工過程仿真實(shí)現(xiàn)　

! y6 h5 ]7 \, P5 j

     數(shù)控車床的毛坯常用棒料或鑄鍛件，加工余量較

1 w/ W- v0 n2 E8 h1 t4 ~

大,，但加工的零件形狀較為簡單,，一般都是回轉(zhuǎn)體零

件。為了避免材料切除過程中毛坯與刀具運(yùn)動形成掃

掠體之間耗時的布爾運(yùn)算,，將毛坯沿 Z 向進(jìn)行離散,，

. c3 T6 |5 s- B7 e$ s

將毛坯離散成單位高度的小圓柱，每個小圓柱稱為一

個薄片,，每個薄片的厚度根據(jù)精度和顯示效果的要求

( ~# d6 R! j; `5 [

來確定,，精度越高，切的越薄,。每個薄片的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

% ^+ ]0 S3 G& O, h- l- s( X$ Y; g

如下:

struct PieceCylinder

8 l4 _. V( ?+ w, \1 N9 Y- u/ \8 c

{

% [/ Y+ g; p, E! w( F: \/ S

double m_dZSt;///////起始 Z 坐標(biāo)

& z" |/ u% q' E' n" n, F+ m

double m_dZEd;//////結(jié)束 Z 坐標(biāo)

1 F) @+ C; ^ B& k" z$ ~

double m_dROutSt;////外圓起點(diǎn)半徑值

double m_dROutEd;///外圓終點(diǎn)半徑值

" Z, K& K7 {- p& J

double m_dInSt;///內(nèi)圓起點(diǎn)半徑值

double m_dInEd;////內(nèi)圓終點(diǎn)半徑值

+ h& f0 w8 h+ z' n

BOOL m_bIsDelete;//////該部分薄片是否被切除

PiesCylinder* m_pNext;/////下一個薄片數(shù)據(jù)

7 S8 U. F V3 K F' V' `8 I

};

    由于車削加工的回轉(zhuǎn)體常常有內(nèi)孔,，車削時也可

3 Q6 \ |. E. W' {7 `9 w

能進(jìn)行鏜孔和鉆孔操作，因而每個薄片不但要記錄所

; `: G8 F% I3 g Q

在位置的外圓半徑,，還要記錄內(nèi)孔的半徑,。為了光滑

4 J8 s2 b/ I: ?& X4 Y7 i

的顯示加工的復(fù)雜回轉(zhuǎn)面，如圓弧面,、雙曲面等,，每

個薄片在 Z 軸方向分為起點(diǎn)和終點(diǎn)。其起點(diǎn)和終點(diǎn)處

外圓,、內(nèi)孔的半徑根據(jù)加工中的刀路軌跡單獨(dú)計算和

8 i5 {- I- D" U" A: |" ^

存儲,。

6 Y0 R1 o/ c& K$ Z# {) i' ?

    在車削加工過程中，一方面工件繞其自身的回轉(zhuǎn)

0 a/ Q: L, ?3 g3 a

軸高速旋轉(zhuǎn),，另一方面刀具在工件的軸平面內(nèi)沿 X 軸,、

Z 軸運(yùn)動，并逐漸從工件上切除多元的材料,，加工出

所需的外形,，每一步刀具所掃掠出的均是一個多邊形。

3 U ?0 S7 G& u1 R# o

根據(jù)每一步的插補(bǔ)指令,，求解出該步刀具所掃掠出的

3 A0 C) H, U7 u/ g( j4 s8 G; i2 I& Q

多邊形,。將刀具掃掠出的多邊形和離散后的工件模型

求交，并相應(yīng)修改工件上所有和刀具掃掠多邊形相交

2 r: e! |2 D, A8 ]8 n+ x8 ^

部分的半徑值,。將修改半徑后的工件重新繪制出來,，

即可完成仿真過程的實(shí)時繪制。

8 Y% U9 b/ g! r% U# p

３ 運(yùn)行實(shí)例　

$ Q$ ]) v6 h4 [3 J; U! d

    為了驗(yàn)證系統(tǒng)的仿真效果,，進(jìn)行了兩個加工實(shí)例

" L. W: ]+ p' d+ n4 c

研究,。由于固定循環(huán)的實(shí)現(xiàn)比較有代表性，故這里選

用固定循環(huán)來進(jìn)行研究,。程序O1234是G71外圓粗車固

定循環(huán)里面包含G70的精車循環(huán),，程序O1235是G72端

l; t% m2 f5 N5 C9 _

面車削固定循環(huán)，圖3為G71精車后的效果圖,。圖4為

* M% t6 ?9 [* O" v8 X( H. {( N

G72粗車過程中截圖,。

O1234

$ _" _6 S \: J; X

Sffice:smarttags" />1200M3

7 l6 ~4 I; F8 r( _& v( m! q

T0101

G50X100Z50

5 M: @7 C# j. ^. {& H+ \# `

G0X80Z5

1 b( [) O* k6 ^7 M" V' M

G71U3R0.2

8 V4 Y6 a6 }5 G: `

G71P00Q60U0.2W0.1F200

2 a/ D0 r- v9 e& b! v, S2 ]2 ]

N00G0X6Z1

N10G1X10Z-3

0 S M3 B: K6 I4 j$ Y. ^2 A% ~5 [

N20G1W-15

N30G2U30W-15R15

N40G1W-30

N50G3U30W-15R15

2 ~: k. L6 [7 |2 P

N50G1U10W-10

N60G1W-70

N70G0X100Z50

G0X30Z5

G70P10Q60

G0X120Z20

M30

3 w9 _- y \% D- S0 A

O1235;G72橫向切削復(fù)合循環(huán)

: Y' y9 d7 G- E4 {- R9 N* ~) f4 x

S1200M3

: @. }$ s- u6 x, C, t0 A7 J

T0101

G50X50Z50

G0X32Z5

! F, E/ B0 M! p( A% V

G72U2R0.2

5 N% o$ n. a! l, B

G72P10Q50U0.2W0.1F200;呼叫子程序

; B6 s% w9 ]# o7 J/ _1 f

N10G0X80Z-80

! n6 }. b, c# \% [

N20G1X60Z-70F100

N30W8

N40G3X30W15R15

& }2 X+ t8 i8 c

N50G1X18Z2

N60G0X100Z50

; ~7 g i; h6 {, C( m, @

G0X30Z5

G70P10Q50

G0X100Z50

1 s1 _+ Y3 n' w; K' ]& M

M30

H* X# S- B: y9 K* ?7 R

４ 結(jié)論　

   詳細(xì)介紹了車床虛擬加工系統(tǒng)的一種實(shí)現(xiàn)方法，

并采用這種方法實(shí)現(xiàn)了車床虛擬加工系統(tǒng),。該虛擬加

3 B- I+ k& p" Y

工系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于真實(shí)加工前進(jìn)行仿真試切,，在工

業(yè)培訓(xùn)、數(shù)控教學(xué)等行業(yè)中,，具有廣泛的應(yīng)用前景,。

3 V1 @! _; R5 B, K# t4 y0 C/ U