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(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在制造領(lǐng)域的綜合發(fā)展和

- q$ Y8 E6 E; c& A8 w% |+ g

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

借助建模與仿真技術(shù)及時(shí)地完成制造全過程的模擬和

, M8 t! a% O0 g6 C! h

示范,，并預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)產(chǎn)品性能和產(chǎn)品的可制造性,。數(shù)控

& S$ X8 q- g6 v& s- L% M4 B1 L/ \" K, R

(NC)車削程序的編制過程與工藝過程相似,，都具有經(jīng)

K0 ^& U' p# v Z

驗(yàn)性和動(dòng)態(tài)性,，在程序編制過程中經(jīng)常發(fā)生錯(cuò)誤,。為

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

x, c. d$ i, c. k

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

6 B) K8 u7 F g f0 [

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

9 ?* ]/ l" E3 ]" K& d4 b& w

術(shù)的發(fā)展，人們采用視覺檢查 NC 刀具軌跡的二維線

框圖,，這種方法主要依賴于程序員對(duì)易錯(cuò)區(qū)選擇的判

6 J: f- o9 {9 S6 p' z5 D

斷和對(duì)該區(qū)域復(fù)雜的刀具軌跡線框圖的理解程度,，一

+ ~2 M9 F3 i" P0 B2 y- R9 I, U

般的用戶無法判斷其正確性。通過數(shù)控加工三維幾何

9 V! v9 I p0 q8 Q8 B0 Z) ^7 u

仿真能夠使 NC 編程人員和機(jī)床操作者通過圖形顯示

7 s: A8 W3 L) l: x) Y; J4 y, @7 U

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,。

& \; w% j/ j+ x

１ 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)　

) G$ l1 J, k8 J, b( ]* x5 \

    由于OpenGL適用于多種硬件平臺(tái)及操作系統(tǒng),，其

/ x7 | r i$ |' r

圖形庫(kù)能夠制作出高質(zhì)量的三維圖形和高質(zhì)量的動(dòng)畫

/ ` s+ B- G1 F1 y

效果。因而整個(gè)虛擬加工的３Ｄ顯示引擎選用ＯｐｅｎＧＬ來

. f5 D ?/ L& G j( D& c

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

行效率高,，且便于控制ＯｐｅｎＧＬ,，因而選用Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋

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

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

0 B ?! t7 s9 s. H

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

確性,。

圖１為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程圖�,！�

２ 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)　

; n. j, j$ W2 s) `# @

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

5 s( B4 Y, c* B! s5 v5 E7 n' |

正確性檢查，故要求系統(tǒng)能夠在加工之前通知操作人

& d( e0 k6 ~( Y- @: T0 d- g! \ r

員ＮＣ程序中是否存在語法錯(cuò)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(duì)NC程序進(jìn)行編碼。根據(jù)編譯原理的思想[1,2],構(gòu)造出

% P" O0 |/ M6 V, S& K

NC程序編譯模塊,，對(duì)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

輯關(guān)系是否正確,，圓弧的終點(diǎn),、圓心、半徑值等是否

# l$ x$ z4 N% g1 ^

匹配,，子程序調(diào)用時(shí)子程序號(hào)是否正確,，程序開始字

符，程序號(hào),，程序主體,，程序結(jié)束代碼和程序結(jié)束字

: b# ^6 E8 C7 }* o) |

符等是否完整等等。通過詞法和語法檢查指出錯(cuò)誤發(fā)

生的位置,，給出錯(cuò)誤的原因,。使得虛擬加工系統(tǒng)能夠

2 W: ^& Z/ l/ o2 o1 A8 }% ^5 f# T) t& E

輔助用戶學(xué)習(xí)NC程序的編制�,！�

3 R+ x1 d8 q: k4 n* k$ L

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

+ y; X, z- n$ B+ g/ h% |0 \

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

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

量太大,，故先在ＣＡＤ軟件Ｐｒｏ／Ｅ中造型出數(shù)控機(jī)床各個(gè)

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

中直接讀取ＳＴＬ文件,，并將其裝配起來,。在繪制機(jī)床時(shí)

利用了ＯｐｅｎＧＬ顯示列表技術(shù)，將每個(gè)零部件都生成一

個(gè)ＯｐｅｎＧＬ的顯示列表,，這樣可以大幅度提高重繪效率,，

" d; i. ^, x/ B

滿足實(shí)時(shí)繪制的要求。圖２為虛擬車床的效果圖,�,！�

9 {" ^1 \5 I0 B, a* z' y3 `. ^. b* g

２．３ 數(shù)控加工過程仿真實(shí)現(xiàn)　

" w& O+ z& i5 t; X# F! N

     數(shù)控車床的毛坯常用棒料或鑄鍛件，加工余量較

, u8 P/ T* i. ]+ K/ e! ~8 K

大,，但加工的零件形狀較為簡(jiǎn)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(dòng)形成掃

掠體之間耗時(shí)的布爾運(yùn)算,，將毛坯沿 Z 向進(jìn)行離散,，

將毛坯離散成單位高度的小圓柱，每個(gè)小圓柱稱為一

個(gè)薄片,，每個(gè)薄片的厚度根據(jù)精度和顯示效果的要求

" @. T% q h! C$ u

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

; j2 \- x) O% g7 ?3 d' x

如下:

struct PieceCylinder

{

: h* e- m8 U( K! {) b

double m_dZSt;///////起始 Z 坐標(biāo)

/ y/ ~+ V! h6 o& @

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

, A2 W% Y/ u* {7 ^

double m_dROutSt;////外圓起點(diǎn)半徑值

double m_dROutEd;///外圓終點(diǎn)半徑值

double m_dInSt;///內(nèi)圓起點(diǎn)半徑值

! d2 {+ E* Q! ^/ a# R

double m_dInEd;////內(nèi)圓終點(diǎn)半徑值

7 ~# T1 `$ L# _

BOOL m_bIsDelete;//////該部分薄片是否被切除

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

* ]) V R+ I( I' ~3 m

};

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

能進(jìn)行鏜孔和鉆孔操作,，因而每個(gè)薄片不但要記錄所

9 V- \6 k% W$ V+ e5 ]

在位置的外圓半徑,，還要記錄內(nèi)孔的半徑。為了光滑

7 ~& }/ d$ }9 U+ P: R

的顯示加工的復(fù)雜回轉(zhuǎn)面,，如圓弧面,、雙曲面等，每

個(gè)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

" n J8 E. r6 C8 i

外圓,、內(nèi)孔的半徑根據(jù)加工中的刀路軌跡單獨(dú)計(jì)算和

' M0 X1 W7 Z, K6 ?. d) S

存儲(chǔ)。

    在車削加工過程中,，一方面工件繞其自身的回轉(zhuǎn)

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(dòng),，并逐漸從工件上切除多元的材料,，加工出

( {$ C# u, |; C

所需的外形，每一步刀具所掃掠出的均是一個(gè)多邊形,。

根據(jù)每一步的插補(bǔ)指令,，求解出該步刀具所掃掠出的

8 u! O, v/ ~6 C- V# 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

部分的半徑值,。將修改半徑后的工件重新繪制出來,，

% N6 P1 @0 e$ E* N" M" z8 M, j' z6 ]

即可完成仿真過程的實(shí)時(shí)繪制。

0 p, L; K' {% N. Z. F0 R* K

３ 運(yùn)行實(shí)例　

& l' o! s0 R$ \% X- z3 z0 R1 F

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

I! Z7 S! U- T, f

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

* ?) _* a& u4 p

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

2 n7 }) o0 V. k# R$ ^

面車削固定循環(huán)，圖3為G71精車后的效果圖,。圖4為

! t% G# D$ V; u: C9 B# g" h# R' f

G72粗車過程中截圖,。

* Z4 b) h5 U/ p) a* L5 L' e9 Y

O1234

Sffice:smarttags" />1200M3

T0101

- \4 o3 y: A \" H# h3 Z7 v

G50X100Z50

7 L* `* X7 q1 t R' ~; k0 ^0 b

G0X80Z5

G71U3R0.2

G71P00Q60U0.2W0.1F200

N00G0X6Z1

N10G1X10Z-3

6 l! x& k+ e: L6 S

N20G1W-15

& c' I& X% d# ^' p; K5 l

N30G2U30W-15R15

: }- Q/ `9 D ^3 C! T

N40G1W-30

1 @- j6 ~: p- ]* G/ R* h+ d

N50G3U30W-15R15

8 H+ @/ L' Z" ~* F& }0 Y

N50G1U10W-10

7 E h/ ]+ B0 L) ?" _0 k* Z/ l

N60G1W-70

N70G0X100Z50

- t1 O' M) k+ @5 m

G0X30Z5

$ r% B. l/ s' y9 r/ _" x

G70P10Q60

G0X120Z20

% y. G) A! P) c8 J' d

M30

O1235;G72橫向切削復(fù)合循環(huán)

2 V3 A9 M: E' L/ v! x& R6 ^

S1200M3

; L( {. ]+ }+ |% \$ i, t8 t1 ^

T0101

* O( L) W) }, [8 H$ t/ z( ~

G50X50Z50

G0X32Z5

G72U2R0.2

G72P10Q50U0.2W0.1F200;呼叫子程序

( B6 l0 d# y o1 s& s

N10G0X80Z-80

N20G1X60Z-70F100

3 G$ F, p5 l) D& i/ r

N30W8

* `1 ^1 b$ I% F2 f6 R! x

N40G3X30W15R15

N50G1X18Z2

N60G0X100Z50

G0X30Z5

G70P10Q50

G0X100Z50

5 `. A7 }2 f- W7 v$ W

M30

3 s2 `1 @$ \6 E" |) |; ]& a

４ 結(jié)論　

0 M$ q( t Y! R0 d8 g+ d2 D

   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 a& g" _! h! E% h6 J% p1 W0 b

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

# Z1 u- @# ~) H. w$ h! n' p

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,。