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機械社區

標題: 車床虛擬加工系統實現方法研究 [打印本頁]
作者: 老鷹    時間: 2006-4-28 09:29
標題: 車床虛擬加工系統實現方法研究

引言　fficeffice" />

% _- E7 `# H& G( e% s4 H9 U

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

6 ~ R0 I4 l ~/ n* y' c

顯示技術與計算機仿真技術在制造領域的綜合發展和

/ N g& U$ G9 O) O

應用。VM 的實質是“計算中的制造”，即在計算機中

2 o/ J, X0 J8 D9 [) b# e& l8 y$ b

借助建模與仿真技術及時地完成制造全過程的模擬和

7 o' @# r# R3 K

示范，并預測評價產品性能和產品的可制造性。數控

2 @" F$ N6 T" W# W' f

(NC)車削程序的編制過程與工藝過程相似，都具有經

& x& K+ g2 x9 v

驗性和動態性，在程序編制過程中經常發生錯誤。為

% P! z$ R% }: ~: T& x

此，在數控機床上加工零件之前一般要進行數控程序

8 c* @1 S$ d. Y7 O

(NC 代碼)校驗，并進行首件試切。但這種傳統的試切

* j! I- B1 j" ~2 ]3 ~" S: Q

方法來檢驗刀具路徑既費時又費力。隨著數控編程技

- z3 X3 w7 |) u/ T) W

術的發展，人們采用視覺檢查 NC 刀具軌跡的二維線

- T( M4 t" {- ~; j

框圖，這種方法主要依賴于程序員對易錯區選擇的判

! m0 G9 B5 T: a" o

斷和對該區域復雜的刀具軌跡線框圖的理解程度，一

, J, d1 d+ m% U7 b/ S# x) @

般的用戶無法判斷其正確性。通過數控加工三維幾何

& U/ L. D2 R7 U1 \# |8 y; @5 o

仿真能夠使 NC 編程人員和機床操作者通過圖形顯示

$ M. L; f+ C4 r; m2 w# n6 @. r

進行干涉和碰撞檢查，校驗數控程序，故可以大大減

4 `2 u' H! P- @4 Q+ c7 W+ n* H

少上述情況的發生，提高數控編程效率和質量。

8 v! I! G* Z8 I5 T y1 `5 q, x0 c9 b

１ 系統總體結構　

# x8 W9 _% G' i, I& t& F# }

    由于OpenGL適用于多種硬件平臺及操作系統，其

; H' m) H/ d% K% C2 n! e4 W

圖形庫能夠制作出高質量的三維圖形和高質量的動畫

8 y" M4 S/ y) b. I8 i

效果。因而整個虛擬加工的３Ｄ顯示引擎選用ＯｐｅｎＧＬ來

# Z8 k' v2 _% E) [/ @

實現。考慮到Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋功能強大，開發出的系統執

- e. o- O2 a. v* B# w6 r

行效率高，且便于控制ＯｐｅｎＧＬ，因而選用Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋

- v; e& d' r9 J% j" `# v( m

作為整個虛擬加工系統的開發工具。通過對數控車床

7 [/ a+ M* d2 X9 k. ?

及其加工過程進行仿真，動態顯示產品加工過程和結

0 b+ r+ f4 ?# L+ V; H& {) H) c

果，以實現產品零件的虛擬加工，并驗證ＮＣ程序的正

5 S; p; N. I5 i# H4 C

確性。

. {- m" M. L& n3 \( x! A0 x

% F7 ? q7 P5 Z" m1 U4 {6 w4 A* S

圖１為系統的設計流程圖。　

' r0 T8 w0 {: q6 E/ a

２ 系統功能實現　

0 ?/ C5 x9 f" j$ u6 t

２．１　ＮＣ程序編譯　

* f8 ]! P2 Y; n; V& G3 |

    由于虛擬加工系統主要用于工業培訓及ＮＣ代碼的

6 c, L- f# {; n* Z( O* \

正確性檢查，故要求系統能夠在加工之前通知操作人

/ n( ^/ S. ?1 z

員ＮＣ程序中是否存在語法錯誤，上下程序段間的邏輯

1 L- a7 n: t, B

關系是否正確等，故選用編譯方式而不是解釋方式來

' R8 W5 }# B. r+ d$ l( t

對NC程序進行編碼。根據編譯原理的思想[1,2],構造出

' v& [) q6 S3 @2 D5 H

NC程序編譯模塊，對NC程序進行語法和詞法檢查。

8 C4 p& [- H2 V1 f" U) B

比如檢查地址符字母是否大寫，上下程序段之間的邏

8 M9 t, I9 l9 J. N$ K* s

輯關系是否正確，圓弧的終點、圓心、半徑值等是否

; ^, e% \( u4 j+ I

匹配，子程序調用時子程序號是否正確，程序開始字

* ?% M; C2 I+ z5 q, H9 x9 V( R

符，程序號，程序主體，程序結束代碼和程序結束字

+ \3 j! }7 R& s O4 E% V

符等是否完整等等。通過詞法和語法檢查指出錯誤發

8 @) }2 b V2 C2 k5 T0 q

生的位置，給出錯誤的原因。使得虛擬加工系統能夠

# A5 @7 I- {% _6 b

輔助用戶學習NC程序的編制。　

6 m b: Y8 C% P/ Z0 o. p

２．２虛擬車床本體的搭建　

7 R. y p- o& A7 u( F8 {

     在數控加工幾何仿真系統中，首先要建立虛擬加

8 ^# Y1 N9 P- s8 @* j" y$ d# D

工環境，實現虛擬數控機床。由于機床是由許多零部

* C7 m+ j8 _3 i, t5 C# I2 Q

件組成，結構較為復雜，用OpenGL函數進行造型工作

4 Z' Z: F8 G2 _. V D2 C

量太大，故先在ＣＡＤ軟件Ｐｒｏ／Ｅ中造型出數控機床各個

( K) Z3 O; x) N6 ]9 v* Y5 N

零部件，將其導出成標準的三維數據格式ＳＴＬ，在程序

7 ?6 e( m" T1 D

中直接讀取ＳＴＬ文件，并將其裝配起來。在繪制機床時

( H3 L9 \ i( n$ H1 P

利用了ＯｐｅｎＧＬ顯示列表技術，將每個零部件都生成一

2 n( r3 b6 n! P* }

個ＯｐｅｎＧＬ的顯示列表，這樣可以大幅度提高重繪效率，

) B; i8 w: b" R6 t; P4 v

滿足實時繪制的要求。圖２為虛擬車床的效果圖。　

% R; S1 c& k4 U5 S& Q

) I; c2 f8 x; X

２．３ 數控加工過程仿真實現　

7 f1 J6 i) \! P" [' x6 h

     數控車床的毛坯常用棒料或鑄鍛件，加工余量較

/ {" n3 e7 C6 c6 A4 ~9 q

大，但加工的零件形狀較為簡單，一般都是回轉體零

; T7 K' m, P- O0 e& ?) o, X

件。為了避免材料切除過程中毛坯與刀具運動形成掃

- e- d W+ g u

掠體之間耗時的布爾運算，將毛坯沿 Z 向進行離散，

C( m4 P7 E' ?$ Y( p$ y0 M

將毛坯離散成單位高度的小圓柱，每個小圓柱稱為一

4 q; E5 h+ i- }( R6 }% N

個薄片，每個薄片的厚度根據精度和顯示效果的要求

8 v) w; ?8 U i3 c

來確定，精度越高，切的越薄。每個薄片的數據結構

; p1 T6 E8 W. u8 T9 w% k

如下:

$ o9 d" M0 S% h4 H: j

struct PieceCylinder

1 a2 u( I* n2 ~# m# I8 {. H4 Q" I

{

0 ]: J. V0 B5 p0 ?

double m_dZSt;///////起始 Z 坐標

3 U4 J/ t8 J: G) g" y, z4 i

double m_dZEd;//////結束 Z 坐標

+ j5 Y9 [2 j$ u5 V! m3 F: g. N

double m_dROutSt;////外圓起點半徑值

6 Q, A7 r. C, n6 }

double m_dROutEd;///外圓終點半徑值

0 f% x" p. c: A2 P5 n

double m_dInSt;///內圓起點半徑值

" T# c* r1 U/ E( T$ w0 p4 w) t! r

double m_dInEd;////內圓終點半徑值

2 O. S1 }" W( D1 u: D6 y

BOOL m_bIsDelete;//////該部分薄片是否被切除

) E0 l* L: U2 L+ c0 F* v

PiesCylinder* m_pNext;/////下一個薄片數據

3 h* s# s3 L( j5 c2 { K

};

4 t B7 W0 t) l

    由于車削加工的回轉體常常有內孔，車削時也可

" V" P f( X6 E4 l9 R

能進行鏜孔和鉆孔操作，因而每個薄片不但要記錄所

" g- |& |+ s4 h9 G5 a4 B0 s

在位置的外圓半徑，還要記錄內孔的半徑。為了光滑

) V, M5 d' E$ w3 f4 U

的顯示加工的復雜回轉面，如圓弧面、雙曲面等，每

6 b( e) _! s% i' {$ D* |2 m' ^" |; F

個薄片在 Z 軸方向分為起點和終點。其起點和終點處

2 W' I5 N$ Y9 n. M. x

外圓、內孔的半徑根據加工中的刀路軌跡單獨計算和

* x$ Q1 W! y' U* z/ v. n( p8 s

存儲。

) u3 P1 B# u; H# r' v4 y- @

    在車削加工過程中，一方面工件繞其自身的回轉

' ]3 v6 M/ Q- L, M+ b- G6 _

軸高速旋轉，另一方面刀具在工件的軸平面內沿 X 軸、

1 j; t7 ]( P0 n0 n

Z 軸運動，并逐漸從工件上切除多元的材料，加工出

' I$ [4 }. w" |, c0 }7 V8 h$ O

所需的外形，每一步刀具所掃掠出的均是一個多邊形。

8 S$ J" n/ ?" y! k# g/ o' K

根據每一步的插補指令，求解出該步刀具所掃掠出的

6 v0 E* @. k& k9 J: e

多邊形。將刀具掃掠出的多邊形和離散后的工件模型

. [' ^& W5 C# c- Q" I

求交，并相應修改工件上所有和刀具掃掠多邊形相交

5 o- ]) o; n$ m8 B: A7 y

部分的半徑值。將修改半徑后的工件重新繪制出來，

3 ^( L7 _! }! h5 i: Q! X

即可完成仿真過程的實時繪制。

* l$ w6 _- j/ N* E. A

３ 運行實例　

; i" e2 @ d( {# P

    為了驗證系統的仿真效果，進行了兩個加工實例

. ^# q0 R' o( D$ `+ E

研究。由于固定循環的實現比較有代表性，故這里選

5 N. T# z6 x6 `

用固定循環來進行研究。程序O1234是G71外圓粗車固

. \3 s, o- u) m6 j

定循環里面包含G70的精車循環，程序O1235是G72端

- F! e' Y! O, v# @. l/ x

面車削固定循環，圖3為G71精車后的效果圖。圖4為

3 Z% J2 k, d: \

G72粗車過程中截圖。

3 P( e6 j0 P R" n5 K. L& h6 g9 u

O1234

- J2 Y9 C7 m; M" k; q1 d+ t

Sffice:smarttags" />1200M3

5 b( h5 j# p+ l/ ~$ b8 M/ f9 u

T0101

% x6 G6 E2 g( c6 F8 b) S4 v

G50X100Z50

/ h. \5 h* z8 [ x

G0X80Z5

7 e% A4 n. i" s7 _" u8 R8 ?0 X. [

G71U3R0.2

! y0 P( J2 d. Z, g* |: s

G71P00Q60U0.2W0.1F200

1 w" n* C: w" Y

N00G0X6Z1

5 i0 _ ?0 o, t, T( r( r3 B$ B

N10G1X10Z-3

$ q1 D0 T' D7 L1 n& T! e- I3 D

N20G1W-15

. F. m- R: v5 m _! m' a. D2 y* x, U2 d

N30G2U30W-15R15

) C% X7 B. O( y/ P

N40G1W-30

3 p R- @$ U' W% N

N50G3U30W-15R15

$ W$ V- u2 B; d/ u9 k

N50G1U10W-10

/ a) q2 Z& K# [/ u+ y$ e/ |

N60G1W-70

4 C. L x/ k& o; n; Y0 {$ ~6 i# G

N70G0X100Z50

% x0 E7 i7 A# s8 A# X

G0X30Z5

$ ` u) m2 g) O0 M1 z9 U/ U

G70P10Q60

I' o. M$ Q. `9 `

G0X120Z20

- v# w( N6 x1 J) J. X

M30

; c2 E0 W% D/ V8 A0 u' K( M; f

4 x, Z N4 Y Q! G$ |2 V( Z

O1235;G72橫向切削復合循環

$ g/ u6 x: ?4 E- D8 w' l2 Z" Q

S1200M3

7 r2 ^0 f. l! U$ M* S0 m, ^" c

T0101

5 Y% n3 \, F6 L/ a& ~ N

G50X50Z50

! N! z4 k- ?( ^6 S E* O1 T

G0X32Z5

6 v k2 o9 I) l- V; M

G72U2R0.2

! \7 s3 q7 M2 ?# N1 W0 O h

G72P10Q50U0.2W0.1F200;呼叫子程序

F: \9 F! O' t4 K( m

N10G0X80Z-80

. N* d! N9 w" B5 V0 c& j

N20G1X60Z-70F100

) ?2 C+ _: D% w! a

N30W8

% x* q* d7 [3 c; s0 J

N40G3X30W15R15

4 j, {! k; }$ C/ }$ I: T% W! p5 X" ~

N50G1X18Z2

8 C( \6 f; a! e+ X

N60G0X100Z50

: D% g. @/ s6 |/ j: g

G0X30Z5

+ u7 ?6 S7 `' r# v+ }

G70P10Q50

( X* p' s2 o" [1 V9 ~6 g

G0X100Z50

' G" z- ^+ Z2 @

M30

$ V0 g2 K; D5 Q2 l

. u7 X, H+ p/ [

４ 結論　

- Y | E% b# i+ k* K

   詳細介紹了車床虛擬加工系統的一種實現方法，

, V, A9 F4 X: ~. z' Z/ c

并采用這種方法實現了車床虛擬加工系統。該虛擬加

; p0 x) l* j' Y5 i

工系統可廣泛應用于真實加工前進行仿真試切，在工

4 M" l& ~: Q% M# \; M3 e9 B5 o6 p

業培訓、數控教學等行業中，具有廣泛的應用前景。

* ]' w& a0 N; N/ U- V

 





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