車床虛擬加工系統(tǒng)實現(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)與計算機仿真技術(shù)在制造領(lǐng)域的綜合發(fā)展和

應(yīng)用。VM 的實質(zhì)是“計算中的制造”，即在計算機中

6 w# h5 G% Z s+ p$ c

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

(NC)車削程序的編制過程與工藝過程相似，都具有經(jīng)

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

6 `7 e9 `0 t$ _

此，在數(shù)控機床上加工零件之前一般要進行數(shù)控程序

(NC 代碼)校驗，并進行首件試切。但這種傳統(tǒng)的試切

! ~6 _) O# V) A# b" U" d5 R

方法來檢驗刀具路徑既費時又費力。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

框圖，這種方法主要依賴于程序員對易錯區(qū)選擇的判

% C& z0 _* |, V' l2 J

斷和對該區(qū)域復(fù)雜的刀具軌跡線框圖的理解程度，一

& v/ ]; k4 b5 Q3 T+ p

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 編程人員和機床操作者通過圖形顯示

進行干涉和碰撞檢查，校驗數(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。

１ 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)　

r, e+ Z5 z E* y

    由于OpenGL適用于多種硬件平臺及操作系統(tǒng)，其

% J- H" z. V% ?# O) l# |

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

. B' L) }4 Y: H e1 ^" n6 l

效果。因而整個虛擬加工的３Ｄ顯示引擎選用ＯｐｅｎＧＬ來

1 V* g8 }/ I! t- w, j5 D

實現(xiàn)。考慮到Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋功能強大，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＋＋

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

/ l; {9 q9 v- L; Z! w

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

果，以實現(xiàn)產(chǎn)品零件的虛擬加工，并驗證ＮＣ程序的正

確性。

4 j% v l3 `* X, _. H* h) `

圖１為系統(tǒng)的設(shè)計流程圖。　

２ 系統(tǒng)功能實現(xiàn)　

' N/ T$ ^% d1 j( y- v: u

２．１　ＮＣ程序編譯　

    由于虛擬加工系統(tǒng)主要用于工業(yè)培訓及ＮＣ代碼的

正確性檢查，故要求系統(tǒng)能夠在加工之前通知操作人

員ＮＣ程序中是否存在語法錯誤，上下程序段間的邏輯

0 c4 t' ]# e s' f, q+ L4 x6 Y# Q" z

關(guān)系是否正確等，故選用編譯方式而不是解釋方式來

( A# k( q) r! n% `

對NC程序進行編碼。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程序進行語法和詞法檢查。

4 m; G& n( U0 D9 T

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、圓心、半徑值等是否

, a4 D; [" n7 G U5 O8 s# x

匹配，子程序調(diào)用時子程序號是否正確，程序開始字

% d7 B+ e* @4 T: B

符，程序號，程序主體，程序結(jié)束代碼和程序結(jié)束字

* M! x1 Y! F5 A

符等是否完整等等。通過詞法和語法檢查指出錯誤發(fā)

9 }3 J% Q9 a* d( v8 d8 O/ j3 ]; U7 D

生的位置，給出錯誤的原因。使得虛擬加工系統(tǒng)能夠

4 r" @& Y6 g) Z* s& S, V/ G0 B7 y

輔助用戶學習NC程序的編制。　

3 p. F7 b3 j6 q3 r' }

２．２虛擬車床本體的搭建　

% R s) z4 O8 e

     在數(shù)控加工幾何仿真系統(tǒng)中，首先要建立虛擬加

工環(huán)境，實現(xiàn)虛擬數(shù)控機床。由于機床是由許多零部

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

8 Z& E4 M3 L$ N5 z/ M, B9 n9 d# s3 X

量太大，故先在ＣＡＤ軟件Ｐｒｏ／Ｅ中造型出數(shù)控機床各個

8 c& y- R3 ?4 s1 R

零部件，將其導出成標準的三維數(shù)據(jù)格式ＳＴＬ，在程序

/ t6 a0 Z, J9 H# X

中直接讀取ＳＴＬ文件，并將其裝配起來。在繪制機床時

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，

滿足實時繪制的要求。圖２為虛擬車床的效果圖。　

: F+ F6 W+ E' J T% f

２．３ 數(shù)控加工過程仿真實現(xiàn)　

9 h4 P c, Z+ k x% _$ l

     數(shù)控車床的毛坯常用棒料或鑄鍛件，加工余量較

大，但加工的零件形狀較為簡單，一般都是回轉(zhuǎn)體零

: {9 Y0 |; n, i9 ?# Z

件。為了避免材料切除過程中毛坯與刀具運動形成掃

" p1 h; T& p e9 p

掠體之間耗時的布爾運算，將毛坯沿 Z 向進行離散，

5 e# G* @7 L1 o2 f, c! W7 g+ \

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

/ R8 U4 J3 L* A0 @8 N

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

d7 D, m4 I) D

如下:

! p; e4 c# b* B# ?

struct PieceCylinder

& [$ o8 y1 k+ W8 z Y: E; B

{

double m_dZSt;///////起始 Z 坐標

% F7 M/ F; R3 X: r/ x) u$ n

double m_dZEd;//////結(jié)束 Z 坐標

double m_dROutSt;////外圓起點半徑值

double m_dROutEd;///外圓終點半徑值

4 \' p c) C$ E8 s$ n% L8 N* b& }

double m_dInSt;///內(nèi)圓起點半徑值

double m_dInEd;////內(nèi)圓終點半徑值

) g* O( g( K2 w" j* n L# S- m, s

BOOL m_bIsDelete;//////該部分薄片是否被切除

, q- ^* E, S1 K9 j2 h$ K

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

T7 _) ]" c) y; \: I

};

    由于車削加工的回轉(zhuǎn)體常常有內(nèi)孔，車削時也可

能進行鏜孔和鉆孔操作，因而每個薄片不但要記錄所

1 m# D1 U3 I* O% k4 J; X9 ^* L

在位置的外圓半徑，還要記錄內(nèi)孔的半徑。為了光滑

' U$ R3 ~8 ^3 C( [0 a

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 軸方向分為起點和終點。其起點和終點處

" L) `/ s: R% D4 W. E4 ^$ W

外圓、內(nèi)孔的半徑根據(jù)加工中的刀路軌跡單獨計算和

存儲。

    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。

根據(jù)每一步的插補指令，求解出該步刀具所掃掠出的

多邊形。將刀具掃掠出的多邊形和離散后的工件模型

' L3 g6 G8 p5 l2 N/ V

求交，并相應(yīng)修改工件上所有和刀具掃掠多邊形相交

" z N, ~( M% @3 I% ^: T

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時繪制。

３ 運行實例　

    為了驗證系統(tǒng)的仿真效果，進行了兩個加工實例

研究。由于固定循環(huán)的實現(xiàn)比較有代表性，故這里選

用固定循環(huán)來進行研究。程序O1234是G71外圓粗車固

+ g3 [& l1 I3 J8 j/ w

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

面車削固定循環(huán)，圖3為G71精車后的效果圖。圖4為

[; W5 w6 a- }5 m, B) @6 n

G72粗車過程中截圖。

O1234

3 E3 o% L# I! g$ m& i, d

Sffice:smarttags" />1200M3

0 ?' S! [, f0 q' [) J8 G2 x- M

T0101

G50X100Z50

3 ]5 h Z4 p. l) o! @! h

G0X80Z5

G71U3R0.2

G71P00Q60U0.2W0.1F200

; U0 Q" H' u0 p8 D3 a+ Z* G: I

N00G0X6Z1

, ?7 j5 | Z5 Y( a+ A

N10G1X10Z-3

N20G1W-15

N30G2U30W-15R15

N40G1W-30

9 f4 ^( w+ V6 G# E3 y3 \) [

N50G3U30W-15R15

N50G1U10W-10

1 d, c* C1 M6 x$ C3 ^/ [

N60G1W-70

N70G0X100Z50

+ K2 R B8 ^# J8 ]- q

G0X30Z5

G70P10Q60

" k4 Z- N) y4 n7 Y

G0X120Z20

M30

0 P, J. d3 j4 R

O1235;G72橫向切削復(fù)合循環(huán)

* m1 U6 I5 b! u% X* l0 C

S1200M3

: D, Y0 A6 U* `7 M9 P% G( d! t) h: l

T0101

G50X50Z50

G0X32Z5

4 h/ ?; ?* q" R, _

G72U2R0.2

+ M3 j* X& h% L! q6 o7 J

G72P10Q50U0.2W0.1F200;呼叫子程序

6 ~' s4 h/ R* c3 g

N10G0X80Z-80

9 E; i B+ u9 Y

N20G1X60Z-70F100

- j! E" R7 E. O0 I( h% k7 D

N30W8

N40G3X30W15R15

N50G1X18Z2

" U$ S. |2 r, E6 X: _& A

N60G0X100Z50

% ~$ [. l8 m1 h9 A; ^' A+ e

G0X30Z5

* J8 F4 r1 J) L

G70P10Q50

G0X100Z50

" ~; o. f, ?1 a: {* G3 Z" ` `; H* v

M30

$ m. N, @2 Q) O

４ 結(jié)論　

   詳細介紹了車床虛擬加工系統(tǒng)的一種實現(xiàn)方法，

并采用這種方法實現(xiàn)了車床虛擬加工系統(tǒng)。該虛擬加

8 a1 t) \. t4 q4 p5 I1 x z

工系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于真實加工前進行仿真試切，在工

9 q. V" o$ H! I, D7 i9 _2 B

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