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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" />

. y, e7 S2 V n i! r" N( |

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

1 U* m4 ?2 m6 \2 h: v' K' {( ^

顯示技術與計算機仿真技術在制造領域的綜合發展和

9 \# \8 O2 E2 s* P5 A/ {

應用。VM 的實質是“計算中的制造”，即在計算機中

8 j: ~: z4 V2 ~1 F8 H

借助建模與仿真技術及時地完成制造全過程的模擬和

4 {' I# x9 ]* ?# D, `

示范，并預測評價產品性能和產品的可制造性。數控

( @% C4 C- L2 `( c

(NC)車削程序的編制過程與工藝過程相似，都具有經

# U9 M4 Y" h- z) Z" A

驗性和動態性，在程序編制過程中經常發生錯誤。為

; x C. W5 @/ p. u+ A0 s5 v

此，在數控機床上加工零件之前一般要進行數控程序

5 b! c( ]. a. r( a

(NC 代碼)校驗，并進行首件試切。但這種傳統的試切

' Y) T; [0 q/ [8 G. l% [4 {2 x

方法來檢驗刀具路徑既費時又費力。隨著數控編程技

2 D5 H7 B! w' k1 W4 G) l+ L# F

術的發展，人們采用視覺檢查 NC 刀具軌跡的二維線

1 x* ~ ~: l5 h. {: Q* y, G

框圖，這種方法主要依賴于程序員對易錯區選擇的判

$ ]' D* B, A7 Y2 b3 b' O9 M0 Q

斷和對該區域復雜的刀具軌跡線框圖的理解程度，一

1 J% L8 e/ H# S I) J1 _( n( `

般的用戶無法判斷其正確性。通過數控加工三維幾何

2 k' S( K( A+ N% c. k: ^$ p# i

仿真能夠使 NC 編程人員和機床操作者通過圖形顯示

* }/ A* F* e: T

進行干涉和碰撞檢查，校驗數控程序，故可以大大減

% \2 d$ @6 `& H& x/ U. M9 C: u

少上述情況的發生，提高數控編程效率和質量。

L- [+ m% V f3 F- v" p; q

１ 系統總體結構　

' v% ?- r6 |# ]! A+ {

    由于OpenGL適用于多種硬件平臺及操作系統，其

4 T& w8 Z: p2 C6 l6 b2 @) z9 @9 Z

圖形庫能夠制作出高質量的三維圖形和高質量的動畫

3 k' H, l- e7 _ n5 S' H/ M

效果。因而整個虛擬加工的３Ｄ顯示引擎選用ＯｐｅｎＧＬ來

) _' V: l8 g8 m( F5 K

實現。考慮到Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋功能強大，開發出的系統執

0 c' r# B, H9 Z6 [4 S

行效率高，且便于控制ＯｐｅｎＧＬ，因而選用Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋

& M" }* e4 D$ ^. {! G3 k6 K6 @+ K

作為整個虛擬加工系統的開發工具。通過對數控車床

: U) ~2 I' W: z+ M) T2 O' Q

及其加工過程進行仿真，動態顯示產品加工過程和結

) D: D/ k7 s+ t! g$ a3 ?3 o

果，以實現產品零件的虛擬加工，并驗證ＮＣ程序的正

5 s+ @+ H1 X% ]

確性。

) J! P/ ?0 \( F8 o ^4 T0 [

. y* x$ M" I/ [. j. H$ }& ^ ?

圖１為系統的設計流程圖。　

! n- x7 s0 w3 G# B8 M( ` C0 E

２ 系統功能實現　

* U, k* a1 R' O0 ]* N

２．１　ＮＣ程序編譯　

6 M! n/ U. S' K9 s9 X1 V& j8 l

    由于虛擬加工系統主要用于工業培訓及ＮＣ代碼的

. v( }( | b$ d0 r: @0 d3 M/ R

正確性檢查，故要求系統能夠在加工之前通知操作人

Q. H, _- @2 a9 y0 M

員ＮＣ程序中是否存在語法錯誤，上下程序段間的邏輯

4 c) b; Y. B/ Q- R/ p: j* ^! F* O; f

關系是否正確等，故選用編譯方式而不是解釋方式來

+ v" \) W% o9 k; Z

對NC程序進行編碼。根據編譯原理的思想[1,2],構造出

5 s: ]- m0 n; p4 I

NC程序編譯模塊，對NC程序進行語法和詞法檢查。

" k) D0 N7 ?# R$ s5 ?8 u6 ]

比如檢查地址符字母是否大寫，上下程序段之間的邏

: |+ z/ O" i9 D; _* X

輯關系是否正確，圓弧的終點、圓心、半徑值等是否

- B! s G3 F2 [1 G

匹配，子程序調用時子程序號是否正確，程序開始字

- x6 {8 U) t4 ~# f6 T

符，程序號，程序主體，程序結束代碼和程序結束字

8 c3 `2 T2 N7 W o) N

符等是否完整等等。通過詞法和語法檢查指出錯誤發

# b" k* z' i6 L) f* \6 _* P

生的位置，給出錯誤的原因。使得虛擬加工系統能夠

( Y/ I2 ~) u5 u7 O* O

輔助用戶學習NC程序的編制。　

; D% A8 k" n4 H) @8 m

２．２虛擬車床本體的搭建　

/ X' p5 f8 M0 r: a

     在數控加工幾何仿真系統中，首先要建立虛擬加

4 K0 e* P) y2 j0 L) S3 u6 A2 z

工環境，實現虛擬數控機床。由于機床是由許多零部

4 u9 S0 \: F- p" {# R! T

件組成，結構較為復雜，用OpenGL函數進行造型工作

) ]# p0 E F4 v5 G- F+ z ^

量太大，故先在ＣＡＤ軟件Ｐｒｏ／Ｅ中造型出數控機床各個

9 N) T& e( r7 w/ S0 k0 f2 t

零部件，將其導出成標準的三維數據格式ＳＴＬ，在程序

" h+ q& A+ Q3 Q; N

中直接讀取ＳＴＬ文件，并將其裝配起來。在繪制機床時

M/ [4 r3 f$ M& P( T

利用了ＯｐｅｎＧＬ顯示列表技術，將每個零部件都生成一

: J. o3 a" p0 c' l# W

個ＯｐｅｎＧＬ的顯示列表，這樣可以大幅度提高重繪效率，

4 E3 c1 b1 i$ o6 |4 C7 G

滿足實時繪制的要求。圖２為虛擬車床的效果圖。　

( D/ W5 [: a; T" p

" c% k' D. f5 T8 }/ C* m

２．３ 數控加工過程仿真實現　

; {6 ^. s$ a2 ?4 d( T/ C

     數控車床的毛坯常用棒料或鑄鍛件，加工余量較

7 b, p3 q( i; b4 I" A% o6 `

大，但加工的零件形狀較為簡單，一般都是回轉體零

) N! ]4 ` J) p9 |( a+ c

件。為了避免材料切除過程中毛坯與刀具運動形成掃

5 c5 N% e" Q K. Q' |0 \1 y- T

掠體之間耗時的布爾運算，將毛坯沿 Z 向進行離散，

: g5 U. F% \$ f$ j' [2 l6 T

將毛坯離散成單位高度的小圓柱，每個小圓柱稱為一

6 u0 U' ^3 T8 M( D5 ?; N/ O+ f

個薄片，每個薄片的厚度根據精度和顯示效果的要求

, l$ z& Q/ \# _$ k. [# D. B u

來確定，精度越高，切的越薄。每個薄片的數據結構

8 N$ P4 r) W2 w! m! k7 @

如下:

& F1 s, f% [0 K2 `3 P/ ^0 G

struct PieceCylinder

4 g8 @* Z2 k! {- y4 j* t& E. s

{

! O! R7 F" R7 W1 ^1 Q

double m_dZSt;///////起始 Z 坐標

, L2 p0 Z! D2 R; K1 X! ^. X& F$ l

double m_dZEd;//////結束 Z 坐標

# j7 t( |( V$ z* v) ]3 b" D4 P

double m_dROutSt;////外圓起點半徑值

- e& t' P7 ~7 r/ u7 L2 L/ n' r

double m_dROutEd;///外圓終點半徑值

4 `+ o+ ]( d" F' ~9 N" j# U' N# ^

double m_dInSt;///內圓起點半徑值

7 l; t8 F F. Y; w

double m_dInEd;////內圓終點半徑值

! ]3 S( h/ S; y# d1 P& }8 ~

BOOL m_bIsDelete;//////該部分薄片是否被切除

1 a' \. o" u, A( ^

PiesCylinder* m_pNext;/////下一個薄片數據

( y& U8 t& E) a7 F* O% g9 ]# d

};

3 t" t) p3 M. n4 F! c" C8 S8 `- W

    由于車削加工的回轉體常常有內孔，車削時也可

" N. |4 Y+ n# I3 }8 t

能進行鏜孔和鉆孔操作，因而每個薄片不但要記錄所

4 a! G1 ^9 b! r6 \& `# i# ?

在位置的外圓半徑，還要記錄內孔的半徑。為了光滑

! C+ Y- L" f h2 s+ `# s/ V8 G. I

的顯示加工的復雜回轉面，如圓弧面、雙曲面等，每

5 @- \0 h j @+ C, z% M

個薄片在 Z 軸方向分為起點和終點。其起點和終點處

. G, `5 G) F; B1 _ c/ H! W1 {

外圓、內孔的半徑根據加工中的刀路軌跡單獨計算和

5 j2 s! ]' e7 e$ z

存儲。

0 @* J: s" J, M' K: j6 J z

    在車削加工過程中，一方面工件繞其自身的回轉

) B* l7 d/ P. X5 F. g

軸高速旋轉，另一方面刀具在工件的軸平面內沿 X 軸、

) J7 X$ `: t# @" L8 |( @) U* r

Z 軸運動，并逐漸從工件上切除多元的材料，加工出

8 j. I* Q5 `3 }

所需的外形，每一步刀具所掃掠出的均是一個多邊形。

- \5 [" a, V: ^6 g; T+ N& B$ ?

根據每一步的插補指令，求解出該步刀具所掃掠出的

* r6 w1 K" e/ Z( J5 V7 U4 g

多邊形。將刀具掃掠出的多邊形和離散后的工件模型

% i- h) Z. x* F; O& o( C

求交，并相應修改工件上所有和刀具掃掠多邊形相交

3 l1 t% G% S/ {$ U0 w$ H5 U |8 |

部分的半徑值。將修改半徑后的工件重新繪制出來，

( e2 T% ?; `8 m3 O0 ~' A

即可完成仿真過程的實時繪制。

. V7 S. G, l! B/ i( I; ]; h

３ 運行實例　

: }* { P5 A8 J# y

    為了驗證系統的仿真效果，進行了兩個加工實例

& K8 {7 j) e" I0 `! g

研究。由于固定循環的實現比較有代表性，故這里選

6 t) t8 h) B" h& }7 q

用固定循環來進行研究。程序O1234是G71外圓粗車固

" e" m5 `3 E% i9 w3 M, w

定循環里面包含G70的精車循環，程序O1235是G72端

2 C- Z, [2 ~, C5 r U: `

面車削固定循環，圖3為G71精車后的效果圖。圖4為

: B. k- g3 C h4 }- W8 Q" N; R

G72粗車過程中截圖。

$ l8 m1 l* |5 ]# M9 }! T

O1234

( [- ]- d4 t) D

Sffice:smarttags" />1200M3

+ u' ^+ `* K8 `! y* L0 N; V

T0101

7 A: f1 { n, L6 u7 R5 {; E7 d/ {

G50X100Z50

' ~% W- B; y4 X- L8 x2 X

G0X80Z5

; t$ P/ k( O; F

G71U3R0.2

0 m: F _6 C u5 ^3 R7 W0 n* D2 C

G71P00Q60U0.2W0.1F200

4 a6 T! I; r. ~5 @7 U; C

N00G0X6Z1

! R2 c' t- t+ l% H7 ~6 N/ V

N10G1X10Z-3

8 F" I7 a/ _4 ~4 l

N20G1W-15

/ {$ z7 V6 d0 ^' \8 f

N30G2U30W-15R15

+ o7 B' n" K' K) J$ A" c$ k1 k

N40G1W-30

" W2 R/ f$ r: |

N50G3U30W-15R15

$ J+ P3 r5 K3 _2 C* |. B0 }; \

N50G1U10W-10

, `( D% G, ~ V5 H

N60G1W-70

/ h$ |! W; \4 O" `% S) {

N70G0X100Z50

: u, }, ]/ M; O4 G/ o5 c( `+ g @

G0X30Z5

( ~1 }) z! B7 y

G70P10Q60

- R. G% `& m$ _. n4 `( m. O

G0X120Z20

}! W9 X% u* h- P# `

M30

b: g' \, r6 D6 w: U

7 [' Z: T; z0 R3 [( `; P7 W/ P+ {

O1235;G72橫向切削復合循環

+ k% N, @- ]7 X, u+ z7 [4 H

S1200M3

) S) q) U5 N* Z y& P2 r

T0101

1 C/ W. E# A) \1 |9 N5 K

G50X50Z50

* W: N% T7 j& N7 j

G0X32Z5

* w y7 }1 k$ Z4 P% S) H

G72U2R0.2

7 P$ ~: G/ F( M2 K8 I) W; Z

G72P10Q50U0.2W0.1F200;呼叫子程序

+ o5 i# H4 l( V

N10G0X80Z-80

3 G" O4 T$ u9 S% d7 {

N20G1X60Z-70F100

+ c* P- n. b7 f* x7 t

N30W8

F2 {; K! s7 q7 o# O, Z u, n

N40G3X30W15R15

2 u% H+ d* K# u" q# K- I

N50G1X18Z2

) ]' r2 q6 X7 v

N60G0X100Z50

# r/ w+ @) j' U% j

G0X30Z5

$ O8 ?) X- |$ X1 n

G70P10Q50

* w$ |/ K( L$ B4 f" h5 ]

G0X100Z50

2 L+ ?# \! `9 b! k9 x1 k' T M

M30

/ t( p& _) b( O; Q5 r/ ~/ }

: S9 J. ^5 L2 n

４ 結論　

0 F5 m5 ]0 v9 a% [+ k: @1 P

   詳細介紹了車床虛擬加工系統的一種實現方法，

. Y8 t; S* G+ o/ |% w/ ]# W1 p

并采用這種方法實現了車床虛擬加工系統。該虛擬加

* i! P7 I$ O. W7 x. c2 F& U3 T

工系統可廣泛應用于真實加工前進行仿真試切，在工

; ?2 S- v+ B3 E, `4 w0 _

業培訓、數控教學等行業中，具有廣泛的應用前景。

; f( c8 t. u# o

 





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