車床虛擬加工系統(tǒng)實現(xiàn)方法研究

老鷹

引言　fficeffice" />

F4 o4 g- K6 j8 |

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

0 T( Y+ l. C. i

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

, ]; {$ o) S: w/ }2 f& X

應(yīng)用。VM 的實質(zhì)是“計算中的制造”，即在計算機中

5 N1 b6 C1 m: l

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

; B+ P- Y8 r2 ]' T* Q+ q

(NC)車削程序的編制過程與工藝過程相似，都具有經(jīng)

0 g5 l- Z+ Z8 r4 i9 a( Q

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

此，在數(shù)控機床上加工零件之前一般要進行數(shù)控程序

' j6 ?1 |( @, b, u0 y

(NC 代碼)校驗，并進行首件試切。但這種傳統(tǒng)的試切

* P/ h4 }1 F+ [/ C. G

方法來檢驗刀具路徑既費時又費力。隨著數(shù)控編程技

0 c4 B& w) h% r% i' u. B

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

+ u8 D @) L. a

斷和對該區(qū)域復(fù)雜的刀具軌跡線框圖的理解程度，一

9 n0 }! w' B$ f+ Q

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

) Y3 N4 {( D9 D9 ]

進行干涉和碰撞檢查，校驗數(shù)控程序，故可以大大減

8 W, k; ^) f; ? M) @3 m

少上述情況的發(fā)生，提高數(shù)控編程效率和質(zhì)量。

, i9 b: I O4 C; S( U7 L

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

效果。因而整個虛擬加工的３Ｄ顯示引擎選用ＯｐｅｎＧＬ來

8 D) t2 d" P4 j6 X

實現(xiàn)。考慮到Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋功能強大，開發(fā)出的系統(tǒng)執(zhí)

9 ~7 N) z- F: i1 |, f) @

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

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。

圖１為系統(tǒng)的設(shè)計流程圖。　

# z) j4 r5 {% v$ B

２ 系統(tǒng)功能實現(xiàn)　

1 I7 H; r, y4 j+ [3 ^* a |

２．１　ＮＣ程序編譯　

( S- C+ S; u* T* e9 V) H$ m

    由于虛擬加工系統(tǒng)主要用于工業(yè)培訓(xùn)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

4 }: _- H/ T7 V2 q

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

7 [" W! f. l# Z8 H( m$ _8 V

對NC程序進行編碼。根據(jù)編譯原理的思想[1,2],構(gòu)造出

1 r+ L' ?3 y! @# ?( X* M6 N% _

NC程序編譯模塊，對NC程序進行語法和詞法檢查。

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、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

符，程序號，程序主體，程序結(jié)束代碼和程序結(jié)束字

4 s0 M9 Y# k# n' y& i

符等是否完整等等。通過詞法和語法檢查指出錯誤發(fā)

% @) f. O% I, {9 ]6 U

生的位置，給出錯誤的原因。使得虛擬加工系統(tǒng)能夠

* E4 d3 G' T$ W

輔助用戶學習NC程序的編制。　

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

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

$ {, M1 ]' x' @- n. a4 v

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

2 h0 A1 D$ U+ S5 A* p" a( V |( E

量太大，故先在ＣＡＤ軟件Ｐｒｏ／Ｅ中造型出數(shù)控機床各個

* H$ ^: ] O, V1 G9 d q

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

中直接讀取ＳＴＬ文件，并將其裝配起來。在繪制機床時

+ b# T! M! ~" P% A3 |

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，

+ h/ ^* o( z( p# x0 J/ o

滿足實時繪制的要求。圖２為虛擬車床的效果圖。　

- v2 L* ]" ^* h. w

２．３ 數(shù)控加工過程仿真實現(xiàn)　

" I/ E/ i) u4 v4 l( 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

件。為了避免材料切除過程中毛坯與刀具運動形成掃

掠體之間耗時的布爾運算，將毛坯沿 Z 向進行離散，

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

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

1 r$ H0 W% g; u& ]& q3 O

如下:

struct PieceCylinder

{

* @' | H# N# D- N4 u

double m_dZSt;///////起始 Z 坐標

double m_dZEd;//////結(jié)束 Z 坐標

9 J8 j' M5 ^+ F* w: m% A+ P; n- L9 A: e

double m_dROutSt;////外圓起點半徑值

. s F' s4 P: I) B6 [

double m_dROutEd;///外圓終點半徑值

" W5 U! O0 s& v% p8 R) Y

double m_dInSt;///內(nèi)圓起點半徑值

: R6 X5 A# ^9 b. h$ {3 ?+ B

double m_dInEd;////內(nèi)圓終點半徑值

; L1 Z0 ^' E- g. x; i

BOOL m_bIsDelete;//////該部分薄片是否被切除

" s6 U; E2 I4 V' G0 V0 l& a& o

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

' `6 h& X& U2 C: J% |8 V+ x$ d, p

};

f v7 e2 s; V7 \- c, V- S

    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

4 t& A1 \* [$ D* C$ J! V

在位置的外圓半徑，還要記錄內(nèi)孔的半徑。為了光滑

' o- d+ }- T/ t

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

外圓、內(nèi)孔的半徑根據(jù)加工中的刀路軌跡單獨計算和

+ c( D! |- |" K+ R5 B* c5 h

存儲。

- B7 Z# ]* |* c7 H3 t# G

    在車削加工過程中，一方面工件繞其自身的回轉(zhuǎn)

& G0 d' A" {, H8 c/ G8 \. q

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

0 _7 E& R7 Y, Z9 O9 [

所需的外形，每一步刀具所掃掠出的均是一個多邊形。

; [' A6 ?0 O! T' h

根據(jù)每一步的插補指令，求解出該步刀具所掃掠出的

# [9 a1 C/ z! _+ I7 q! V

多邊形。將刀具掃掠出的多邊形和離散后的工件模型

0 L9 |2 Z9 F$ F3 J5 e' C+ i

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，

即可完成仿真過程的實時繪制。

4 d2 ?1 M. `0 [6 O/ C

３ 運行實例　

: A4 K0 b6 q( [# {8 c

    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

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

' D& ^6 Q$ ^6 a1 d+ Y/ y0 y

G72粗車過程中截圖。

O1234

5 {- B5 d" N7 @( I" H

Sffice:smarttags" />1200M3

T0101

G50X100Z50

5 m8 u# Y+ M( U: o

G0X80Z5

* L8 U3 `; x0 O: v7 ~

G71U3R0.2

G71P00Q60U0.2W0.1F200

N00G0X6Z1

N10G1X10Z-3

N20G1W-15

N30G2U30W-15R15

. s6 w! C) }8 @" Y5 T h( B

N40G1W-30

N50G3U30W-15R15

N50G1U10W-10

N60G1W-70

i! `( \2 J' m* d/ Q( h

N70G0X100Z50

' Z" W$ {" _+ F

G0X30Z5

( E9 l h9 Q% h& V8 l! A+ n m2 s7 @

G70P10Q60

G0X120Z20

M30

& g( {& I4 H6 d$ [1 s, D" K

O1235;G72橫向切削復(fù)合循環(huán)

* C: Y# x4 g: r' q7 [) C

S1200M3

T0101

G50X50Z50

& |6 C1 \ L2 T4 J$ ?$ _5 s

G0X32Z5

G72U2R0.2

( `7 S+ ]! k$ [7 }

G72P10Q50U0.2W0.1F200;呼叫子程序

/ h" J! Z7 S7 N( m5 _* Z

N10G0X80Z-80

- p: o- Z+ T, D0 N

N20G1X60Z-70F100

- F% ?1 c' p1 e$ J* q1 }

N30W8

N40G3X30W15R15

N50G1X18Z2

% S0 J5 d8 h2 C0 Y( g) L& q0 i

N60G0X100Z50

G0X30Z5

G70P10Q50

1 K! R% T; ]0 J6 F" Q

G0X100Z50

M30

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

工系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于真實加工前進行仿真試切，在工

0 w! x! ^: e2 S) H: t% B5 |8 H1 |8 t

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