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

9 v" B; ^) e4 d4 W* c! F

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

1 f) E/ ?# I/ S" @

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

示范，并預(yù)測評(píng)價(jià)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(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

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

3 w J! G( ~1 k/ f

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

4 M. A' R& v4 [

術(shù)的發(fā)展，人們采用視覺檢查 NC 刀具軌跡的二維線

3 H" r9 J6 U3 N$ S, ]: a9 q) R

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

2 L. S( e3 U( X1 e0 o

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

般的用戶無法判斷其正確性。通過數(shù)控加工三維幾何

: W9 ?9 w0 b1 G# {0 Y: o7 o

仿真能夠使 NC 編程人員和機(jī)床操作者通過圖形顯示

1 r& N( O) g) J* F- {" B2 \

進(jìn)行干涉和碰撞檢查，校驗(yàn)數(shù)控程序，故可以大大減

7 j) W# H5 B3 S

少上述情況的發(fā)生，提高數(shù)控編程效率和質(zhì)量。

% N/ \2 }$ e8 w& E$ i

１ 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)　

( }2 w; q' f3 O9 ~6 n0 \% ^8 D; ]: {

    由于OpenGL適用于多種硬件平臺(tái)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(dòng)畫

% F+ Y( x8 p2 Q6 r4 N& ^2 g

效果。因而整個(gè)虛擬加工的３Ｄ顯示引擎選用ＯｐｅｎＧＬ來

3 q' Q# W0 m) q

實(shí)現(xiàn)。考慮到Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋功能強(qiáng)大，開發(fā)出的系統(tǒng)執(zhí)

% G2 }) ~" Z. q' Z: D, J/ `# U

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)

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

; O4 q6 {; V0 `. d( M6 v6 u

確性。

" z: {% s9 v# g( k3 Y5 _* e& C4 W

圖１為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程圖。　

２ 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)　

4 e& f J, T \9 u+ h. C

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(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

員ＮＣ程序中是否存在語法錯(cuò)誤，上下程序段間的邏輯

% g: O! \5 [+ G% [# \* A' o5 {0 t! g

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

3 ]2 @# M- B0 r- ]

NC程序編譯模塊，對(duì)NC程序進(jìn)行語法和詞法檢查。

% B! S4 j: x L2 S/ f4 s

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

' Z. `& T- v- H8 i

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

符等是否完整等等。通過詞法和語法檢查指出錯(cuò)誤發(fā)

) M e. f1 k8 d5 d- ^# X# w; K

生的位置，給出錯(cuò)誤的原因。使得虛擬加工系統(tǒng)能夠

/ v) z- G/ G7 z! e

輔助用戶學(xué)習(xí)NC程序的編制。　

! T! C }! l. W7 B/ t" P

２．２虛擬車床本體的搭建　

9 \8 R' ~( G- X; w

     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(shí)現(xiàn)虛擬數(shù)控機(jī)床。由于機(jī)床是由許多零部

9 z8 P# A0 ~3 m

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

9 w9 u- s! v4 U& q

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

% J! d+ V1 R' x0 V/ S

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

. Q6 ^; g2 C }- @* R

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，

滿足實(shí)時(shí)繪制的要求。圖２為虛擬車床的效果圖。　

２．３ 數(shù)控加工過程仿真實(shí)現(xiàn)　

     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(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

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)

' Q$ g& K, ?. ?3 M8 d1 n4 `

如下:

struct PieceCylinder

{

double m_dZSt;///////起始 Z 坐標(biāo)

" F3 b& {; f! \! V/ u/ L# Z

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

; d0 I, g4 H! ?, w1 f& K% H

double m_dROutSt;////外圓起點(diǎn)半徑值

& d3 f0 c6 M# Y1 o" p* c

double m_dROutEd;///外圓終點(diǎn)半徑值

double m_dInSt;///內(nèi)圓起點(diǎn)半徑值

double m_dInEd;////內(nèi)圓終點(diǎn)半徑值

BOOL m_bIsDelete;//////該部分薄片是否被切除

+ {& ]$ r5 ^$ T) Q* g y

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

};

0 ^. T- m/ ]/ c* l/ H. g2 H

    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

: b$ G8 D3 _# R

在位置的外圓半徑，還要記錄內(nèi)孔的半徑。為了光滑

/ D6 x! F7 W+ s; a+ f/ P; u1 u

的顯示加工的復(fù)雜回轉(zhuǎn)面，如圓弧面、雙曲面等，每

: `# i: \1 x4 e. p1 J- B2 d7 P

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

: b6 Z, T6 k! `% ^

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

# ]8 @8 c8 i/ P

存儲(chǔ)。

5 _& p6 y5 X% n

    在車削加工過程中，一方面工件繞其自身的回轉(zhuǎn)

. A! b5 K7 H, M) a5 Y

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

所需的外形，每一步刀具所掃掠出的均是一個(gè)多邊形。

4 m; x5 Q' C& c" r* n: W( ]

根據(jù)每一步的插補(bǔ)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

求交，并相應(yīng)修改工件上所有和刀具掃掠多邊形相交

9 L: d: b" t! |& T# Y

部分的半徑值。將修改半徑后的工件重新繪制出來，

, m. u1 k0 L+ B. ]# e

即可完成仿真過程的實(shí)時(shí)繪制。

, H: J9 L* W) X: I" j& P# S) M& P( ~' O1 G

３ 運(yùn)行實(shí)例　

    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

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

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

G72粗車過程中截圖。

O1234

0 ?8 ]( p2 I) h9 y) l

Sffice:smarttags" />1200M3

T0101

G50X100Z50

G0X80Z5

- Q+ u! g$ n7 A

G71U3R0.2

9 W7 U( q i2 B" S, w2 B

G71P00Q60U0.2W0.1F200

+ Y7 M y% Y+ }; r& Q+ Q

N00G0X6Z1

' B5 P" `' {% @% ?5 w! r

N10G1X10Z-3

# @- z+ Q% v) M/ M8 G+ }

N20G1W-15

N30G2U30W-15R15

N40G1W-30

+ o" h6 W+ |% T2 |3 ]2 @0 B* q

N50G3U30W-15R15

N50G1U10W-10

0 a: n1 X5 r |/ I0 T6 H; z

N60G1W-70

* P! T, p: t- S! ~/ o& h. {

N70G0X100Z50

" J y% G) c5 N! d! A$ K

G0X30Z5

. }! }+ I7 u' K; z' U

G70P10Q60

# R5 z- j" l4 @ ~8 A6 R# n2 [

G0X120Z20

M30

|4 A# F/ X& e2 @: C

7 H7 I( i) B$ V8 ?# h6 |' V" j' c

O1235;G72橫向切削復(fù)合循環(huán)

S1200M3

8 t! z) X+ k& {" `# v( ^2 b1 J

T0101

G50X50Z50

G0X32Z5

G72U2R0.2

% {; Q4 q2 u O" B

G72P10Q50U0.2W0.1F200;呼叫子程序

N10G0X80Z-80

. J6 i. m! r$ N) Q

N20G1X60Z-70F100

N30W8

N40G3X30W15R15

* I- W! {. ?" k! [! S

N50G1X18Z2

* D. F1 d2 Q1 @1 a9 H

N60G0X100Z50

I: u2 S% Z$ @# k7 m X( O+ @: ^# Q

G0X30Z5

G70P10Q50

G0X100Z50

/ O1 {* v6 {- B/ P

M30

% X) w' p+ R1 M f# O

４ 結(jié)論　

   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

' V. |0 F4 D& K/ |, Z1 R E

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

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。

$ _+ a& X' ?; }9 i& o. v