車床虛擬加工系統實現方法研究

老鷹

引言　fficeffice" />

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

* }' X9 u/ l1 T

顯示技術與計算機仿真技術在制造領域的綜合發展和

7 h; B3 p. \2 Q) F7 X' B

應用。VM 的實質是“計算中的制造”，即在計算機中

借助建模與仿真技術及時地完成制造全過程的模擬和

; p ~3 g# o5 G! U

示范，并預測評價產品性能和產品的可制造性。數控

" Z/ c" Q/ r$ n1 ]

(NC)車削程序的編制過程與工藝過程相似，都具有經

驗性和動態性，在程序編制過程中經常發生錯誤。為

% t5 v& V: |9 w% z2 }

此，在數控機床上加工零件之前一般要進行數控程序

(NC 代碼)校驗，并進行首件試切。但這種傳統的試切

方法來檢驗刀具路徑既費時又費力。隨著數控編程技

, @4 {# t& U/ \' C

術的發展，人們采用視覺檢查 NC 刀具軌跡的二維線

- C' Y n! C; e* X, v

框圖，這種方法主要依賴于程序員對易錯區選擇的判

斷和對該區域復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。通過數控加工三維幾何

/ m8 a2 I7 A/ ~7 L* Q

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，校驗數控程序，故可以大大減

少上述情況的發生，提高數控編程效率和質量。

１ 系統總體結構　

    由于OpenGL適用于多種硬件平臺及操作系統，其

2 } ^& K0 n- c3 l' O7 Z) g

圖形庫能夠制作出高質量的三維圖形和高質量的動畫

效果。因而整個虛擬加工的３Ｄ顯示引擎選用ＯｐｅｎＧＬ來

# v0 _$ b5 H% E5 @$ F

實現。考慮到Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋功能強大，開發出的系統執

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的開發工具。通過對數控車床

" d7 t" b3 y7 p6 T8 o% O+ u% v

及其加工過程進行仿真，動態顯示產品加工過程和結

果，以實現產品零件的虛擬加工，并驗證ＮＣ程序的正

* O% E3 P# E7 Q& _- w, W' f+ a

確性。

圖１為系統的設計流程圖。　

２ 系統功能實現　

２．１　ＮＣ程序編譯　

    由于虛擬加工系統主要用于工業培訓及ＮＣ代碼的

正確性檢查，故要求系統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

關系是否正確等，故選用編譯方式而不是解釋方式來

3 }& Z! C4 H: v; e: z

對NC程序進行編碼。根據編譯原理的思想[1,2],構造出

5 `* {) P0 I/ L: w$ q/ {6 k

NC程序編譯模塊，對NC程序進行語法和詞法檢查。

) Z* Q) Z) c# h) W# q% ~

比如檢查地址符字母是否大寫，上下程序段之間的邏

1 ?. g# h0 ~2 L0 f

輯關系是否正確，圓弧的終點、圓心、半徑值等是否

匹配，子程序調用時子程序號是否正確，程序開始字

5 p1 ^5 U6 K2 _8 m3 c4 ]9 ?2 R

符，程序號，程序主體，程序結束代碼和程序結束字

$ |2 n' k% S0 y p

符等是否完整等等。通過詞法和語法檢查指出錯誤發

生的位置，給出錯誤的原因。使得虛擬加工系統能夠

F" y/ q' W. p0 F9 \8 ~: u

輔助用戶學習NC程序的編制。　

; D) m8 c) j2 R- @% D

２．２虛擬車床本體的搭建　

+ H. b- y' w3 S0 w

     在數控加工幾何仿真系統中，首先要建立虛擬加

工環境，實現虛擬數控機床。由于機床是由許多零部

5 a$ ^% o- f* q% z0 \$ U

件組成，結構較為復雜，用OpenGL函數進行造型工作

& x+ r) u. Y! Y

量太大，故先在ＣＡＤ軟件Ｐｒｏ／Ｅ中造型出數控機床各個

零部件，將其導出成標準的三維數據格式ＳＴＬ，在程序

- \$ C5 l, f3 I& D2 y

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，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，

4 I$ o7 [! B8 M. p2 g

滿足實時繪制的要求。圖２為虛擬車床的效果圖。　

6 u2 L* I4 H1 ~7 o( U" r) i" y5 t

２．３ 數控加工過程仿真實現　

     數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，

# I4 I& |$ d: h0 ?, i

將毛坯離散成單位高度的小圓柱，每個小圓柱稱為一

[5 n8 Z! Z2 G/ F. e* t6 }0 ^1 U& N

個薄片，每個薄片的厚度根據精度和顯示效果的要求

1 t6 H8 _! K) N+ j% |9 `* q |

來確定，精度越高，切的越薄。每個薄片的數據結構

如下:

struct PieceCylinder

{

double m_dZSt;///////起始 Z 坐標

( b/ e; F% o# a* c+ p

double m_dZEd;//////結束 Z 坐標

double m_dROutSt;////外圓起點半徑值

double m_dROutEd;///外圓終點半徑值

# |; T) i' k2 j" x' q* d/ a

double m_dInSt;///內圓起點半徑值

double m_dInEd;////內圓終點半徑值

' ]8 |5 v$ A; h: P* m0 D$ U$ s

BOOL m_bIsDelete;//////該部分薄片是否被切除

PiesCylinder* m_pNext;/////下一個薄片數據

};

    由于車削加工的回轉體常常有內孔，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

( d6 t, z' C* P; N" t

在位置的外圓半徑，還要記錄內孔的半徑。為了光滑

; z% D5 R& ?3 r3 V: P

的顯示加工的復雜回轉面，如圓弧面、雙曲面等，每

+ @# W6 T# K6 p5 O' A0 ~

個薄片在 Z 軸方向分為起點和終點。其起點和終點處

4 y/ r+ t. X- V5 [9 k8 _

外圓、內孔的半徑根據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

( q# D2 V4 B9 Y) c

軸高速旋轉，另一方面刀具在工件的軸平面內沿 X 軸、

Z 軸運動，并逐漸從工件上切除多元的材料，加工出

4 S3 c) b; ]% m. n4 E/ T

所需的外形，每一步刀具所掃掠出的均是一個多邊形。

根據每一步的插補指令，求解出該步刀具所掃掠出的

, e0 E& O F4 L ?

多邊形。將刀具掃掠出的多邊形和離散后的工件模型

) K+ I9 h' z N. g0 J8 E. U1 U' J

求交，并相應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。

３ 運行實例　

    為了驗證系統的仿真效果，進行了兩個加工實例

" p1 \+ D& f) H' D2 M, M

研究。由于固定循環的實現比較有代表性，故這里選

用固定循環來進行研究。程序O1234是G71外圓粗車固

: z4 _+ @; r$ g3 _/ e, n7 n7 u

定循環里面包含G70的精車循環，程序O1235是G72端

# P2 s% ~+ T/ \+ S

面車削固定循環，圖3為G71精車后的效果圖。圖4為

# n- q& b* X& \* x

G72粗車過程中截圖。

O1234

Sffice:smarttags" />1200M3

+ ~, c! [4 T, k( F

T0101

G50X100Z50

8 j* I& {; S) A' V' U% t9 y" E

G0X80Z5

2 }# M1 n0 W) R3 s% U% V4 {) Y

G71U3R0.2

1 U8 ~; Q% n7 |, m; t5 r

G71P00Q60U0.2W0.1F200

- X$ m2 { u; Q

N00G0X6Z1

N10G1X10Z-3

N20G1W-15

8 K) {, r( e& K) o# o+ H* E

N30G2U30W-15R15

5 ]. m! a7 |8 U( v/ [# |& E

N40G1W-30

N50G3U30W-15R15

]6 p! \$ k( G& L

N50G1U10W-10

; U5 V1 T8 M: {6 n5 H4 Y

N60G1W-70

2 _' n0 f3 v0 U& u! ]+ V, K9 b+ j1 e

N70G0X100Z50

! c1 F8 N+ E8 u% G

G0X30Z5

G70P10Q60

G0X120Z20

4 y' [! S C% a3 a% Q; ~

M30

O1235;G72橫向切削復合循環

0 l3 _ i. z. c2 G- E! A

S1200M3

T0101

' o! ?5 _' _- J; {

G50X50Z50

G0X32Z5

G72U2R0.2

G72P10Q50U0.2W0.1F200;呼叫子程序

N10G0X80Z-80

2 b# ^8 z3 o, D

N20G1X60Z-70F100

* }# E7 ?5 q1 w* w

N30W8

; w8 s5 u, C- L6 v5 q

N40G3X30W15R15

N50G1X18Z2

N60G0X100Z50

* C4 g: g1 i2 y7 q8 c

G0X30Z5

% @ v& b' n% | i+ j

G70P10Q50

& k6 Z' M- [: N' @2 f

G0X100Z50

& g6 z9 ]: t5 |

M30

) b* Z, B3 l [8 Q3 K7 B

. @8 q0 m( E2 J& R9 {$ d

４ 結論　

   詳細介紹了車床虛擬加工系統的一種實現方法，

并采用這種方法實現了車床虛擬加工系統。該虛擬加

; c7 s2 G. E& w. D7 J

工系統可廣泛應用于真實加工前進行仿真試切，在工

9 L) z0 m: h5 @! O

業培訓、數控教學等行業中，具有廣泛的應用前景。

1 }4 z% ]' j! W1 e& j