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

. r6 x4 F3 d7 p |7 [1 }. `2 }7 \, S: c; M

顯示技術與計算機仿真技術在制造領域的綜合發展和

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

示范，并預測評價產品性能和產品的可制造性。數控

(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

此，在數控機床上加工零件之前一般要進行數控程序

" k3 \* @# V- L/ k6 _8 ]

(NC 代碼)校驗，并進行首件試切。但這種傳統的試切

( v4 v0 n4 }! u/ |! [. j% Q

方法來檢驗刀具路徑既費時又費力。隨著數控編程技

術的發展，人們采用視覺檢查 NC 刀具軌跡的二維線

! z! j. k( v9 g( Y# s: W* q8 \0 k

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

- A N, {5 Y' S* o

般的用戶無法判斷其正確性。通過數控加工三維幾何

仿真能夠使 NC 編程人員和機床操作者通過圖形顯示

5 c9 w# U* @$ M7 F1 o

進行干涉和碰撞檢查，校驗數控程序，故可以大大減

; C- v8 U- N, I3 ~+ }+ R

少上述情況的發生，提高數控編程效率和質量。

5 I5 S9 `9 t* Y- B

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

# u' m- L- f0 [& I! t

圖形庫能夠制作出高質量的三維圖形和高質量的動畫

/ @6 U& b5 I5 M8 W' ~9 h

效果。因而整個虛擬加工的３Ｄ顯示引擎選用ＯｐｅｎＧＬ來

; V$ }* ^4 S) F1 l) d

實現。考慮到Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋功能強大，開發出的系統執

. s. |; e: z6 ^: F6 A/ g1 `0 k4 S4 k

行效率高，且便于控制ＯｐｅｎＧＬ，因而選用Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋

* \3 Q+ N% \+ w' R9 O. j8 S0 U& [

作為整個虛擬加工系統的開發工具。通過對數控車床

及其加工過程進行仿真，動態顯示產品加工過程和結

# H- J7 f$ n# J( l% W4 Z/ N: `

果，以實現產品零件的虛擬加工，并驗證ＮＣ程序的正

1 `% h, ?: A. ]7 o8 ~7 o& b$ G

確性。

3 Y) o4 r6 D0 |: y) f( @, [2 x2 y

圖１為系統的設計流程圖。　

( i7 D! L) s0 E2 M- S

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

; b2 T9 ^: _' U/ g. M: C+ ]

正確性檢查，故要求系統能夠在加工之前通知操作人

, H# F8 h& a: j: W2 L0 k

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

對NC程序進行編碼。根據編譯原理的思想[1,2],構造出

NC程序編譯模塊，對NC程序進行語法和詞法檢查。

0 n8 x U( m& t$ \, o8 [( z

比如檢查地址符字母是否大寫，上下程序段之間的邏

3 H! Y. ?$ d) i. Q! h \7 E. w

輯關系是否正確，圓弧的終點、圓心、半徑值等是否

. S0 O# A' W; I9 k) z j" D5 k& v9 `

匹配，子程序調用時子程序號是否正確，程序開始字

, U' G0 w1 Z2 x: S- L

符，程序號，程序主體，程序結束代碼和程序結束字

符等是否完整等等。通過詞法和語法檢查指出錯誤發

) O3 v+ g6 x. Q( f; N

生的位置，給出錯誤的原因。使得虛擬加工系統能夠

輔助用戶學習NC程序的編制。　

" O- x1 T, \/ d, K6 Z% g

２．２虛擬車床本體的搭建　

     在數控加工幾何仿真系統中，首先要建立虛擬加

4 N$ ] j: C8 R. m0 ]- K

工環境，實現虛擬數控機床。由于機床是由許多零部

件組成，結構較為復雜，用OpenGL函數進行造型工作

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

中直接讀取ＳＴＬ文件，并將其裝配起來。在繪制機床時

- S% N/ m' c$ m4 G( S$ b. D6 c

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，

滿足實時繪制的要求。圖２為虛擬車床的效果圖。　

$ U, h9 ^; ?7 E& p- I

２．３ 數控加工過程仿真實現　

; f# ]4 Y' N" x* c

     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，

' w& Q5 [& v/ M4 M

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精度和顯示效果的要求

) I) o' T* }; E8 M( u- ] F) A

來確定，精度越高，切的越薄。每個薄片的數據結構

如下:

: t, y( `5 z2 p

struct PieceCylinder

{

double m_dZSt;///////起始 Z 坐標

double m_dZEd;//////結束 Z 坐標

! z; h2 ^, Q( Q% p: V

double m_dROutSt;////外圓起點半徑值

double m_dROutEd;///外圓終點半徑值

" I/ J/ _* u" e) k7 x

double m_dInSt;///內圓起點半徑值

- _# a" ^$ a1 V2 J3 l% m' E

double m_dInEd;////內圓終點半徑值

( v! M. F/ r' A) r9 A( f. O

BOOL m_bIsDelete;//////該部分薄片是否被切除

! k9 S! w& U. I! _) D7 w+ F: @

PiesCylinder* m_pNext;/////下一個薄片數據

, _. ^6 g1 G8 O8 \

};

. P( L5 n- E9 w

    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

0 f- V9 v, F* C2 h* t

在位置的外圓半徑，還要記錄內孔的半徑。為了光滑

的顯示加工的復雜回轉面，如圓弧面、雙曲面等，每

# C! |: ]1 b9 C; s

個薄片在 Z 軸方向分為起點和終點。其起點和終點處

外圓、內孔的半徑根據加工中的刀路軌跡單獨計算和

9 H3 o1 ?+ |# V7 L: I* E8 }

存儲。

    在車削加工過程中，一方面工件繞其自身的回轉

" t- P( w q" e9 C6 R% ?" g0 e' _6 |

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

1 Y* v3 S, J, P

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

0 `4 h- c' v; P! b/ @3 O

多邊形。將刀具掃掠出的多邊形和離散后的工件模型

( |" M" k( U7 F

求交，并相應修改工件上所有和刀具掃掠多邊形相交

4 a# _/ q# |6 L7 u9 Y; \' }

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。

1 }1 p% f; A# c6 j! ^/ b% Y$ Y/ \

３ 運行實例　

' V# L9 t, T: r% X" N7 e) D

    為了驗證系統的仿真效果，進行了兩個加工實例

% R J8 A- ~2 K9 t

研究。由于固定循環的實現比較有代表性，故這里選

3 c2 S9 t: E+ W# ]7 j4 g

用固定循環來進行研究。程序O1234是G71外圓粗車固

7 d: O% {, U, j6 w5 f; U3 T& j

定循環里面包含G70的精車循環，程序O1235是G72端

面車削固定循環，圖3為G71精車后的效果圖。圖4為

G72粗車過程中截圖。

O1234

$ S- s9 J9 z5 Z7 T

Sffice:smarttags" />1200M3

Q C! t2 a% o. }6 `

T0101

1 Q! G$ K$ L* |7 `

G50X100Z50

) u9 G7 d3 a4 v! k: f

G0X80Z5

G71U3R0.2

( f% U- J5 s6 J8 @0 h+ |7 M

G71P00Q60U0.2W0.1F200

6 l7 t: D( I) ^) u

N00G0X6Z1

, Q( V: L, M0 a1 d% \ O

N10G1X10Z-3

N20G1W-15

; i, p, _ h$ N( s1 P

N30G2U30W-15R15

% L6 h5 \: S) b( W

N40G1W-30

: p' w* J+ _# [. H5 g) I7 A! e' Y2 [

N50G3U30W-15R15

4 y( i' f' c$ t2 x

N50G1U10W-10

N60G1W-70

3 _% y: a! x, I5 F+ Z& Z

N70G0X100Z50

G0X30Z5

; O: ?, { k6 d$ @2 q# l/ }0 B

G70P10Q60

# g5 {) f: j0 p8 G* t

G0X120Z20

! W; l8 A, n6 j. J' z

M30

: S( L8 Y2 Z& v) \. a

1 G1 {# B) l0 W; x; T/ ?

O1235;G72橫向切削復合循環

S1200M3

T0101

; d* H1 d# y% u: J/ b: `

G50X50Z50

G0X32Z5

G72U2R0.2

G72P10Q50U0.2W0.1F200;呼叫子程序

N10G0X80Z-80

N20G1X60Z-70F100

N30W8

- @! N6 M9 ?; Z$ q; j/ y3 N' H

N40G3X30W15R15

N50G1X18Z2

4 F" i9 W0 v, B/ w

N60G0X100Z50

@& j& I. l# m; |( B y1 F

G0X30Z5

; q7 B; N2 m2 \& n2 u

G70P10Q50

G0X100Z50

9 X) \; u; [$ I$ L% X) ]; }4 q3 Q: q

M30

; C" H$ W5 x2 ~# M& F. q

４ 結論　

, M+ i, r* t& i/ v! |

   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

工系統可廣泛應用于真實加工前進行仿真試切，在工

業培訓、數控教學等行業中，具有廣泛的應用前景。