车床虚拟加工系统实现方法研究

老鹰

引言　fficeffice" />

B' v% ~0 n- K7 n9 T

    虚拟制造(Virtual Manufacturing VM)技术是虚拟

显示技术与计算机仿真技术在制造领域的综合发展和

2 O f5 [) g1 t6 G

应用。VM 的实质是“计算中的制造”，即在计算机中

3 u0 T) S% G) w9 a# N4 Z+ E# X6 u

借助建模与仿真技术及时地完成制造全过程的模拟和

示范，并预测评价产品性能和产品的可制造性。数控

(NC)车削程序的编制过程与工艺过程相似，都具有经

7 {" ]; f) o" T+ h! O+ c! B

验性和动态性，在程序编制过程中经常发生错误。为

此，在数控机床上加工零件之前一般要进行数控程序

(NC 代码)校验，并进行首件试切。但这种传统的试切

方法来检验刀具路径既费时又费力。随着数控编程技

c3 B0 V# q# C3 p& C5 }! y

术的发展，人们采用视觉检查 NC 刀具轨迹的二维线

框图，这种方法主要依赖于程序员对易错区选择的判

+ q/ B) j# R: k5 ^; T2 Z

断和对该区域复杂的刀具轨迹线框图的理解程度，一

) i( r% }7 S9 G4 r3 N

般的用户无法判断其正确性。通过数控加工三维几何

3 v( w4 [2 X/ z

仿真能够使 NC 编程人员和机床操作者通过图形显示

进行干涉和碰撞检查，校验数控程序，故可以大大减

! N4 v: J2 {! a

少上述情况的发生，提高数控编程效率和质量。

6 O6 T4 A- f3 O( Q3 l' Q7 D' v0 y8 R

１ 系统总体结构　

, I1 A& L& g4 i+ s+ t! l$ X

    由于OpenGL适用于多种硬件平台及操作系统，其

- B1 W& V/ S, v3 z: T

图形库能够制作出高质量的三维图形和高质量的动画

, v2 W% v% S; i% W. f

效果。因而整个虚拟加工的３Ｄ显示引擎选用ＯｐｅｎＧＬ来

实现。考虑到Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋功能强大，开发出的系统执

. v$ [) @- M C' j

行效率高，且便于控制ＯｐｅｎＧＬ，因而选用Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋

; H, q8 h/ e, E9 ^

作为整个虚拟加工系统的开发工具。通过对数控车床

* m& m9 |/ d% _ h2 R: I& Q

及其加工过程进行仿真，动态显示产品加工过程和结

\' ]3 x0 K9 M9 u

果，以实现产品零件的虚拟加工，并验证ＮＣ程序的正

2 b# y+ w/ a" D; X. c3 t4 w

确性。

图１为系统的设计流程图。　

8 y' W U% C% [' S

２ 系统功能实现　

0 M7 w1 r" o: [. I9 |0 [

２．１　ＮＣ程序编译　

' M# H2 f8 _( L& `8 a1 U4 F; n

    由于虚拟加工系统主要用于工业培训及ＮＣ代码的

/ K( N7 ^( J" q0 D

正确性检查，故要求系统能够在加工之前通知操作人

J" q5 g# M2 H6 V* l9 d

员ＮＣ程序中是否存在语法错误，上下程序段间的逻辑

* m% Q# c; S- x; ~9 m

关系是否正确等，故选用编译方式而不是解释方式来

' F" P4 I% Y, O+ [

对NC程序进行编码。根据编译原理的思想[1,2],构造出

% J- J4 l& j# u7 ?

NC程序编译模块，对NC程序进行语法和词法检查。

比如检查地址符字母是否大写，上下程序段之间的逻

辑关系是否正确，圆弧的终点、圆心、半径值等是否

匹配，子程序调用时子程序号是否正确，程序开始字

符，程序号，程序主体，程序结束代码和程序结束字

) A) l: w9 Q M5 o. M w! M: u. W

符等是否完整等等。通过词法和语法检查指出错误发

9 F4 e6 N" e* P1 i1 ~4 @+ a

生的位置，给出错误的原因。使得虚拟加工系统能够

辅助用户学习NC程序的编制。　

２．２虚拟车床本体的搭建　

     在数控加工几何仿真系统中，首先要建立虚拟加

" @& V, A4 U7 p" |* a( |

工环境，实现虚拟数控机床。由于机床是由许多零部

件组成，结构较为复杂，用OpenGL函数进行造型工作

6 [ z; U6 v" C% c

量太大，故先在ＣＡＤ软件Ｐｒｏ／Ｅ中造型出数控机床各个

6 O0 j8 U+ F: \4 B4 r

零部件，将其导出成标准的三维数据格式ＳＴＬ，在程序

中直接读取ＳＴＬ文件，并将其装配起来。在绘制机床时

% v, z. i$ t6 p% x% n

利用了ＯｐｅｎＧＬ显示列表技术，将每个零部件都生成一

个ＯｐｅｎＧＬ的显示列表，这样可以大幅度提高重绘效率，

. [- k9 l0 u. @: Z

满足实时绘制的要求。图２为虚拟车床的效果图。　

# X$ [) V$ G! {

3 ~+ @- ?& E- a( k2 r. M

２．３ 数控加工过程仿真实现　

8 b% u2 X" m' y$ b9 C0 V

     数控车床的毛坯常用棒料或铸锻件，加工余量较

" K. F0 u( ~$ D9 N7 ~4 V

大，但加工的零件形状较为简单，一般都是回转体零

件。为了避免材料切除过程中毛坯与刀具运动形成扫

3 h( R" y \, A- p0 b# E! C

掠体之间耗时的布尔运算，将毛坯沿 Z 向进行离散，

: e( a h2 o8 }+ i2 c4 g

将毛坯离散成单位高度的小圆柱，每个小圆柱称为一

0 @7 n @+ g% }0 N7 `, N8 \. \

个薄片，每个薄片的厚度根据精度和显示效果的要求

来确定，精度越高，切的越薄。每个薄片的数据结构

如下:

struct PieceCylinder

{

/ U h7 s0 `" I4 \. S7 S* U, _3 H

double m_dZSt;///////起始 Z 坐标

double m_dZEd;//////结束 Z 坐标

& v# W2 b4 H/ I/ u% p/ h2 o+ F

double m_dROutSt;////外圆起点半径值

( g% S& ~; a: i/ N' w

double m_dROutEd;///外圆终点半径值

double m_dInSt;///内圆起点半径值

double m_dInEd;////内圆终点半径值

BOOL m_bIsDelete;//////该部分薄片是否被切除

/ J2 X& [+ |& B' @% \! z

PiesCylinder* m_pNext;/////下一个薄片数据

};

0 g1 z/ w+ ]2 k0 @

    由于车削加工的回转体常常有内孔，车削时也可

0 X) f0 ~3 ]7 U/ Z

能进行镗孔和钻孔操作，因而每个薄片不但要记录所

在位置的外圆半径，还要记录内孔的半径。为了光滑

' B7 a3 J, H8 h9 G2 M4 k2 [1 H/ ]

的显示加工的复杂回转面，如圆弧面、双曲面等，每

' I. v& {9 {7 ~1 D; M( k

个薄片在 Z 轴方向分为起点和终点。其起点和终点处

7 ~2 j' x9 K- y/ ^3 b

外圆、内孔的半径根据加工中的刀路轨迹单独计算和

存储。

    在车削加工过程中，一方面工件绕其自身的回转

轴高速旋转，另一方面刀具在工件的轴平面内沿 X 轴、

8 u1 W- C# ?7 R M( P, B) q

Z 轴运动，并逐渐从工件上切除多元的材料，加工出

所需的外形，每一步刀具所扫掠出的均是一个多边形。

$ r+ n3 M; R2 l. a

根据每一步的插补指令，求解出该步刀具所扫掠出的

多边形。将刀具扫掠出的多边形和离散后的工件模型

# e3 K/ e, w, F

求交，并相应修改工件上所有和刀具扫掠多边形相交

r- _ H8 h: A

部分的半径值。将修改半径后的工件重新绘制出来，

即可完成仿真过程的实时绘制。

３ 运行实例　

    为了验证系统的仿真效果，进行了两个加工实例

研究。由于固定循环的实现比较有代表性，故这里选

用固定循环来进行研究。程序O1234是G71外圆粗车固

# [. D( Q& ^. c

定循环里面包含G70的精车循环，程序O1235是G72端

* r9 ? y+ |+ E1 R2 {

面车削固定循环，图3为G71精车后的效果图。图4为

G72粗车过程中截图。

9 U8 E+ u, T8 K' t6 G- G' B/ R

O1234

8 {. h# [) f( J( j/ X

Sffice:smarttags" />1200M3

- f" X& S/ [. v' J I( x

T0101

( j, f( b' a& L3 c4 l

G50X100Z50

2 ]0 [ X' n y7 t' H Q; A- ?5 Y$ P

G0X80Z5

G71U3R0.2

G71P00Q60U0.2W0.1F200

N00G0X6Z1

N10G1X10Z-3

7 x0 @3 B: Q0 ?, d% g5 V. t, {

N20G1W-15

/ [/ |1 h! n/ @; P. o0 d7 N& `) _ e

N30G2U30W-15R15

N40G1W-30

: Q3 Q, l: D8 M) J8 }

N50G3U30W-15R15

6 u3 E- _$ j3 m M

N50G1U10W-10

N60G1W-70

N70G0X100Z50

G0X30Z5

G70P10Q60

2 n9 w) a5 w' P; J% H

G0X120Z20

M30

1 t# R2 N# b. C, i

O1235;G72横向切削复合循环

S1200M3

T0101

G50X50Z50

& g" E! J' r" ~9 @& y. {2 v( @8 r- R

G0X32Z5

, ^" w) n* Z6 I1 X* j

G72U2R0.2

G72P10Q50U0.2W0.1F200;呼叫子程序

N10G0X80Z-80

N20G1X60Z-70F100

N30W8

& O8 j6 O! o8 P9 e+ T1 N

N40G3X30W15R15

N50G1X18Z2

5 Q4 h; U/ p+ c3 k1 Y

N60G0X100Z50

G0X30Z5

G70P10Q50

3 `5 u0 c8 |" V$ S

G0X100Z50

M30

+ e! g% A' o/ ^& Z5 m% F

４ 结论　

   详细介绍了车床虚拟加工系统的一种实现方法，

并采用这种方法实现了车床虚拟加工系统。该虚拟加

工系统可广泛应用于真实加工前进行仿真试切，在工

业培训、数控教学等行业中，具有广泛的应用前景。