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引言 ffice ffice" />
2 r, V$ |" [, ^ 虚拟制造(Virtual Manufacturing VM)技术是虚拟
6 S- R& v. t v4 K8 v- L6 F0 }显示技术与计算机仿真技术在制造领域的综合发展和
* z5 o; ~# A% ?- [5 S, J$ e应用。VM 的实质是“计算中的制造”，即在计算机中
) Q8 r" C5 u0 Z6 B$ N) S/ C3 [借助建模与仿真技术及时地完成制造全过程的模拟和 + i* h M: Q* e' e
示范，并预测评价产品性能和产品的可制造性。数控
# p- V6 n5 y' ~! H1 E+ \(NC)车削程序的编制过程与工艺过程相似，都具有经 ) z7 [1 X0 R0 N& L5 p$ p
验性和动态性，在程序编制过程中经常发生错误。为 ; E2 B$ c% \$ o* d; r& Q6 A. J
此，在数控机床上加工零件之前一般要进行数控程序 l! k3 u* t7 n" t1 e% T
(NC 代码)校验，并进行首件试切。但这种传统的试切
/ g' h% \0 W& F方法来检验刀具路径既费时又费力。随着数控编程技 ; E) q- }) G- `1 }; x- f! [1 Y
术的发展，人们采用视觉检查 NC 刀具轨迹的二维线 + w- ~+ h r( c
框图，这种方法主要依赖于程序员对易错区选择的判
6 Z) @. f5 H. { n0 J断和对该区域复杂的刀具轨迹线框图的理解程度，一 , H9 ^1 w' t$ C5 ^/ r& N' o
般的用户无法判断其正确性。通过数控加工三维几何
/ Y; A; t1 J6 O9 p3 T$ r仿真能够使 NC 编程人员和机床操作者通过图形显示 - _' P# b% A0 s7 A+ [
进行干涉和碰撞检查，校验数控程序，故可以大大减
- C9 @, D6 C: n+ A' w l! R R少上述情况的发生，提高数控编程效率和质量。 & f, G! R, l1 U9 v! G% h; I
１ 系统总体结构 7 Z3 Q8 a3 V( q; Y* J X) K
由于OpenGL适用于多种硬件平台及操作系统，其
! _# R3 K, r4 ~% v. D图形库能够制作出高质量的三维图形和高质量的动画 $ }' n P- @, W9 D8 t0 i
效果。因而整个虚拟加工的３Ｄ显示引擎选用ＯｐｅｎＧＬ来
- F; o' M# [& n' C/ M实现。考虑到Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋功能强大，开发出的系统执 9 D" {0 Z' a% y* n5 X, \ O
行效率高，且便于控制ＯｐｅｎＧＬ，因而选用Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋ " @$ A3 ^- O% {/ I" ^# N
作为整个虚拟加工系统的开发工具。通过对数控车床
- B [( k, V9 B2 _. f及其加工过程进行仿真，动态显示产品加工过程和结 2 D! O0 z- t; K. D
果，以实现产品零件的虚拟加工，并验证ＮＣ程序的正
) D# o. i1 }; q2 `" _确性。
; ?2 g d/ a" d# v8 Y" H
8 u: {& i3 `# l }7 a a
图１为系统的设计流程图。 ( y) A/ Q, C8 y9 ~, I; o
２ 系统功能实现 ! s N% o9 [% }. N
２．１ ＮＣ程序编译
/ O. j1 M1 y) Q" V% D 由于虚拟加工系统主要用于工业培训及ＮＣ代码的 , }( h% j6 w' N1 p; Z
正确性检查，故要求系统能够在加工之前通知操作人
: j% ^( i L0 L7 K. E0 r5 [. H3 h员ＮＣ程序中是否存在语法错误，上下程序段间的逻辑 : r ]$ `1 @: C. A
关系是否正确等，故选用编译方式而不是解释方式来 5 W) I1 E: _: g ^" L2 S0 K7 T
对NC程序进行编码。根据编译原理的思想[1,2],构造出 & |: ~0 x; [ g0 z( _: v7 R2 A
NC程序编译模块，对NC程序进行语法和词法检查。
; E& C4 y8 f1 p/ D8 k比如检查地址符字母是否大写，上下程序段之间的逻
& s/ e, P* R4 U* Q辑关系是否正确，圆弧的终点、圆心、半径值等是否 8 U. @" D- ^( @& G: r5 p
匹配，子程序调用时子程序号是否正确，程序开始字
: M" F7 W) Y8 X1 C+ d+ b符，程序号，程序主体，程序结束代码和程序结束字
' b8 x/ p" M$ y符等是否完整等等。通过词法和语法检查指出错误发
B9 n7 }: a& t7 K0 z# [6 d生的位置，给出错误的原因。使得虚拟加工系统能够 & ~$ U4 Q2 g) Q9 E8 ?0 c
辅助用户学习NC程序的编制。
# K( m9 j2 X5 W２．２虚拟车床本体的搭建 , @2 c' E5 Z9 l3 b
在数控加工几何仿真系统中，首先要建立虚拟加 ! B9 G5 X1 m3 w* g6 T$ T
工环境，实现虚拟数控机床。由于机床是由许多零部
4 E7 @# b! T' O8 H5 N( Q件组成，结构较为复杂，用OpenGL函数进行造型工作
+ M+ c0 X0 S( v z量太大，故先在ＣＡＤ软件Ｐｒｏ／Ｅ中造型出数控机床各个 7 W7 f; J1 o- B, Z
零部件，将其导出成标准的三维数据格式ＳＴＬ，在程序 , Q7 v0 r' q! u8 b
中直接读取ＳＴＬ文件，并将其装配起来。在绘制机床时 ) C( G. B) z5 i+ p& t
利用了ＯｐｅｎＧＬ显示列表技术，将每个零部件都生成一
2 o! K' I& ^0 R9 l9 n2 g个ＯｐｅｎＧＬ的显示列表，这样可以大幅度提高重绘效率，
$ `# C$ G# R' v5 M- |. r* H2 q满足实时绘制的要求。图２为虚拟车床的效果图。
1 L9 p# n4 {9 ]9 [
/ j* q0 j b# \$ _
２．３ 数控加工过程仿真实现 1 Q" M0 i% O% f6 ~6 C. B
数控车床的毛坯常用棒料或铸锻件，加工余量较 6 K" |( u$ m0 K( Y2 X
大，但加工的零件形状较为简单，一般都是回转体零
# m9 c) k! E, D: w6 v# ^1 t3 M' R件。为了避免材料切除过程中毛坯与刀具运动形成扫 |2 ]: x q# w/ X0 c
掠体之间耗时的布尔运算，将毛坯沿 Z 向进行离散， 2 u I& F- w0 A
将毛坯离散成单位高度的小圆柱，每个小圆柱称为一 % B! [7 Y; v' x& Q; `+ j5 j
个薄片，每个薄片的厚度根据精度和显示效果的要求 / c9 u$ V X1 e+ V
来确定，精度越高，切的越薄。每个薄片的数据结构 Q4 C M' o5 [7 d6 }
如下: ) y0 U% h" ^/ h, Q
struct PieceCylinder
o- F0 e) u7 u' f4 M7 v" r0 T{
) Q' l/ {* G! r1 H; U, \double m_dZSt;///////起始 Z 坐标 3 ?, }( t1 P1 ~, y1 x
double m_dZEd;//////结束 Z 坐标
8 k5 [2 e' ?4 B2 Odouble m_dROutSt;////外圆起点半径值
- E* U1 }1 s$ i& h* T) x( |double m_dROutEd;///外圆终点半径值 7 b+ A% H2 V7 c1 @
double m_dInSt;///内圆起点半径值 7 Q+ `/ T) m& {5 \0 j' ~
double m_dInEd;////内圆终点半径值
6 h' \8 M& {4 d+ o K7 p1 D4 hBOOL m_bIsDelete;//////该部分薄片是否被切除 ! }9 K0 _( Y4 p6 d$ a
PiesCylinder* m_pNext;/////下一个薄片数据 2 y( N6 Z7 z* J" c
}; : a( A( M# T2 P$ u5 g: {
由于车削加工的回转体常常有内孔，车削时也可 1 L( Y6 K( T6 j% H
能进行镗孔和钻孔操作，因而每个薄片不但要记录所
0 P& G3 P6 E3 k2 o) Y6 o' H在位置的外圆半径，还要记录内孔的半径。为了光滑
' X" P3 z+ z5 {% @3 I& O1 Q的显示加工的复杂回转面，如圆弧面、双曲面等，每 3 \# r4 W8 ?" s8 [" p
个薄片在 Z 轴方向分为起点和终点。其起点和终点处
( c; Z. _; D+ d2 h. G' h1 e外圆、内孔的半径根据加工中的刀路轨迹单独计算和 0 i9 J9 w/ V1 S5 d8 F2 y; {0 o. X
存储。
4 J* T( {+ c) n5 P: J# G 在车削加工过程中，一方面工件绕其自身的回转 , Y0 ^' Q* Z1 ~% z
轴高速旋转，另一方面刀具在工件的轴平面内沿 X 轴、 , h/ O$ \3 L+ \* d
Z 轴运动，并逐渐从工件上切除多元的材料，加工出
3 S( n/ b8 }: I' ]! T所需的外形，每一步刀具所扫掠出的均是一个多边形。 + R6 |4 D! h7 D" s* J- m. @6 I* @( Z
根据每一步的插补指令，求解出该步刀具所扫掠出的
+ I: h; ?4 F6 ^' n多边形。将刀具扫掠出的多边形和离散后的工件模型
7 x$ E8 U! i: o求交，并相应修改工件上所有和刀具扫掠多边形相交 5 {. c, c. Y! S; r
部分的半径值。将修改半径后的工件重新绘制出来， * v$ p# Y8 o) y2 \/ i: ]8 |: \
即可完成仿真过程的实时绘制。 : s/ n" ?4 R* i. @4 _( \( n& ]4 Z
３ 运行实例
+ f. G/ A% v2 f) i 为了验证系统的仿真效果，进行了两个加工实例 / p2 U. d9 v% g7 e2 ~
研究。由于固定循环的实现比较有代表性，故这里选
* ~9 [& ^* Y0 C% N* D! {) G( W用固定循环来进行研究。程序O1234是G71外圆粗车固
- \( |& ?' ~2 L: b定循环里面包含G70的精车循环，程序O1235是G72端
$ U1 U3 x, e5 C; ~* K, D: e面车削固定循环，图3为G71精车后的效果图。图4为
7 Y) w1 E% H# ?/ H( P( B4 {0 t$ zG72粗车过程中截图。 ; n0 X% ]: m3 O' ]8 Q9 [ Q
O1234
7 Y' ^4 t: @# }) [Sffice:smarttags" />1200M3
: \: d6 H! d. m' u4 n* u, k: RT0101
9 Z1 s. T" A4 Q9 k N2 w3 }, KG50X100Z50 ' P+ P: I- d7 N" a0 u5 A
G0X80Z5
1 w5 V& E2 ] q3 E7 M* y5 m2 {G71U3R0.2
% Z9 q- H$ c7 H' Y! j" B+ LG71P00Q60U0.2W0.1F200
6 O3 R3 g7 Q; t7 o5 \N00G0X6Z1 2 G$ ] s; X/ Y
N10G1X10Z-3 3 s( ?1 O, Q" U# [! z9 h
N20G1W-15
3 X1 X }0 o9 p) @: E; ^# tN30G2U30W-15R15
* W2 S, D1 `: P0 W; C: Y$ wN40G1W-30 $ B% }) e v+ Z: w1 h* S
N50G3U30W-15R15
3 P: P4 z* {4 WN50G1U10W-10 : W4 @: W( x5 j1 d7 D8 |2 W9 o
N60G1W-70 4 g2 w4 R0 {. Z, ?
N70G0X100Z50 $ h% J% v7 ]% R1 o: S8 H( c
G0X30Z5 Q+ k0 l( R' d! s0 `6 ~/ f
G70P10Q60
* m3 c3 M& n& g4 M2 s+ B KG0X120Z20 + a6 x i3 b/ V, v% y b
M30 ; \$ ~$ H# n' J/ M6 l6 e: M) }3 o# p4 c
: F: y* Q' U$ H7 NO1235;G72横向切削复合循环 ! b3 L) j2 K+ A% m m5 ~ ?
S1200M3
7 w' C5 ?( Z @8 E+ C7 JT0101
# o6 E( A3 t4 {- m, {# L1 QG50X50Z50
! W9 t/ u% {& LG0X32Z5 4 h7 h7 ^1 A5 I4 j* |
G72U2R0.2
$ S' D2 w; r5 x# _* F2 a! gG72P10Q50U0.2W0.1F200;呼叫子程序 # @4 a3 J, H3 q' O! K2 S6 Y# q
N10G0X80Z-80 ) z# X7 a1 ]1 n7 I1 Y- a
N20G1X60Z-70F100 % y5 p/ Z/ i: E9 I+ Z$ \( n! U
N30W8
/ k' S* Y" g3 lN40G3X30W15R15 " g' }9 E, ?5 v$ P6 s- l0 F
N50G1X18Z2 8 ^, W7 ?/ u/ g+ M$ B! A9 w2 F
N60G0X100Z50
5 h$ Q. ?6 W" B4 u. d. rG0X30Z5 0 K: K/ j; A# T6 b" A
G70P10Q50 % ?3 q K+ Z8 n5 G+ O5 ^3 j J3 Q
G0X100Z50
/ K9 J& M, n" V& w) x5 }5 b- ?! BM30 x: b2 y* E+ B8 o' U
3 v( I! ?% S6 z7 D
４ 结论
, G( `/ s& q9 c7 Q% h4 r: B/ D 详细介绍了车床虚拟加工系统的一种实现方法，
5 F: F. E$ C# P+ X5 T# A- E并采用这种方法实现了车床虚拟加工系统。该虚拟加 ; u7 T% h1 B' n3 K0 s
工系统可广泛应用于真实加工前进行仿真试切，在工 7 L& u+ f5 h& E" B3 [8 f$ L
业培训、数控教学等行业中，具有广泛的应用前景。 $ d2 y3 R0 h' y
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发表于 2006-4-28 09:29:52
