车床虚拟加工系统实现方法研究

老鹰

引言　fficeffice" />

& T& [ n: F# Z/ ^, H3 T/ N$ J

    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

应用。VM 的实质是“计算中的制造”，即在计算机中

. v4 L! s p- _1 A

借助建模与仿真技术及时地完成制造全过程的模拟和

3 q- R' F' |4 v' R

示范，并预测评价产品性能和产品的可制造性。数控

9 {8 Q$ U( Q! R+ `/ ?6 t4 S

(NC)车削程序的编制过程与工艺过程相似，都具有经

验性和动态性，在程序编制过程中经常发生错误。为

( V8 X$ V4 a ^, }

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

% l1 T/ b& ~; N" }

方法来检验刀具路径既费时又费力。随着数控编程技

术的发展，人们采用视觉检查 NC 刀具轨迹的二维线

$ C7 u/ E* |# W% q8 Y5 s; w8 @$ H

框图，这种方法主要依赖于程序员对易错区选择的判

断和对该区域复杂的刀具轨迹线框图的理解程度，一

. [' H/ [6 D- f$ C* Z0 V \

般的用户无法判断其正确性。通过数控加工三维几何

% }' Q( \8 S& H

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

W6 h4 i- n* j) U

少上述情况的发生，提高数控编程效率和质量。

0 j& v# E8 e$ R) U

１ 系统总体结构　

    由于OpenGL适用于多种硬件平台及操作系统，其

图形库能够制作出高质量的三维图形和高质量的动画

; ~4 m' {; {0 ]9 o

效果。因而整个虚拟加工的３Ｄ显示引擎选用ＯｐｅｎＧＬ来

7 {3 |/ O+ B! u- L' R

实现。考虑到Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋功能强大，开发出的系统执

( v2 f. v9 M6 l) P

行效率高，且便于控制ＯｐｅｎＧＬ，因而选用Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋

7 z: U5 W0 N( @* n# W

作为整个虚拟加工系统的开发工具。通过对数控车床

及其加工过程进行仿真，动态显示产品加工过程和结

$ E7 I$ l/ E; w" G6 O

果，以实现产品零件的虚拟加工，并验证ＮＣ程序的正

确性。

$ ^5 `5 z2 O. S1 B

图１为系统的设计流程图。　

3 n7 }$ M, ^; o0 x, P$ ~

２ 系统功能实现　

! j% z5 v, H, j& Z

２．１　ＮＣ程序编译　

# p. r6 i H( Q0 o' @' u O

    由于虚拟加工系统主要用于工业培训及ＮＣ代码的

正确性检查，故要求系统能够在加工之前通知操作人

员ＮＣ程序中是否存在语法错误，上下程序段间的逻辑

5 l* u! }+ ]4 _6 v1 }! k

关系是否正确等，故选用编译方式而不是解释方式来

5 u0 F$ P" [" y' h3 u% {/ C& x

对NC程序进行编码。根据编译原理的思想[1,2],构造出

NC程序编译模块，对NC程序进行语法和词法检查。

+ |. ]8 y8 p. D+ q& J" q( i

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

8 L5 e8 M4 n: X& q

符，程序号，程序主体，程序结束代码和程序结束字

0 w4 h4 d! J& W# g3 z

符等是否完整等等。通过词法和语法检查指出错误发

4 z( c7 i% j. Z# y' ~

生的位置，给出错误的原因。使得虚拟加工系统能够

# R. i( K7 i! R6 \" L: L4 k

辅助用户学习NC程序的编制。　

２．２虚拟车床本体的搭建　

* A I0 W0 U( W

     在数控加工几何仿真系统中，首先要建立虚拟加

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

量太大，故先在ＣＡＤ软件Ｐｒｏ／Ｅ中造型出数控机床各个

* S8 V L6 L4 G4 C. U

零部件，将其导出成标准的三维数据格式ＳＴＬ，在程序

3 X) ^9 x8 |8 Y- B' h

中直接读取ＳＴＬ文件，并将其装配起来。在绘制机床时

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，

' F, k2 j; H4 [- G( w1 ~

满足实时绘制的要求。图２为虚拟车床的效果图。　

4 i) n ~' K: f9 `, X# E+ K. a

２．３ 数控加工过程仿真实现　

     数控车床的毛坯常用棒料或铸锻件，加工余量较

1 C! y; ]) t) [9 m6 d5 }* N

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

掠体之间耗时的布尔运算，将毛坯沿 Z 向进行离散，

: @7 @6 O/ T9 [. n

将毛坯离散成单位高度的小圆柱，每个小圆柱称为一

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

% X$ f2 Z# j6 L0 q1 O

如下:

: n, p. q6 |8 I7 M

struct PieceCylinder

{

double m_dZSt;///////起始 Z 坐标

; t1 X7 }6 Y" w9 q) M" d1 }* k

double m_dZEd;//////结束 Z 坐标

double m_dROutSt;////外圆起点半径值

, G- R. F) C! Q! V3 |; T" 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

7 } g+ ?9 e- o8 V0 g- F

PiesCylinder* m_pNext;/////下一个薄片数据

};

    由于车削加工的回转体常常有内孔，车削时也可

5 w. N Q' Y. t) R

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

的显示加工的复杂回转面，如圆弧面、双曲面等，每

0 I. E7 s1 `7 G6 i

个薄片在 Z 轴方向分为起点和终点。其起点和终点处

* {0 b2 C4 s% Z- [: ^( N9 a' u

外圆、内孔的半径根据加工中的刀路轨迹单独计算和

5 g& Z' V% x2 b! |% N1 X" ?. X7 ^# a4 b

存储。

, E5 p. k3 h3 r: K- a# L7 C, `

    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、

( Q+ O2 ?+ P. w" i

Z 轴运动，并逐渐从工件上切除多元的材料，加工出

; ?2 f9 o$ b" B, {) F( u

所需的外形，每一步刀具所扫掠出的均是一个多边形。

根据每一步的插补指令，求解出该步刀具所扫掠出的

4 ]1 a' [0 {' Q3 x1 m: W

多边形。将刀具扫掠出的多边形和离散后的工件模型

# w: ?+ X9 S. j( |/ U. M* N% y

求交，并相应修改工件上所有和刀具扫掠多边形相交

/ z4 T5 @) e7 z6 [ X$ q! E

部分的半径值。将修改半径后的工件重新绘制出来，

1 \! A0 B3 q/ V

即可完成仿真过程的实时绘制。

0 Z. \( ~0 o' a

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

定循环里面包含G70的精车循环，程序O1235是G72端

1 p0 }. p! m4 |& a

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。

/ s6 J/ S9 a O& p3 Z! _

O1234

8 }5 `: V& g+ k" l, [7 [1 n

Sffice:smarttags" />1200M3

" o* s' P7 w3 C0 m( t

T0101

2 Z, C, }# N6 {* B9 A

G50X100Z50

7 g# A. F: O) M5 b p2 t

G0X80Z5

& F0 n1 d+ n+ }3 [/ |; P$ o

G71U3R0.2

G71P00Q60U0.2W0.1F200

m5 A# }+ l/ F _& V: d% I

N00G0X6Z1

N10G1X10Z-3

N20G1W-15

N30G2U30W-15R15

N40G1W-30

! K/ X; i6 d: t. q: N

N50G3U30W-15R15

N50G1U10W-10

N60G1W-70

( _* I$ t5 s3 ~! D& J6 V2 w+ M

N70G0X100Z50

. }( t1 t t |6 Z

G0X30Z5

4 ~0 Z+ P2 H9 f L" l1 ~% s

G70P10Q60

G0X120Z20

M30

. s2 g7 t+ w: G# R5 \2 q

O1235;G72横向切削复合循环

S1200M3

) e8 D v; |# T; U

T0101

G50X50Z50

G0X32Z5

: q4 a- S' w# P: q% M

G72U2R0.2

3 [3 \) x5 F" _5 |

G72P10Q50U0.2W0.1F200;呼叫子程序

8 j+ s8 h$ u& y/ g

N10G0X80Z-80

N20G1X60Z-70F100

N30W8

% Q: v& k& k1 ^3 h6 {

N40G3X30W15R15

3 b% {) y# v* @* z) S, r' g/ d9 e

N50G1X18Z2

N60G0X100Z50

% v$ E* |% B% o6 G& |. R6 s

G0X30Z5

G70P10Q50

% \8 i( Y2 P0 |, i7 S( g/ S

G0X100Z50

4 W5 Z8 _1 i. K! i) m. f. y- U

M30

４ 结论　

3 ?5 k6 @" e- i6 Q. j

   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

# h, O5 ?" g2 v H

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。

7 w& v* c5 k" `5 G4 [, t) g