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引言 ffice ffice" />
+ z0 Z- V8 @4 g3 S/ B 虚拟制造(Virtual Manufacturing VM)技术是虚拟
& d% Z5 z8 d( n2 [" L: d显示技术与计算机仿真技术在制造领域的综合发展和 # ^/ L( o4 H. U( C
应用。VM 的实质是“计算中的制造”，即在计算机中 2 ?' e& l5 F3 I" z! f
借助建模与仿真技术及时地完成制造全过程的模拟和
: {2 I, Y6 T) [7 \/ M4 e: X1 c示范，并预测评价产品性能和产品的可制造性。数控
# ^5 Q) x' D5 }; V6 e" y(NC)车削程序的编制过程与工艺过程相似，都具有经
9 o' w6 @3 ?% }验性和动态性，在程序编制过程中经常发生错误。为
4 x: d z5 y. [. P6 E' k此，在数控机床上加工零件之前一般要进行数控程序
6 g# M2 ?5 @1 Z8 R p" o(NC 代码)校验，并进行首件试切。但这种传统的试切 : e/ z& k, s: F% P# x, }
方法来检验刀具路径既费时又费力。随着数控编程技
$ G2 K+ u' Q* \6 G术的发展，人们采用视觉检查 NC 刀具轨迹的二维线 6 F7 y0 w5 [7 R0 _, p; o
框图，这种方法主要依赖于程序员对易错区选择的判
2 P/ p$ e9 n1 ?( [: F( \/ V) \断和对该区域复杂的刀具轨迹线框图的理解程度，一 0 o$ U* R! v7 p9 q9 j& k+ A3 `5 U
般的用户无法判断其正确性。通过数控加工三维几何 ( n: m7 e- }: X/ ^% ?2 [
仿真能够使 NC 编程人员和机床操作者通过图形显示 5 }+ B. y# A8 G0 r
进行干涉和碰撞检查，校验数控程序，故可以大大减 * d* d/ y g: L/ D
少上述情况的发生，提高数控编程效率和质量。
# ?4 Z5 p) U! {% c1 D１ 系统总体结构
7 ]( y( l$ S1 `5 Z 由于OpenGL适用于多种硬件平台及操作系统，其 ! k; E* r7 M! k* S% D; W2 ]: u; o3 ` ]4 N
图形库能够制作出高质量的三维图形和高质量的动画 7 W0 N/ O4 I& X1 I
效果。因而整个虚拟加工的３Ｄ显示引擎选用ＯｐｅｎＧＬ来 ' m( Z* d, ]3 P6 g
实现。考虑到Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋功能强大，开发出的系统执
$ w7 E' }; ^+ _, P$ H3 l行效率高，且便于控制ＯｐｅｎＧＬ，因而选用Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋ ; U! s* E0 a$ W6 @/ K; `3 Z8 R
作为整个虚拟加工系统的开发工具。通过对数控车床 4 q- p) R# a7 |! p
及其加工过程进行仿真，动态显示产品加工过程和结
$ a0 Z' V" r7 g8 X3 X' [! {9 ~ J果，以实现产品零件的虚拟加工，并验证ＮＣ程序的正 3 l) g* S7 z, R+ ?. J$ \
确性。
, v3 K+ N- n9 z: y" w
) I7 r9 ]2 W7 ?* \1 \9 C+ m( a- ~
图１为系统的设计流程图。
) A) X/ `- F& @0 F& a! C. I: O２ 系统功能实现
! [9 l/ K3 @8 Y２．１ ＮＣ程序编译 8 ?9 Z! M) z6 |( ]2 D) o
由于虚拟加工系统主要用于工业培训及ＮＣ代码的
+ d' g, `: q3 I8 O" U- Q+ z正确性检查，故要求系统能够在加工之前通知操作人 " f: W x- U2 G; r ?' U
员ＮＣ程序中是否存在语法错误，上下程序段间的逻辑 8 c0 f; l* K& a9 o8 J# W
关系是否正确等，故选用编译方式而不是解释方式来
% c# h0 e G" J; q对NC程序进行编码。根据编译原理的思想[1,2],构造出 l" S9 o: k5 v1 M
NC程序编译模块，对NC程序进行语法和词法检查。 & ?% J6 X6 `6 i( X. o! c+ D
比如检查地址符字母是否大写，上下程序段之间的逻
% K$ d) @: j/ t辑关系是否正确，圆弧的终点、圆心、半径值等是否
- F8 n1 M, F5 N& U, _ D: Y# Q: |匹配，子程序调用时子程序号是否正确，程序开始字 / W" n+ S; s/ n4 t/ K+ t" Y
符，程序号，程序主体，程序结束代码和程序结束字 ; |+ w& b% ^+ @6 \4 d
符等是否完整等等。通过词法和语法检查指出错误发 ) {9 S ^+ {1 O, A
生的位置，给出错误的原因。使得虚拟加工系统能够
4 H' A- b8 B' C0 u6 @" F辅助用户学习NC程序的编制。
; d; G' \1 p. ~! v２．２虚拟车床本体的搭建
9 ]# N* B2 {, B 在数控加工几何仿真系统中，首先要建立虚拟加 / i' U% P5 ~& s* J& W% A
工环境，实现虚拟数控机床。由于机床是由许多零部
. Y+ k" }1 ]9 v, q3 L; Z件组成，结构较为复杂，用OpenGL函数进行造型工作 , @$ |. V+ c4 `1 z1 J! k
量太大，故先在ＣＡＤ软件Ｐｒｏ／Ｅ中造型出数控机床各个
! b0 I& S0 u; Q9 i, D! c0 q h零部件，将其导出成标准的三维数据格式ＳＴＬ，在程序
- j. o8 x2 |$ m; R: w& x( k中直接读取ＳＴＬ文件，并将其装配起来。在绘制机床时
- {: l0 d' R' `. ?8 J5 G0 v$ a利用了ＯｐｅｎＧＬ显示列表技术，将每个零部件都生成一 1 Q X# J, C; p V) f9 O+ J+ u3 t
个ＯｐｅｎＧＬ的显示列表，这样可以大幅度提高重绘效率，
/ i; f8 I/ K4 N5 z! P& }' U满足实时绘制的要求。图２为虚拟车床的效果图。
. U- i3 w' n n( f
3 i! ^, E" |0 U* L! z２．３ 数控加工过程仿真实现 9 V$ j/ H. [, x8 _. v
数控车床的毛坯常用棒料或铸锻件，加工余量较
/ Z2 y% d5 ?! H6 r: d H3 {大，但加工的零件形状较为简单，一般都是回转体零
. D9 T0 W% J6 L3 D9 B7 G0 ~" U. N @件。为了避免材料切除过程中毛坯与刀具运动形成扫 2 v3 W0 \* W/ f0 K$ g+ y
掠体之间耗时的布尔运算，将毛坯沿 Z 向进行离散，
$ `) }2 l* n2 N将毛坯离散成单位高度的小圆柱，每个小圆柱称为一 5 K& a2 Z: Q/ p+ v2 n- h
个薄片，每个薄片的厚度根据精度和显示效果的要求
4 s# D9 ]- N3 d0 |& S来确定，精度越高，切的越薄。每个薄片的数据结构 ; Z- ?% e4 d- q- g& g
如下:
* O- s( v1 D: A: ustruct PieceCylinder
1 [: C/ s2 }- E0 R2 K{
; t# W& M, Y8 p( ~double m_dZSt;///////起始 Z 坐标 : Y8 X. ]2 n T; T0 `6 U' h
double m_dZEd;//////结束 Z 坐标
$ P1 N# ]# N, u7 {double m_dROutSt;////外圆起点半径值 " U/ P4 }9 d- J- J( k: \
double m_dROutEd;///外圆终点半径值 5 Z2 Y$ X- O' s# ~7 s! y3 z1 |4 `* I
double m_dInSt;///内圆起点半径值 1 F) t8 c7 ]5 }4 l/ ]# f
double m_dInEd;////内圆终点半径值
4 }3 N( p3 f, l" K* `BOOL m_bIsDelete;//////该部分薄片是否被切除
/ N a# k2 L8 ePiesCylinder* m_pNext;/////下一个薄片数据
9 e! j0 C/ a7 A4 r9 I/ _};
. w: ^* x5 G7 R3 e* Z+ Z 由于车削加工的回转体常常有内孔，车削时也可 ; L% A: f( ?; P' [/ r
能进行镗孔和钻孔操作，因而每个薄片不但要记录所 5 x0 S" X) p+ O/ [* J# v/ B
在位置的外圆半径，还要记录内孔的半径。为了光滑
2 S- x# Q" A: o4 `; b; y8 _+ h的显示加工的复杂回转面，如圆弧面、双曲面等，每
* b6 W/ U# N" |个薄片在 Z 轴方向分为起点和终点。其起点和终点处
- b& j; T" M* z- e( B; B外圆、内孔的半径根据加工中的刀路轨迹单独计算和 ; M2 S" ~6 v2 L$ D, h/ `3 F
存储。 + v7 @* Q0 V2 |* j. Y: I- O1 `) \+ j
在车削加工过程中，一方面工件绕其自身的回转 4 a* ~5 n4 _& E6 R5 J8 Y5 V! T* t
轴高速旋转，另一方面刀具在工件的轴平面内沿 X 轴、
, }! J. I( n1 X7 d# RZ 轴运动，并逐渐从工件上切除多元的材料，加工出 ' d- @. X: M$ S) I' d% @! o
所需的外形，每一步刀具所扫掠出的均是一个多边形。
6 b: B9 ]- m6 W& O4 I0 o. R; q& K根据每一步的插补指令，求解出该步刀具所扫掠出的 1 ^; E6 U7 @1 u; O
多边形。将刀具扫掠出的多边形和离散后的工件模型
& u7 H- j! \8 d求交，并相应修改工件上所有和刀具扫掠多边形相交 % k# f, F& ?. W, J9 l8 ^
部分的半径值。将修改半径后的工件重新绘制出来， 2 j1 @0 `) u& x) Y
即可完成仿真过程的实时绘制。
$ n: Y, ]( v* `1 e4 e1 V: Z1 ~３ 运行实例
' M* M. W7 M3 f2 E2 W+ I 为了验证系统的仿真效果，进行了两个加工实例 3 ?' u4 Q9 Q& X% H+ u
研究。由于固定循环的实现比较有代表性，故这里选 # V; P* m6 W8 |6 S0 N& J% c/ n9 S
用固定循环来进行研究。程序O1234是G71外圆粗车固 / p9 u6 u' R3 q5 G, b
定循环里面包含G70的精车循环，程序O1235是G72端 . ^# g4 c O* [6 G2 o
面车削固定循环，图3为G71精车后的效果图。图4为
7 W% e, K j: r' \7 pG72粗车过程中截图。 & g* w9 l7 V9 \2 E3 Z" q! E" Z1 h
O1234
6 f, z# E5 u& \Sffice:smarttags" />1200M3 , |% l7 @ t6 t V8 {. P
T0101 9 c1 N( N% t( N% [
G50X100Z50
" H' n# K: T" ]G0X80Z5 ; {9 u7 r1 k1 o: R
G71U3R0.2 ; z) m; I5 X, Z1 L
G71P00Q60U0.2W0.1F200
, |* t: N" _3 g0 L, U$ Q8 LN00G0X6Z1 4 A- O5 ~) y" R
N10G1X10Z-3 # y% F) f' f' i) `" q/ {
N20G1W-15
7 ]6 H z+ k( Z, `2 h8 IN30G2U30W-15R15 * p O) l3 g3 ?2 A$ {3 x$ M
N40G1W-30 2 [" S t: p& \1 u8 X( e
N50G3U30W-15R15 3 ^- f% |5 n( v* c. i
N50G1U10W-10
& P w0 d9 ?7 T0 zN60G1W-70 & Z, z; Y' `( R1 S
N70G0X100Z50
2 s& N: u: w5 C/ ?0 E; A; R. P FG0X30Z5 / w$ L1 x! J3 `
G70P10Q60
% G9 r3 x2 z. r6 D! a x1 r1 fG0X120Z20
1 j- i! |! H" p/ a9 o6 f2 `3 VM30 6 y$ N( }( J3 V8 k5 `
# c5 @: _5 @, y: l1 s; g! Y
O1235;G72横向切削复合循环
: ~9 M M0 ?4 }1 D T. \( a; qS1200M3 , @! W0 _- Y. n/ x$ d
T0101
4 c! u! [) O% }: E; c: x! `G50X50Z50 & E$ t6 i0 B, Z; T) T& t2 @
G0X32Z5
2 g: V, K! \0 |1 t: T: jG72U2R0.2
4 K* d3 n* k5 l0 D7 c& |G72P10Q50U0.2W0.1F200;呼叫子程序 3 _' [* Y; |" o; ?5 S
N10G0X80Z-80 4 O" \' a% J' J Y$ e1 w& R' H7 |! _
N20G1X60Z-70F100
4 Y v$ W6 j) b6 ~( yN30W8 {$ D( B& S' o# R* k) v- j2 Q
N40G3X30W15R15
# E% Z& W# F S% KN50G1X18Z2
# C1 ^+ k& `. Z% wN60G0X100Z50
9 x% L: Q. `/ F) W xG0X30Z5 ; X3 N6 u) v0 ]: d
G70P10Q50 2 ~$ O& D" k4 _5 v3 r: t; w6 Q
G0X100Z50 * d$ I5 ?2 f9 X7 X
M30 ; Z8 m, P0 M4 |. ^$ F
) U- {! s5 W( `9 W( v1 L４ 结论 7 F2 r& j* s# v# S
详细介绍了车床虚拟加工系统的一种实现方法， ! F6 f: H5 D5 e
并采用这种方法实现了车床虚拟加工系统。该虚拟加 + f! ?- a6 x- p" k* p
工系统可广泛应用于真实加工前进行仿真试切，在工
' s3 T4 ]' p. g4 C5 Z业培训、数控教学等行业中，具有广泛的应用前景。 $ A1 ^! Y8 J4 d: J8 J$ S) h) S/ |0 k
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发表于 2006-4-28 09:29:52
