车床虚拟加工系统实现方法研究

老鹰

引言　fficeffice" />

; K0 g. B! r& V3 J! }! _& J N

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

! O/ Z4 a9 Z$ E+ s7 h, G

显示技术与计算机仿真技术在制造领域的综合发展和

8 i5 r$ U* h& v' X. l& P

应用。VM 的实质是“计算中的制造”，即在计算机中

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

% |! s& B3 L5 s T s1 ?

(NC)车削程序的编制过程与工艺过程相似，都具有经

0 p5 Y1 p8 }7 N3 W2 }

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

4 t: @2 V9 f! t/ a5 Y

(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

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

9 s. j3 {& ~3 u

断和对该区域复杂的刀具轨迹线框图的理解程度，一

3 v7 L+ q1 B$ t0 I

般的用户无法判断其正确性。通过数控加工三维几何

仿真能够使 NC 编程人员和机床操作者通过图形显示

2 W, A: j/ Z/ a1 l- w! |

进行干涉和碰撞检查，校验数控程序，故可以大大减

/ s7 Y% |$ Q; |; I2 {* X

少上述情况的发生，提高数控编程效率和质量。

１ 系统总体结构　

5 ]5 ]; p3 A4 c! t% n/ ]6 R' z) W

    由于OpenGL适用于多种硬件平台及操作系统，其

$ m# c$ [7 M2 a

图形库能够制作出高质量的三维图形和高质量的动画

6 g' O( o& Z% ?" x7 G

效果。因而整个虚拟加工的３Ｄ显示引擎选用ＯｐｅｎＧＬ来

" O) `* q% i6 R0 \

实现。考虑到Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋功能强大，开发出的系统执

0 }- F& b: H2 L2 ?5 C; l9 @

行效率高，且便于控制ＯｐｅｎＧＬ，因而选用Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋

作为整个虚拟加工系统的开发工具。通过对数控车床

p$ t9 d4 Z1 X% M- H, ?

及其加工过程进行仿真，动态显示产品加工过程和结

果，以实现产品零件的虚拟加工，并验证ＮＣ程序的正

; I6 a9 I3 X# j$ k& l8 l5 m% ^' H, E

确性。

* ^* q& C) I2 u1 B" u

6 f) d! V0 p7 A6 K

图１为系统的设计流程图。　

２ 系统功能实现　

２．１　ＮＣ程序编译　

N. @1 h. g- f

    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

' ^7 N" W$ d) e: w5 @

员ＮＣ程序中是否存在语法错误，上下程序段间的逻辑

) R, Q% y0 l* d, i1 t9 w: ~: d

关系是否正确等，故选用编译方式而不是解释方式来

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 F1 ]2 [( d( j& X: a; s2 @

比如检查地址符字母是否大写，上下程序段之间的逻

$ D8 P3 R( m. ~1 O6 V1 x) I

辑关系是否正确，圆弧的终点、圆心、半径值等是否

8 f" T2 ^0 z" Z1 T- j+ N* ]; M

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

符等是否完整等等。通过词法和语法检查指出错误发

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。　

, c, s! [7 E) u3 e8 s2 w9 e6 ^

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

6 S7 j& ^; z6 z+ j7 h1 [/ d4 y

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

( L# r! F7 d& Z" n

量太大，故先在ＣＡＤ软件Ｐｒｏ／Ｅ中造型出数控机床各个

- s7 R/ o w; w

零部件，将其导出成标准的三维数据格式ＳＴＬ，在程序

. D* M% s2 G2 ^9 f; S9 J, K* C

中直接读取ＳＴＬ文件，并将其装配起来。在绘制机床时

: W; m0 Y) G, I' x5 c% ~

利用了ＯｐｅｎＧＬ显示列表技术，将每个零部件都生成一

- j( P" } K! g( W8 Z+ y

个ＯｐｅｎＧＬ的显示列表，这样可以大幅度提高重绘效率，

满足实时绘制的要求。图２为虚拟车床的效果图。　

) q9 W0 K( ?; v4 J

% q* Y6 e7 k, {: w6 c- B! K* Q" V

２．３ 数控加工过程仿真实现　

. Y, w4 _" v' d9 X

     数控车床的毛坯常用棒料或铸锻件，加工余量较

1 Y0 F4 i: @& j2 `: ?, M$ B0 w$ I

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

( i$ V4 \: K8 M d

掠体之间耗时的布尔运算，将毛坯沿 Z 向进行离散，

, \+ J/ ?; A4 D

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

3 |3 x6 C. Z+ }7 B3 H0 X

如下:

struct PieceCylinder

5 g( }$ x: l5 p$ g. Q" e/ U; }" o* P7 n

{

double m_dZSt;///////起始 Z 坐标

double m_dZEd;//////结束 Z 坐标

. ^& C9 i$ f% G8 g" J% A

double m_dROutSt;////外圆起点半径值

7 s* e- d0 s' P ?9 L& _6 F

double m_dROutEd;///外圆终点半径值

" A# I W9 A& ^, l- m, j

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

PiesCylinder* m_pNext;/////下一个薄片数据

6 U, \3 I( \8 a+ W: ~

};

    由于车削加工的回转体常常有内孔，车削时也可

能进行镗孔和钻孔操作，因而每个薄片不但要记录所

6 U$ C' u, n3 F$ |1 u

在位置的外圆半径，还要记录内孔的半径。为了光滑

! V! J) r6 ?% {2 @7 Z+ }

的显示加工的复杂回转面，如圆弧面、双曲面等，每

个薄片在 Z 轴方向分为起点和终点。其起点和终点处

外圆、内孔的半径根据加工中的刀路轨迹单独计算和

3 K6 I9 e; C6 X) j# c

存储。

6 R/ }3 R; F8 r( l

    在车削加工过程中，一方面工件绕其自身的回转

, n" }) w G. b2 \* z0 a! E$ m

轴高速旋转，另一方面刀具在工件的轴平面内沿 X 轴、

, \& ~; @: z* [ ~

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。

9 F4 \1 z. D# R& t c% ?% |

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

求交，并相应修改工件上所有和刀具扫掠多边形相交

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。

6 A- R. m7 c7 Z0 v

３ 运行实例　

9 ^9 x# `9 {8 M2 C

    为了验证系统的仿真效果，进行了两个加工实例

[ D+ ~0 F% K2 r; c$ e' E

研究。由于固定循环的实现比较有代表性，故这里选

( o9 S; s# A7 i8 j! M& C

用固定循环来进行研究。程序O1234是G71外圆粗车固

2 Q" b$ S" U, ~: k n3 M

定循环里面包含G70的精车循环，程序O1235是G72端

3 L2 W5 }* {+ V: X

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。

O1234

Sffice:smarttags" />1200M3

" h8 J# S5 M9 u

T0101

G50X100Z50

G0X80Z5

G71U3R0.2

# E" S/ J$ ]& W/ a2 {

G71P00Q60U0.2W0.1F200

N00G0X6Z1

N10G1X10Z-3

' q1 m' Q" D; X6 i

N20G1W-15

N30G2U30W-15R15

N40G1W-30

N50G3U30W-15R15

N50G1U10W-10

* ]- b: m3 \0 q# P x0 I; O

N60G1W-70

N70G0X100Z50

G0X30Z5

3 z$ b2 ], o+ D

G70P10Q60

G0X120Z20

M30

/ ~ D9 H; k' X# J) I9 N1 f

. h9 g; S, Q, P

O1235;G72横向切削复合循环

S1200M3

% ]" ?1 O( L1 p1 u# s: r$ P4 i

T0101

5 z, ]8 e# m* X8 |# N! G5 p# Z8 c! I( {

G50X50Z50

* r( ?' k! e3 Y+ k+ L1 d

G0X32Z5

) [& ?0 O. U4 f( O- j9 y4 L7 ]

G72U2R0.2

G72P10Q50U0.2W0.1F200;呼叫子程序

% F; t! j4 [$ \& ?3 q; M

N10G0X80Z-80

2 N* B9 \6 A# l8 B1 x

N20G1X60Z-70F100

% s" Q( {1 e- z E0 s

N30W8

* P- A$ }2 @+ U$ }

N40G3X30W15R15

( @) S$ i5 H1 f, k# S) `* T

N50G1X18Z2

N60G0X100Z50

G0X30Z5

: @4 c8 y/ J- [3 z1 E

G70P10Q50

G0X100Z50

M30

+ t) Q) B t' Y% B0 A( n( h

４ 结论　

8 q" D6 g S8 O/ n

   详细介绍了车床虚拟加工系统的一种实现方法，

9 a2 W W2 h1 d& y) ?' Y6 d

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。

; F1 O& n0 b5 _/ Z" [' y