车床虚拟加工系统实现方法研究

老鹰

引言　fficeffice" />

1 L3 ^; B8 Z9 W

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

; u3 @" e/ j, @5 x* o1 `

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

; T2 U/ |+ x" H7 O/ e0 W

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

c2 m) ~; f) Z+ V+ a: x0 W# a2 m

(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

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

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

' C) u8 D, Q; p4 a% ~7 e$ V

断和对该区域复杂的刀具轨迹线框图的理解程度，一

$ m/ t4 @( D( ]1 {+ [

般的用户无法判断其正确性。通过数控加工三维几何

- _* k w. ]4 n* t1 e$ G

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

0 t$ D/ d) @8 c

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　

    由于OpenGL适用于多种硬件平台及操作系统，其

8 \# T% }5 z1 T" n/ K! m" i5 V% f

图形库能够制作出高质量的三维图形和高质量的动画

4 A3 I9 Q4 B! c0 L, N! Y

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

' M7 u* x8 X: c5 G/ D5 x+ O

行效率高，且便于控制ＯｐｅｎＧＬ，因而选用Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋

# P2 r- n& I& {9 T g! g6 J2 o

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

( `; X1 O1 F9 Y+ C" W0 q2 P# j Q

果，以实现产品零件的虚拟加工，并验证ＮＣ程序的正

确性。

图１为系统的设计流程图。　

- t A* ?/ E: Y$ J0 l3 Q

２ 系统功能实现　

２．１　ＮＣ程序编译　

u- c# a4 _0 R4 H1 D9 w

    由于虚拟加工系统主要用于工业培训及ＮＣ代码的

8 X7 x& c1 K2 v" d

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

! a+ b0 x) s: ~7 K

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。

2 i* Q; V7 E" y$ E z

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

1 ]% b# v7 ~& b. H o( P

匹配，子程序调用时子程序号是否正确，程序开始字

8 _- J5 ^7 s! [/ }1 Z" `

符，程序号，程序主体，程序结束代码和程序结束字

8 B% B1 ~2 _* e: i3 b

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。　

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

) s8 b6 M3 y$ U( O) |/ g/ u

工环境，实现虚拟数控机床。由于机床是由许多零部

! {; U% @5 M8 J/ l2 G3 J

件组成，结构较为复杂，用OpenGL函数进行造型工作

6 p! U9 V! k% d' u. @

量太大，故先在ＣＡＤ软件Ｐｒｏ／Ｅ中造型出数控机床各个

3 w2 |( ^. |7 f y6 {7 Z; K T

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

$ y' e) q' t) u- A) D# i7 m% d

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，

# }& ]1 O2 k! G+ Q

满足实时绘制的要求。图２为虚拟车床的效果图。　

& r* b4 j8 e! D& l

( a7 E9 F4 Y: ^7 Y8 L5 ?5 b

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

, E5 Q O8 I& X

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

7 @2 Z# p4 i5 `- N' S

掠体之间耗时的布尔运算，将毛坯沿 Z 向进行离散，

将毛坯离散成单位高度的小圆柱，每个小圆柱称为一

2 Z% Y6 e3 Y/ x! z: F9 }

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:

8 F, A; z2 t1 F; I8 V

struct PieceCylinder

{

! z3 Z* U, y* k

double m_dZSt;///////起始 Z 坐标

double m_dZEd;//////结束 Z 坐标

double m_dROutSt;////外圆起点半径值

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

k! q( i; X j f3 K$ Z" ^5 T

PiesCylinder* m_pNext;/////下一个薄片数据

- Q* |5 D- E5 {6 ~6 m

};

. e$ E/ `, H1 C5 I5 F

    由于车削加工的回转体常常有内孔，车削时也可

6 H4 m- A: x% ~8 W

能进行镗孔和钻孔操作，因而每个薄片不但要记录所

+ a- y) N& U8 O7 \( R

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

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

存储。

- U5 R1 \5 C9 c+ i& \8 M

    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、

Z 轴运动，并逐渐从工件上切除多元的材料，加工出

$ J8 J7 d3 v! i' N

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

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，

+ k$ }- R- l7 j; u

即可完成仿真过程的实时绘制。

３ 运行实例　

2 D0 d9 u; G/ ^" ?$ G1 U9 T `: K

    为了验证系统的仿真效果，进行了两个加工实例

3 h- p- z* x5 z) Y' E

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

; m' t" Q1 G1 {) u( p( e* a

定循环里面包含G70的精车循环，程序O1235是G72端

' k5 y; c+ l# D$ C* I

面车削固定循环，图3为G71精车后的效果图。图4为

4 m1 f0 Q. [9 c/ z: z

G72粗车过程中截图。

, P5 |5 B/ B; w% @0 b4 o1 L

O1234

Sffice:smarttags" />1200M3

+ Y) c5 {( [7 |$ z- o+ o

T0101

" a# p5 z6 n* z/ j/ F

G50X100Z50

G0X80Z5

G71U3R0.2

! i: }0 n d3 ]% h) d. g$ P

G71P00Q60U0.2W0.1F200

! V6 h9 ?1 `$ c4 a/ b; f# t5 f

N00G0X6Z1

" P6 O" {! z& n% d$ n5 E

N10G1X10Z-3

N20G1W-15

N30G2U30W-15R15

3 t7 \! c9 [$ `3 p0 f# q4 d" A3 `

N40G1W-30

N50G3U30W-15R15

5 w( q; Z' {9 Y7 |# H% t! n8 d

N50G1U10W-10

N60G1W-70

3 m% ]0 y% E3 a/ L' L4 D/ Y6 E% U

N70G0X100Z50

G0X30Z5

% }$ \6 Y3 L, V" b* M

G70P10Q60

G0X120Z20

M30

" j1 K3 L6 m) j; Z1 s5 P8 x

O1235;G72横向切削复合循环

S1200M3

T0101

6 N; I, c( `* |! m; `

G50X50Z50

G0X32Z5

7 ]/ f$ t8 b& Y7 R$ i: p; u4 m

G72U2R0.2

* W" K4 G# I) E2 C0 \5 m/ b% o

G72P10Q50U0.2W0.1F200;呼叫子程序

N10G0X80Z-80

N20G1X60Z-70F100

N30W8

( z; L+ v% C7 A4 W& |

N40G3X30W15R15

5 U7 V2 L7 ?3 l4 [

N50G1X18Z2

. q' ^8 K% ?8 M! t1 D* |

N60G0X100Z50

G0X30Z5

G70P10Q50

5 T0 d9 ]& `( q" v# ~5 n/ L

G0X100Z50

! ?! c$ I0 f" ^. r: v

M30

$ j' G0 v$ p) Q9 R7 [

5 ]2 x5 `; }' j' g; `" d% \7 o* G

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

% @, }1 k; ~* j' e

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。

2 \/ ?9 Z3 z- U' Y* Z' w