车床虚拟加工系统实现方法研究

老鹰

引言　fficeffice" />

    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

$ G$ [ W: h* H( D

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

0 P& ^ l- W9 K

示范，并预测评价产品性能和产品的可制造性。数控

(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

$ V4 o a2 Q, k1 \

此，在数控机床上加工零件之前一般要进行数控程序

/ ^0 r) d4 L9 r# R3 Y1 E3 J

(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 \7 u; O |% f( K" _+ S7 {

断和对该区域复杂的刀具轨迹线框图的理解程度，一

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

进行干涉和碰撞检查，校验数控程序，故可以大大减

少上述情况的发生，提高数控编程效率和质量。

+ X; n: M! Z2 T7 X" H

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

+ H# t9 y; o! o; c

图形库能够制作出高质量的三维图形和高质量的动画

/ E. ^* P {( ]

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

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

2 u- e) U1 b& f

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

确性。

图１为系统的设计流程图。　

- |6 r8 w8 {1 X0 w) f8 k( k

２ 系统功能实现　

8 d' }3 \* H4 \, O

２．１　ＮＣ程序编译　

! v" J2 Z8 u4 ^% [2 F8 `

    由于虚拟加工系统主要用于工业培训及ＮＣ代码的

9 U, w# }6 b2 m9 [+ X K

正确性检查，故要求系统能够在加工之前通知操作人

) y3 |7 Y' Y0 i5 B, K5 K0 F

员ＮＣ程序中是否存在语法错误，上下程序段间的逻辑

$ m$ `$ m$ ]* C3 l3 W% v ~ v

关系是否正确等，故选用编译方式而不是解释方式来

" H6 h. a5 d: Z( D

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。

" t/ y: T4 E3 @- L0 }

比如检查地址符字母是否大写，上下程序段之间的逻

' D0 N1 p" f9 ], |2 A, w5 X/ s9 \0 q

辑关系是否正确，圆弧的终点、圆心、半径值等是否

' ?; s# q4 F4 d! s+ g

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

$ x4 E6 X1 z/ g3 r5 n" f2 |2 g

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　

" a( H! R' _' N2 ~3 x% l

     在数控加工几何仿真系统中，首先要建立虚拟加

- H" T# V: K0 `8 d7 D( K

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

6 w( a9 D4 ] P6 D+ `) R

量太大，故先在ＣＡＤ软件Ｐｒｏ／Ｅ中造型出数控机床各个

2 ^/ n* e2 T; o4 \5 H' Z

零部件，将其导出成标准的三维数据格式ＳＴＬ，在程序

! s2 F. A/ q# I/ p

中直接读取ＳＴＬ文件，并将其装配起来。在绘制机床时

: Q6 h$ F6 B& I

利用了ＯｐｅｎＧＬ显示列表技术，将每个零部件都生成一

* y) v: ]3 _7 P) [% 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。　

# | A0 Z; A! m, ^ ~5 A

２．３ 数控加工过程仿真实现　

' M% S7 ?4 F* d

     数控车床的毛坯常用棒料或铸锻件，加工余量较

大，但加工的零件形状较为简单，一般都是回转体零

7 j+ ^# G1 n0 D _: U4 n* }0 y

件。为了避免材料切除过程中毛坯与刀具运动形成扫

7 u# }* i- ^- v: o

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

; I: u5 N6 Q+ G, e) ]5 t( J% R

个薄片，每个薄片的厚度根据精度和显示效果的要求

# [9 v+ Q* B; [: F1 n7 Z

来确定，精度越高，切的越薄。每个薄片的数据结构

如下:

struct PieceCylinder

{

double m_dZSt;///////起始 Z 坐标

* J$ ?9 ~) y" v7 D

double m_dZEd;//////结束 Z 坐标

double m_dROutSt;////外圆起点半径值

0 L$ i7 J5 x4 T' n

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

PiesCylinder* m_pNext;/////下一个薄片数据

};

. [. |1 z" a; j# ?+ X

    由于车削加工的回转体常常有内孔，车削时也可

- o& p8 t; D" W

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

# C0 V4 _: L$ e) L4 v7 @

的显示加工的复杂回转面，如圆弧面、双曲面等，每

7 o" L4 l- X) i% }

个薄片在 Z 轴方向分为起点和终点。其起点和终点处

4 S7 p7 ?& ^9 }% W8 l, E

外圆、内孔的半径根据加工中的刀路轨迹单独计算和

存储。

    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

所需的外形，每一步刀具所扫掠出的均是一个多边形。

$ ]8 H# `; T! k1 w

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。

３ 运行实例　

. S3 q [2 F1 u" b! C6 V

    为了验证系统的仿真效果，进行了两个加工实例

! u. m1 ^( U: ?3 G6 F4 v! [8 p+ H

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

面车削固定循环，图3为G71精车后的效果图。图4为

0 U! R7 C7 ]; _$ a

G72粗车过程中截图。

O1234

. ~/ u( v/ ]- }4 n, z! Z9 a0 i

Sffice:smarttags" />1200M3

T0101

( s! g( V! h4 |8 Q

G50X100Z50

G0X80Z5

4 N" p# o9 u5 a' f2 S

G71U3R0.2

" ~5 I9 r) z3 F( y- m

G71P00Q60U0.2W0.1F200

N00G0X6Z1

- s9 c* c3 J* r! @# M) v$ G6 F c

N10G1X10Z-3

4 B! B' V* k0 N" ~% c/ m3 z2 f6 L+ s

N20G1W-15

; ?5 B V- R, X. u

N30G2U30W-15R15

N40G1W-30

N50G3U30W-15R15

N50G1U10W-10

o2 X( ~% P& d: b" g5 I8 t# W: ~

N60G1W-70

N70G0X100Z50

( c1 v3 h# z, d) U. q' R% q; z

G0X30Z5

G70P10Q60

+ o5 m0 p4 T( ~9 Q' q

G0X120Z20

M30

! ^4 J v8 D$ f! { `* ?

O1235;G72横向切削复合循环

5 I% [- t! h- ~5 F+ K2 S

S1200M3

T0101

: K* C, r8 w2 {/ D8 `3 D! e" y

G50X50Z50

G0X32Z5

G72U2R0.2

( [5 P9 y3 z/ d d3 m3 m3 o. I. B/ D

G72P10Q50U0.2W0.1F200;呼叫子程序

5 [8 J* {7 c- e7 k& ^ p

N10G0X80Z-80

7 `7 |; i2 c1 O+ n

N20G1X60Z-70F100

N30W8

; X, m: |$ q" }& h U( U' t0 ]

N40G3X30W15R15

N50G1X18Z2

N60G0X100Z50

G0X30Z5

7 p1 o3 Z) E" a) z! ^+ ~$ B

G70P10Q50

G0X100Z50

M30

2 O$ j0 i; D$ Z6 U/ f3 A% Y

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

" [" p& D8 X6 c+ `( S; t8 {, z

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。

1 F4 D/ ]' G$ _0 h- f' C) f