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

* }- j, }9 D, n; m

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

6 j6 t6 B* j& y4 ^+ \

借助建模与仿真技术及时地完成制造全过程的模拟和

9 U6 i4 D3 L3 w* X$ ^6 d

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

5 A$ ]) s0 t+ A4 Y+ c t

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

' t+ N6 S* ]9 ^: S m- D; L

术的发展，人们采用视觉检查 NC 刀具轨迹的二维线

4 }* H I6 y; g" t- x

框图，这种方法主要依赖于程序员对易错区选择的判

; O! U% l/ ?4 O

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

( @8 B5 J' b: N, p8 G) }+ A

仿真能够使 NC 编程人员和机床操作者通过图形显示

, g' Y, X! W3 |& N' j3 S+ [

进行干涉和碰撞检查，校验数控程序，故可以大大减

7 ]$ p6 S0 C; H; c! x

少上述情况的发生，提高数控编程效率和质量。

, [8 u- \, u3 ?: c

１ 系统总体结构　

( z( x& s; [7 ~$ K+ b1 n: H/ c' e

    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

9 R9 O4 r3 O1 a4 O

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

( @) \" y3 [4 w

行效率高，且便于控制ＯｐｅｎＧＬ，因而选用Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋

5 K6 r5 Y2 ~5 ` M$ \

作为整个虚拟加工系统的开发工具。通过对数控车床

% V0 x7 {( w b% ?8 ]9 m

及其加工过程进行仿真，动态显示产品加工过程和结

2 E( ]) i3 I% C% a

果，以实现产品零件的虚拟加工，并验证ＮＣ程序的正

! V+ s$ E% d- E4 u

确性。

3 a1 X( V5 d L8 `$ R+ _

图１为系统的设计流程图。　

" N5 y k0 j' |7 H/ n

２ 系统功能实现　

& H- M0 F/ K' U$ w& w3 o0 e; Z6 B

２．１　ＮＣ程序编译　

( _5 P% m$ B* Y

    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

d: S/ a. J3 k7 i0 i: m. o

员ＮＣ程序中是否存在语法错误，上下程序段间的逻辑

: ~. J0 r$ [7 _! D R4 a

关系是否正确等，故选用编译方式而不是解释方式来

7 H j7 `: T! z& N9 K/ T# V- ^& Y& h

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。

5 Y2 D5 Q+ A }2 p5 Y+ |

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 ]5 W0 i+ a! F1 \+ I2 b

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

& u9 T* ?& j# ~2 `4 e/ \5 `

生的位置，给出错误的原因。使得虚拟加工系统能够

3 C) U7 G. G! _: K8 B5 b2 a

辅助用户学习NC程序的编制。　

% ^" U% P' T# }. Y

２．２虚拟车床本体的搭建　

( I" \8 O$ l8 a9 T9 T

     在数控加工几何仿真系统中，首先要建立虚拟加

/ @6 X! r: c% T8 d3 {

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

/ ?4 U2 Q1 W1 r; l

量太大，故先在ＣＡＤ软件Ｐｒｏ／Ｅ中造型出数控机床各个

2 s4 _+ n S( H% ]+ y3 B. f& R

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

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，

0 z% I% K0 i' f8 u/ x

满足实时绘制的要求。图２为虚拟车床的效果图。　

0 S( m! [% a) F* y

8 v- T; P+ d7 M9 e+ S4 C- }

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

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

( R% w9 J/ j; Z! ]/ v3 e$ D

掠体之间耗时的布尔运算，将毛坯沿 Z 向进行离散，

1 ]! S# R$ e' r6 c/ a+ k

将毛坯离散成单位高度的小圆柱，每个小圆柱称为一

X% P4 s2 x7 s

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

$ y Q6 D5 d: l5 r2 Y# Y+ [& J

如下:

struct PieceCylinder

/ e7 I. c0 i" t8 p) h

{

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

+ {" r- X7 D" Z- w) Q! f( {

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

, a1 H3 j ]! {1 E, s# \

PiesCylinder* m_pNext;/////下一个薄片数据

};

; p+ n6 q- L8 [" V: v- i/ [$ b

    由于车削加工的回转体常常有内孔，车削时也可

" v+ B1 y1 E) G H: e8 x

能进行镗孔和钻孔操作，因而每个薄片不但要记录所

0 Y" n7 n0 V0 e

在位置的外圆半径，还要记录内孔的半径。为了光滑

* R# e+ E. x. [) R

的显示加工的复杂回转面，如圆弧面、双曲面等，每

! ]0 ~ D! ]. d0 x

个薄片在 Z 轴方向分为起点和终点。其起点和终点处

8 S2 W1 g0 i/ Z

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、

0 W O3 l0 E9 ^0 u) Y, }( n$ U

Z 轴运动，并逐渐从工件上切除多元的材料，加工出

# o7 i m. H! k) f+ s5 h

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

^8 s0 |/ ~) H. j& j4 G

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

p) T$ G9 K9 ] w2 a" Y

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　

    为了验证系统的仿真效果，进行了两个加工实例

% I8 N2 J6 `" s8 f0 M

研究。由于固定循环的实现比较有代表性，故这里选

+ Z3 o- }0 a& O" X# W: E, [

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

% E8 U2 _1 F5 D' p; Z

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。

' F2 q; e0 n( U$ P4 M- `

O1234

9 v4 N7 v& n9 V( V, q

Sffice:smarttags" />1200M3

) U6 H$ Z8 r( v6 j% V

T0101

G50X100Z50

G0X80Z5

G71U3R0.2

3 a9 G; r4 Z0 D! F& D9 T% E

G71P00Q60U0.2W0.1F200

: F. X) I# B( Y

N00G0X6Z1

N10G1X10Z-3

N20G1W-15

N30G2U30W-15R15

* |. g: ? x0 G& w

N40G1W-30

- X3 X9 [$ A5 q. V8 Q

N50G3U30W-15R15

+ ~" Y# B8 |8 {$ w

N50G1U10W-10

N60G1W-70

N70G0X100Z50

+ L/ I& B0 `5 i p

G0X30Z5

G70P10Q60

G0X120Z20

M30

O1235;G72横向切削复合循环

' t' U5 a9 b" `3 _

S1200M3

T0101

* n' y, D2 V5 d+ d

G50X50Z50

G0X32Z5

G72U2R0.2

G72P10Q50U0.2W0.1F200;呼叫子程序

N10G0X80Z-80

N20G1X60Z-70F100

N30W8

N40G3X30W15R15

- A/ F/ d4 Y8 `

N50G1X18Z2

! K* z A- g0 f

N60G0X100Z50

; w S) R9 z* {4 M( i

G0X30Z5

G70P10Q50

G0X100Z50

M30

' r9 F# f7 @" r v8 M" `

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

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。

! @3 N" Q/ i9 N2 P