车床虚拟加工系统实现方法研究

老鹰

引言　fficeffice" />

. G% H3 {: A3 M4 M. g) Y3 k* W

    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

. }# ~' D9 m2 U/ r" V& `2 j

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

6 _, O$ H1 _4 s |

示范，并预测评价产品性能和产品的可制造性。数控

! t0 x/ y; z5 Q7 z* B- X0 q6 K

(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

- V1 y7 e/ B! I& o7 s* Z9 ]/ B

此，在数控机床上加工零件之前一般要进行数控程序

; n2 l4 [( m" Q/ M* W V, e& q

(NC 代码)校验，并进行首件试切。但这种传统的试切

+ _* L5 c# K9 @( p" F. M9 o

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

$ `$ y W9 a* E3 O: \2 K/ W9 h

框图，这种方法主要依赖于程序员对易错区选择的判

- u! ^! t% _0 F; Z* x' X! V

断和对该区域复杂的刀具轨迹线框图的理解程度，一

7 g7 C' {9 o: w7 s3 d

般的用户无法判断其正确性。通过数控加工三维几何

1 A( W3 t! a; P$ d

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。

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

图形库能够制作出高质量的三维图形和高质量的动画

* n# u' F/ q* l

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

2 J4 D4 v, j% j! F8 f; W: U! C1 H8 r

行效率高，且便于控制ＯｐｅｎＧＬ，因而选用Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋

, [) ]$ X0 X" ^, C, [0 l* J8 P; J/ {

作为整个虚拟加工系统的开发工具。通过对数控车床

k7 a4 J" E7 A- d, 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

' ~2 A9 G. u7 t$ h' g+ U6 H" P

确性。

# g/ k3 ~( \1 N, s3 I% O* x

图１为系统的设计流程图。　

, P1 G9 h2 C! Z( A

２ 系统功能实现　

２．１　ＮＣ程序编译　

4 ? ~( h# Y7 l: H

    由于虚拟加工系统主要用于工业培训及ＮＣ代码的

. z& g" i: T* B6 c& i

正确性检查，故要求系统能够在加工之前通知操作人

( R' F L k/ F* |# a

员ＮＣ程序中是否存在语法错误，上下程序段间的逻辑

; Q: G, g- c+ I" G

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。

9 U- ~2 O( }8 I$ q

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

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

& h# u9 O# ]; r8 K) S, }0 i( ]2 R m

辅助用户学习NC程序的编制。　

２．２虚拟车床本体的搭建　

) C/ q( i3 Z9 K/ i( H' u b

     在数控加工几何仿真系统中，首先要建立虚拟加

/ W5 d( g2 }+ C p% i) I

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

- }/ U$ a# }( p p1 K! j5 ]) p& ]

量太大，故先在ＣＡＤ软件Ｐｒｏ／Ｅ中造型出数控机床各个

! q6 D- M/ X# T# p

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

! A" L) ~" a: n) H4 Y! L! a

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，

满足实时绘制的要求。图２为虚拟车床的效果图。　

２．３ 数控加工过程仿真实现　

p0 m/ o4 c1 P3 z: G2 W6 Z5 F

     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

) J* _: R; D" ?* b5 b q

件。为了避免材料切除过程中毛坯与刀具运动形成扫

/ e& A0 [7 W2 I9 D- ~9 ]- J! q

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

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

+ @* g0 C: o5 r# t, o6 U+ A8 X

如下:

7 A4 P' d; Y. K$ Z$ t. `

struct PieceCylinder

{

" n6 S. y, l: b# i+ K- f

double m_dZSt;///////起始 Z 坐标

double m_dZEd;//////结束 Z 坐标

+ N* s/ F# Z, ?, J* y4 m$ o

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

: Z+ I0 P, b- G8 i! Y

double m_dInEd;////内圆终点半径值

& H D: t$ p$ `; a5 ^! |6 ]& u

BOOL m_bIsDelete;//////该部分薄片是否被切除

PiesCylinder* m_pNext;/////下一个薄片数据

2 L/ {, s$ E9 D+ f. q" J5 k' R

};

    由于车削加工的回转体常常有内孔，车削时也可

# g% g! d& Z) v6 U% l `

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

1 B4 D4 z9 o* G) \; A) s4 B

的显示加工的复杂回转面，如圆弧面、双曲面等，每

- w, i0 G) ?5 [

个薄片在 Z 轴方向分为起点和终点。其起点和终点处

; ?# ]$ ?& t4 `* u# 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。

' Q: ~9 l1 K: t j4 s

    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、

% e3 F9 T, b9 H2 K0 _9 B+ E

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。

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

% A7 u8 a: @ e% K& X5 k

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，

5 N2 H. u* T5 ]0 {

即可完成仿真过程的实时绘制。

, k1 U' B7 w* z- E3 o6 u

３ 运行实例　

5 T0 S( c+ P( I/ I: {

    为了验证系统的仿真效果，进行了两个加工实例

^8 k Q( Y0 N) K8 U% X9 b0 k

研究。由于固定循环的实现比较有代表性，故这里选

$ g" Y) e1 e1 H) z) H g0 j

用固定循环来进行研究。程序O1234是G71外圆粗车固

7 t0 s( ^- V# g7 [) i# c" Y

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

G72粗车过程中截图。

$ ?# T) _) A, c: a) u

O1234

) q5 s8 a( z" b

Sffice:smarttags" />1200M3

$ O3 S+ e, D/ C# }

T0101

G50X100Z50

G0X80Z5

0 P+ N5 U- y4 r

G71U3R0.2

G71P00Q60U0.2W0.1F200

N00G0X6Z1

N10G1X10Z-3

N20G1W-15

7 V4 S; O$ k8 A9 V6 C) n! y3 ?% v+ i

N30G2U30W-15R15

N40G1W-30

2 H" v. u! V# j0 L6 [! D- y

N50G3U30W-15R15

N50G1U10W-10

N60G1W-70

& A, R7 E$ j+ O+ F% b7 @

N70G0X100Z50

G0X30Z5

6 F- p7 q. `+ U% H& D; S/ c

G70P10Q60

G0X120Z20

. n' T* A, B5 r; T1 p

M30

O1235;G72横向切削复合循环

S1200M3

' @ j# F2 U5 O: X H

T0101

G50X50Z50

G0X32Z5

+ K: v4 O' @3 z' f0 L) j

G72U2R0.2

G72P10Q50U0.2W0.1F200;呼叫子程序

4 u/ s- C4 ]+ ]) O9 Y1 T2 {; F

N10G0X80Z-80

9 \' J* v2 ~% @2 s5 K

N20G1X60Z-70F100

# @8 F( l6 z, {+ v. _) K8 a* h' e

N30W8

9 Y; l1 N- H s; q' W8 U

N40G3X30W15R15

N50G1X18Z2

N60G0X100Z50

1 U! O H4 \, c _: Y" ~

G0X30Z5

G70P10Q50

% x& |0 n3 }+ _, }' t: [$ |6 O2 K

G0X100Z50

0 k! Q' m5 o; ~

M30

- [' M) [& ?% F; Q5 P7 K

４ 结论　

   详细介绍了车床虚拟加工系统的一种实现方法，

, z( ?$ J$ k" Y- w+ `+ j

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。