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引言 ffice ffice" /> 5 J- |5 u! i. K" D# e' S
虚拟制造(Virtual Manufacturing VM)技术是虚拟
) W) q- T; m! |+ J b* s& n% f显示技术与计算机仿真技术在制造领域的综合发展和
+ s/ _3 Q8 Z' v( f: z1 P应用。VM 的实质是“计算中的制造”，即在计算机中
8 x T- Q" [ u4 o3 w) o* R7 K借助建模与仿真技术及时地完成制造全过程的模拟和 . v. H& v) S( [' t+ T% n( s; y3 Z
示范，并预测评价产品性能和产品的可制造性。数控 9 z7 y3 x$ G+ k! B5 y$ V6 U
(NC)车削程序的编制过程与工艺过程相似，都具有经 1 Z4 x7 ?! }1 \) S, z
验性和动态性，在程序编制过程中经常发生错误。为
1 i) d/ h. t/ ^3 h9 r此，在数控机床上加工零件之前一般要进行数控程序
& s- `, Z: J$ w" f' C/ C(NC 代码)校验，并进行首件试切。但这种传统的试切 ! T2 Z- Z9 B% \6 G3 E: D8 c
方法来检验刀具路径既费时又费力。随着数控编程技 " T+ T4 ` B3 B2 |, ?2 n
术的发展，人们采用视觉检查 NC 刀具轨迹的二维线 % r6 [% x; o( E8 {+ e
框图，这种方法主要依赖于程序员对易错区选择的判 5 ~2 D. W/ y( c& E8 R) u
断和对该区域复杂的刀具轨迹线框图的理解程度，一 ) e7 _3 y0 o7 E R) f" U
般的用户无法判断其正确性。通过数控加工三维几何
7 \; z& {3 d/ q- V仿真能够使 NC 编程人员和机床操作者通过图形显示 , z! @: J+ P: \8 A
进行干涉和碰撞检查，校验数控程序，故可以大大减 * ?; |# P, ?7 Z$ r) A2 i
少上述情况的发生，提高数控编程效率和质量。
# y! M( \9 l2 D% M１ 系统总体结构
$ @6 X3 V- f6 g0 D 由于OpenGL适用于多种硬件平台及操作系统，其
* P+ N6 C- j0 e* j" Q+ l图形库能够制作出高质量的三维图形和高质量的动画 4 @7 r V" R( h" ^* L
效果。因而整个虚拟加工的３Ｄ显示引擎选用ＯｐｅｎＧＬ来 6 d1 I& M0 |) m$ o
实现。考虑到Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋功能强大，开发出的系统执 # |0 k- d7 c& H/ u: \2 W
行效率高，且便于控制ＯｐｅｎＧＬ，因而选用Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋
% Y" n. J9 W$ z8 f作为整个虚拟加工系统的开发工具。通过对数控车床
* P+ }' T+ n; d' n' b及其加工过程进行仿真，动态显示产品加工过程和结
, F' g& b9 r. a, Y. f9 p果，以实现产品零件的虚拟加工，并验证ＮＣ程序的正 * t5 X: E* b- W) B" c
确性。 2 X& U% B8 M F5 F' j
" K X* e3 p( n& L图１为系统的设计流程图。
& ` W: d9 @3 }/ H2 ~6 r２ 系统功能实现
" X! I' R5 K# D$ s" o& H２．１ ＮＣ程序编译
( P0 a% x) r2 V$ {. s l 由于虚拟加工系统主要用于工业培训及ＮＣ代码的
, v h" a* X/ A9 ]0 M% P正确性检查，故要求系统能够在加工之前通知操作人 . Q6 h5 a# D. w0 l
员ＮＣ程序中是否存在语法错误，上下程序段间的逻辑
$ c( W7 s$ i9 |& v6 M/ U/ Y关系是否正确等，故选用编译方式而不是解释方式来 b9 ]0 l" p& b( `
对NC程序进行编码。根据编译原理的思想[1,2],构造出
2 Q# k" f( f- z$ U0 NNC程序编译模块，对NC程序进行语法和词法检查。
: x0 m2 J+ {9 w9 i! [( G# f比如检查地址符字母是否大写，上下程序段之间的逻
. R* _/ F x u, I! R. ?7 Y) e* B辑关系是否正确，圆弧的终点、圆心、半径值等是否 , Z' N% G8 T* l0 n$ U- w: ^. `5 R
匹配，子程序调用时子程序号是否正确，程序开始字
: j4 @# |* ]) C) m' F( @* n符，程序号，程序主体，程序结束代码和程序结束字 7 C- D9 L+ O) O% v3 C' b: w: N
符等是否完整等等。通过词法和语法检查指出错误发
& V+ { M( K& k! o生的位置，给出错误的原因。使得虚拟加工系统能够
2 A! M- p5 o5 z b' Q辅助用户学习NC程序的编制。
* e0 m$ c! m% h0 H# d0 e２．２虚拟车床本体的搭建
9 S# t4 @! b& F+ q8 _. }! k1 y 在数控加工几何仿真系统中，首先要建立虚拟加
* }! Y* e; F+ z% s+ f; {* w) F2 w工环境，实现虚拟数控机床。由于机床是由许多零部
& P1 H0 u$ J7 T$ b- l件组成，结构较为复杂，用OpenGL函数进行造型工作
' Q( H1 H6 o' o, l. f量太大，故先在ＣＡＤ软件Ｐｒｏ／Ｅ中造型出数控机床各个 & p( F; Z7 z0 d4 G1 \
零部件，将其导出成标准的三维数据格式ＳＴＬ，在程序 , C! G# A4 ?4 B+ O
中直接读取ＳＴＬ文件，并将其装配起来。在绘制机床时
0 b5 ]1 ~, F7 L6 {7 W6 m' `2 V利用了ＯｐｅｎＧＬ显示列表技术，将每个零部件都生成一
# C9 V, N" }8 G- L0 ~+ B7 r& n( ]个ＯｐｅｎＧＬ的显示列表，这样可以大幅度提高重绘效率，
: x# K4 ]# u0 T" z1 c% I满足实时绘制的要求。图２为虚拟车床的效果图。 $ m$ r. j! ^, J( l- h9 A) q
' \+ _& y% D% @+ @* \ M
２．３ 数控加工过程仿真实现 : K6 X0 l0 V! s0 I4 i" W; G1 ^
数控车床的毛坯常用棒料或铸锻件，加工余量较
( d4 L: h! F8 u2 ?; {) ]大，但加工的零件形状较为简单，一般都是回转体零
% |& K" B# k* e9 _6 L9 k& U) F件。为了避免材料切除过程中毛坯与刀具运动形成扫
( V8 ]1 I2 [6 i( [/ f3 H5 U掠体之间耗时的布尔运算，将毛坯沿 Z 向进行离散，
! w& j" D, F1 v! t! m7 L将毛坯离散成单位高度的小圆柱，每个小圆柱称为一
7 m. r# W9 ], A9 X: T2 {9 J个薄片，每个薄片的厚度根据精度和显示效果的要求 / A! h5 }1 @+ p; A4 h; B, l b5 _
来确定，精度越高，切的越薄。每个薄片的数据结构
) |2 \3 ?4 G7 q如下: 8 F- |8 t7 [8 l5 K* w* C
struct PieceCylinder 8 D# N# h7 g& Q6 o8 M# s. R
{ - N* Z' w0 f" @# r9 R$ h
double m_dZSt;///////起始 Z 坐标
) @# x1 C% e) L0 e8 |double m_dZEd;//////结束 Z 坐标 & ~2 d* p. f; V
double m_dROutSt;////外圆起点半径值
4 j% Y; ]7 ^0 `8 q. x+ v* ~9 hdouble m_dROutEd;///外圆终点半径值 , t# i m4 d |6 P5 i
double m_dInSt;///内圆起点半径值
8 I8 |. `2 N8 V, P' y7 J- |double m_dInEd;////内圆终点半径值
- E% M" }' v% J1 v- Y, nBOOL m_bIsDelete;//////该部分薄片是否被切除
2 D# e( Q/ U# J+ C6 x$ RPiesCylinder* m_pNext;/////下一个薄片数据
/ [& u* E, f' e. V9 C}; " L6 ]' q0 c) u% _4 B
由于车削加工的回转体常常有内孔，车削时也可 9 O0 d. e/ i3 H+ t
能进行镗孔和钻孔操作，因而每个薄片不但要记录所
9 ?! v# l- Z4 o2 q7 i3 l在位置的外圆半径，还要记录内孔的半径。为了光滑 1 p& I) N3 r |- B' Z1 V
的显示加工的复杂回转面，如圆弧面、双曲面等，每 # T* A' D/ m' K# ~3 h7 z
个薄片在 Z 轴方向分为起点和终点。其起点和终点处
- f. f9 ]5 Y' u* `外圆、内孔的半径根据加工中的刀路轨迹单独计算和 S' n) E F: F4 e3 n7 j
存储。
v' Z3 H6 v# h% n 在车削加工过程中，一方面工件绕其自身的回转 : M. x1 L+ s: M, ~6 A
轴高速旋转，另一方面刀具在工件的轴平面内沿 X 轴、
' c" @& J- g( N2 \Z 轴运动，并逐渐从工件上切除多元的材料，加工出 - y9 ~) f4 `5 t# _( {+ f
所需的外形，每一步刀具所扫掠出的均是一个多边形。 ( D) ~1 ?0 |' }5 e
根据每一步的插补指令，求解出该步刀具所扫掠出的
P$ H% G% Y# X- K6 r多边形。将刀具扫掠出的多边形和离散后的工件模型
; r7 e0 k/ @0 _- C0 ?' O1 h+ `求交，并相应修改工件上所有和刀具扫掠多边形相交
, L3 Y# }" N9 G# Q部分的半径值。将修改半径后的工件重新绘制出来，
" G( I) U" i& M$ H/ n. M" g即可完成仿真过程的实时绘制。
1 R$ C6 D# Y& }5 |+ N4 ~7 b0 t３ 运行实例
7 a" T/ I: i4 a+ S& a! O 为了验证系统的仿真效果，进行了两个加工实例
5 g) [0 i# e8 z3 I8 |! f$ z( D1 o研究。由于固定循环的实现比较有代表性，故这里选 ' `- Z. o b& f- Y2 y" M6 t; h" _0 z
用固定循环来进行研究。程序O1234是G71外圆粗车固 , ~, Z& [9 Y5 a& e, f7 X
定循环里面包含G70的精车循环，程序O1235是G72端 . ^% h) N( j# x5 M3 Y. g
面车削固定循环，图3为G71精车后的效果图。图4为 + r& c; R/ c* s5 i4 a: r( ^
G72粗车过程中截图。
& d- ~; f% E/ R/ \9 M1 ]/ U7 NO1234 : O) r {) B R3 l5 h
Sffice:smarttags" />1200M3
0 m0 Y/ i$ h4 Z. y8 xT0101 ) o4 w$ n/ v7 s# E
G50X100Z50
- r0 u4 E/ w9 \/ i: m. X6 pG0X80Z5 ! g+ o8 V% `" v$ I5 M+ `
G71U3R0.2 2 U8 u8 n1 L6 r: R8 o" v9 |
G71P00Q60U0.2W0.1F200
0 [% T5 A2 R8 f) A, Y9 _N00G0X6Z1
! y# ^$ `1 n) r0 o+ D0 q5 b' fN10G1X10Z-3 ( v- v, E* ^. v9 G5 Z `4 h
N20G1W-15 # M7 }- _% L$ M
N30G2U30W-15R15
+ I3 a& C0 r2 }5 f0 ZN40G1W-30 , a$ P2 @& _6 A5 O) d3 s( v" e" `
N50G3U30W-15R15 1 F; m$ b. \2 f8 m7 m3 G2 M& I
N50G1U10W-10
' Y8 j/ E0 F( ] s9 h1 a& I# K3 U# JN60G1W-70 6 o5 A+ D6 z! d" [6 [3 A1 I
N70G0X100Z50
( H8 {/ O2 n4 ^( d; G3 gG0X30Z5 + T4 v" m6 d/ q1 H! A$ L
G70P10Q60
1 v1 w2 P1 ~/ P" @' ?& _G0X120Z20
4 a4 S2 i* i" K8 HM30
, f0 t# ?- ]$ d7 y4 _+ Q& i
. Q$ w: C8 `, z! y$ G5 Q
O1235;G72横向切削复合循环 ' K* R2 Z$ U3 s- c+ a
S1200M3
( G% _4 f$ }& E3 e o+ Q! `T0101
: O- Y5 O+ k0 L0 l/ T6 NG50X50Z50
0 u' c+ f/ o6 LG0X32Z5
3 s% A5 q# U# o5 YG72U2R0.2 # w _) R4 k; Z' Y. X
G72P10Q50U0.2W0.1F200;呼叫子程序
& y3 l1 b C" X( w- y! C% jN10G0X80Z-80
, q" E. ]; u* N6 r9 wN20G1X60Z-70F100 + L8 W2 L8 q: @+ A9 E/ z0 y
N30W8 ) G2 M! A/ w7 U' k8 I
N40G3X30W15R15 * }4 ?! p9 V" M- g
N50G1X18Z2 ; T6 n2 H& j) u5 r H' Q
N60G0X100Z50 ! x8 C8 y" ]! {) F
G0X30Z5
: ~* s% T; w o% }, yG70P10Q50 3 n3 V3 ^8 v' U1 i/ B2 J( j- q
G0X100Z50 9 Y4 Z2 F; Y) ^9 P* k. q3 t
M30
0 ? `" o0 U( R' ?
# J' v$ L7 v7 ?8 u' D' v４ 结论 , [$ Q8 j3 C) \- o
详细介绍了车床虚拟加工系统的一种实现方法， : x. A+ e1 ~* z- X; a' G( w# D
并采用这种方法实现了车床虚拟加工系统。该虚拟加 - a" W; |5 y6 G
工系统可广泛应用于真实加工前进行仿真试切，在工 8 s$ m( ?; e0 Z" Z" e6 w) V M8 a
业培训、数控教学等行业中，具有广泛的应用前景。 2 Q# z/ [0 L; D! O; K3 p, f
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发表于 2006-4-28 09:29:52
