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, P2 [0 [) }, u: B8 I* p

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

8 b6 u% k/ {! Y

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

: k e2 O7 {0 v0 b5 t

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

N7 \, _& Z5 n# @) B; A& g7 i

术的发展，人们采用视觉检查 NC 刀具轨迹的二维线

# J5 w# Z$ G( j/ L% a9 E- ~

框图，这种方法主要依赖于程序员对易错区选择的判

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

: E% E: b) ~- h/ X4 a% b8 v" M

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

! [) S. r- t, P

少上述情况的发生，提高数控编程效率和质量。

2 U5 f, X m4 S3 E* T

１ 系统总体结构　

. ]7 g( N3 d5 `+ T" l2 u

    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

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

. z& Y1 N; f8 d0 p3 `

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

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

, ]5 S* p7 O: b' B3 X

确性。

图１为系统的设计流程图。　

' p2 p: q2 n1 c8 m

２ 系统功能实现　

２．１　ＮＣ程序编译　

    由于虚拟加工系统主要用于工业培训及ＮＣ代码的

7 \7 [3 I) T6 C% b( X7 s' u

正确性检查，故要求系统能够在加工之前通知操作人

7 G1 j3 A2 C6 p( c: c

员ＮＣ程序中是否存在语法错误，上下程序段间的逻辑

关系是否正确等，故选用编译方式而不是解释方式来

" `* o b3 d. z! i# K) ]' t) b

对NC程序进行编码。根据编译原理的思想[1,2],构造出

3 f. G+ \/ }8 A

NC程序编译模块，对NC程序进行语法和词法检查。

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

6 O, L; ^. x/ V! O- ] s2 c( c

辅助用户学习NC程序的编制。　

, z0 {' P4 K" t7 X% T% F

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

工环境，实现虚拟数控机床。由于机床是由许多零部

# ?8 l7 D5 [% J. Q' v

件组成，结构较为复杂，用OpenGL函数进行造型工作

9 z$ ~6 z4 j: o7 x& O& l

量太大，故先在ＣＡＤ软件Ｐｒｏ／Ｅ中造型出数控机床各个

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

5 a. |, c4 D5 U- e5 \

利用了ＯｐｅｎＧＬ显示列表技术，将每个零部件都生成一

% p0 P" F# X' h* C& ~! v& E" v

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　

     数控车床的毛坯常用棒料或铸锻件，加工余量较

9 c8 v9 T3 m$ q6 T; y3 r

大，但加工的零件形状较为简单，一般都是回转体零

5 g; z3 h, a3 N& A- T1 ~# B7 V8 G' |

件。为了避免材料切除过程中毛坯与刀具运动形成扫

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

( T e, [; y6 U+ B6 u

来确定，精度越高，切的越薄。每个薄片的数据结构

如下:

6 k# t% X$ x: U8 L5 q% G7 e( x/ _

struct PieceCylinder

2 {& j# S& ^) @0 ~+ Z1 H

{

* @( Z( O' i. q* \, y- d

double m_dZSt;///////起始 Z 坐标

double m_dZEd;//////结束 Z 坐标

. I& W, }/ E, [- g3 p: p

double m_dROutSt;////外圆起点半径值

double m_dROutEd;///外圆终点半径值

5 t# W7 I! Y' p% @5 K

double m_dInSt;///内圆起点半径值

double m_dInEd;////内圆终点半径值

- J, w g9 m( v% p! s

BOOL m_bIsDelete;//////该部分薄片是否被切除

PiesCylinder* m_pNext;/////下一个薄片数据

};

    由于车削加工的回转体常常有内孔，车削时也可

3 O b7 ?8 f3 ]# T8 \& Y9 b

能进行镗孔和钻孔操作，因而每个薄片不但要记录所

5 |9 A9 H, L$ B& M0 ^

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

8 t/ F/ N2 @& N# z0 ~) w5 s d

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、

3 y i' ?& C. ~% O- f. S5 U

Z 轴运动，并逐渐从工件上切除多元的材料，加工出

* o- W& A, n" k ?# w

所需的外形，每一步刀具所扫掠出的均是一个多边形。

0 r% u4 H. A4 @2 b2 x

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

6 ?4 Z4 {) `2 c) t7 ` ]

部分的半径值。将修改半径后的工件重新绘制出来，

i5 A$ S0 A" w7 g v! x

即可完成仿真过程的实时绘制。

３ 运行实例　

* z$ B' O; c0 N Q: s1 G

    为了验证系统的仿真效果，进行了两个加工实例

研究。由于固定循环的实现比较有代表性，故这里选

% S5 q! s5 r+ i* g0 \$ P! M, g( m

用固定循环来进行研究。程序O1234是G71外圆粗车固

( I% q" Y- m2 w" o

定循环里面包含G70的精车循环，程序O1235是G72端

4 j$ f' a, J' F' {

面车削固定循环，图3为G71精车后的效果图。图4为

/ |8 m4 h/ U, O' }" a: T

G72粗车过程中截图。

O1234

Sffice:smarttags" />1200M3

T0101

, }# J( S$ F: M) `' K( n6 o# H

G50X100Z50

0 A) R |7 C; _( q7 W, C* r8 ]

G0X80Z5

G71U3R0.2

G71P00Q60U0.2W0.1F200

N00G0X6Z1

N10G1X10Z-3

/ `* v9 Z# W' k4 {# W* U% F. y

N20G1W-15

N30G2U30W-15R15

N40G1W-30

$ s1 ]$ q0 K# E" o. J

N50G3U30W-15R15

/ c: V9 Y5 u2 Q. l2 V

N50G1U10W-10

8 u# U9 P/ |. z" O

N60G1W-70

N70G0X100Z50

G0X30Z5

) ^0 p! J8 j& o9 V2 F- u

G70P10Q60

5 _5 J* l, G2 a, B& w$ l

G0X120Z20

M30

$ n8 u* W+ ?3 c* L5 X, y

O1235;G72横向切削复合循环

* O: s8 B5 C X9 c3 b C- q- a

S1200M3

T0101

4 o8 n/ ?: L! M3 V. G% g) z, A! s

G50X50Z50

G0X32Z5

G72U2R0.2

- m, `" d5 }- B: u" t% {% @* |

G72P10Q50U0.2W0.1F200;呼叫子程序

9 l& o Y$ |) C( ^, X2 t" m' O+ I

N10G0X80Z-80

: ~, e- O5 J, W y7 J: ?; R# T

N20G1X60Z-70F100

N30W8

8 F0 z+ U& M8 X0 {" W

N40G3X30W15R15

N50G1X18Z2

N60G0X100Z50

; i8 V) ? P9 p. l7 D

G0X30Z5

5 f6 q# z- i2 K1 B, W

G70P10Q50

G0X100Z50

M30

４ 结论　

7 Z/ D Y% I9 C1 l4 u

   详细介绍了车床虚拟加工系统的一种实现方法，

! ~" O$ N) O2 W5 G$ N b1 O

并采用这种方法实现了车床虚拟加工系统。该虚拟加

/ p; l0 o& J4 o7 [4 A* J3 Q

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。

, q- Z0 S2 t, ?5 z& C; V