车床虚拟加工系统实现方法研究

老鹰

引言　fficeffice" />

/ D5 ?% d7 f6 D4 X1 |' N

    虚拟制造(Virtual Manufacturing VM)技术是虚拟

7 N4 W: ^' Q6 p" |3 Q

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

/ @7 ~5 p8 |8 w. Q

借助建模与仿真技术及时地完成制造全过程的模拟和

示范，并预测评价产品性能和产品的可制造性。数控

5 M6 b, q0 X ]3 U

(NC)车削程序的编制过程与工艺过程相似，都具有经

( x. Y4 m4 o2 v6 F

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

& q9 G) _$ @# J+ f, x3 ~* ~; w1 z

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

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

8 D4 V* q& R I! {) E2 R' ?

进行干涉和碰撞检查，校验数控程序，故可以大大减

. a, d5 T5 f" f

少上述情况的发生，提高数控编程效率和质量。

' n+ I3 ^. f x" b, k {. a

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

9 Q% d1 V* M' q1 [( _5 Y

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

X' U: F$ o1 x8 P. t7 e. h

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

4 j, N3 ~5 ]) Q/ g! j

及其加工过程进行仿真，动态显示产品加工过程和结

D S1 S5 `% n: z8 Y0 Y, ?

果，以实现产品零件的虚拟加工，并验证ＮＣ程序的正

确性。

9 n9 u. i8 ^+ w% r5 g

图１为系统的设计流程图。　

2 n; v" [6 [# E

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

5 H/ X% |* @( w, I) J+ q) R7 d

正确性检查，故要求系统能够在加工之前通知操作人

0 H1 X: w3 [9 F5 o% \; \- u6 U

员ＮＣ程序中是否存在语法错误，上下程序段间的逻辑

$ l8 }) H2 o# u

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。

比如检查地址符字母是否大写，上下程序段之间的逻

. D b- o/ R6 E( C' C8 f

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

: {% k% \. Q% J

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。　

7 V) i1 e* z% @( y

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

' G/ z! v3 s/ e' l9 h2 p

件组成，结构较为复杂，用OpenGL函数进行造型工作

" v2 e0 b! m3 A

量太大，故先在ＣＡＤ软件Ｐｒｏ／Ｅ中造型出数控机床各个

0 e( K, R7 L1 c$ J

零部件，将其导出成标准的三维数据格式ＳＴＬ，在程序

% c; X* B' d L5 B

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

6 e1 X3 d3 ~( T! I

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。　

/ q5 J3 x; n8 V& l

２．３ 数控加工过程仿真实现　

* P+ n" L; |5 f8 @6 ~+ Y

     数控车床的毛坯常用棒料或铸锻件，加工余量较

g' E9 \: S! ~( g* h

大，但加工的零件形状较为简单，一般都是回转体零

4 c5 b- L0 C& [9 ^+ C0 }

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，

8 g) S0 D, h& g* H3 m

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

6 N5 h" ]' Z8 q2 N

如下:

8 { e7 F0 ?) _7 P$ e

struct PieceCylinder

/ v& x" t m* z; [

{

c: q/ ]" `$ l

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

double m_dInSt;///内圆起点半径值

" G) x0 W- r# k

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

! D: |% A9 f6 E6 g

};

( ^6 R- c) C0 u3 W1 B3 G H4 u; } m( a/ |

    由于车削加工的回转体常常有内孔，车削时也可

5 D* D' s+ t o0 E/ _+ q' r

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

7 q" _5 P( O" ]+ h+ Z4 V& y

的显示加工的复杂回转面，如圆弧面、双曲面等，每

. y4 ~5 e2 r. ^/ ]

个薄片在 Z 轴方向分为起点和终点。其起点和终点处

# A. I; S+ M: J7 v' F' G

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

/ I. `, x/ d9 C

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

9 X! n% z) |% R$ z9 L- X5 ?- O

所需的外形，每一步刀具所扫掠出的均是一个多边形。

, P* X# v7 d3 ~+ }; A+ y

根据每一步的插补指令，求解出该步刀具所扫掠出的

/ D1 j# u+ p7 r5 H0 s

多边形。将刀具扫掠出的多边形和离散后的工件模型

3 L9 C X9 f7 f4 N. G) w' ]/ V

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　

    为了验证系统的仿真效果，进行了两个加工实例

* g+ i& s9 q3 E: t) b. t) y1 Y% K

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

4 s6 p+ P, R9 ~( G* g2 Q" y2 \. z

定循环里面包含G70的精车循环，程序O1235是G72端

. R: M9 w6 \5 S$ v9 z3 j U5 ?

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。

, I% m# u4 g* b9 E

O1234

Sffice:smarttags" />1200M3

; s, g! |6 l/ ~* S0 }( W' Y

T0101

Z+ q, v! v8 _1 R( ]( [4 g

G50X100Z50

% m' }) t: M8 e) z( a1 _: @

G0X80Z5

G71U3R0.2

! A! I9 J t, A& r+ H

G71P00Q60U0.2W0.1F200

N00G0X6Z1

N10G1X10Z-3

N20G1W-15

9 ~+ W# b8 ]* C' \

N30G2U30W-15R15

N40G1W-30

& c: B" N- A1 c2 Z( e: O

N50G3U30W-15R15

2 @/ J4 P( C( z% @8 C& G

N50G1U10W-10

N60G1W-70

! p* y* P+ `5 C% {4 _8 p

N70G0X100Z50

G0X30Z5

G70P10Q60

; _8 P: F: r0 l' B! d

G0X120Z20

M30

- u |$ y/ i* k+ ?

O1235;G72横向切削复合循环

; A* G% c. k2 m; e$ O# R

S1200M3

: V( g' e- `/ F' z2 u

T0101

G50X50Z50

7 e/ M7 m0 P' C% v% u9 \

G0X32Z5

G72U2R0.2

G72P10Q50U0.2W0.1F200;呼叫子程序

8 I& o7 k( A9 y2 d

N10G0X80Z-80

N20G1X60Z-70F100

T* a/ F, }0 `0 m& |4 E

N30W8

( F4 D2 j/ ^+ B3 R7 f

N40G3X30W15R15

N50G1X18Z2

N60G0X100Z50

G0X30Z5

G70P10Q50

* j1 w1 f. Z$ W/ K0 Y/ X

G0X100Z50

M30

+ B u. a, ~ y

４ 结论　

3 B7 ?; h+ n- w

   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

7 K" A; T* `/ N5 X6 S7 \9 I

业培训、数控教学等行业中，具有广泛的应用前景。

: ]1 A l0 o7 L4 |! j