车床虚拟加工系统实现方法研究

老鹰

引言　 fficeffice" />

+ Q/ c. m5 ^ B+ Z4 T& h

虚拟制造(Virtual Manufacturing VM)技术是虚拟

, Q8 Z( d: z/ Q/ z/ J* L+ n

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

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

' p- M. y# v2 Y! f& 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

/ |# ]# o+ F0 e

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

+ }& d0 u: q; s# M9 s: w9 Q

方法来检验刀具路径既费时又费力。随着数控编程技

4 a# X# a; [" H* [# K3 @6 u

术的发展，人们采用视觉检查NC刀具轨迹的二维线

0 _: c0 Z7 I K9 {. _' H

框图，这种方法主要依赖于程序员对易错区选择的判

$ h: }0 N0 A, T1 V

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

7 l3 N2 B! T1 O% S; b

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

3 V J1 X3 [4 \" G9 Q: C) B

图形库能够制作出高质量的三维图形和高质量的动画

4 D+ ]2 s8 N: U! h: u- W

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

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

9 A' m1 X5 E/ _4 Y: [

及其加工过程进行仿真，动态显示产品加工过程和结

0 d; l8 ^% \) n4 c$ ?1 T1 \

果，以实现产品零件的虚拟加工，并验证ＮＣ程序的正

确性。

: z% q, B0 r2 l2 C7 G& @$ I

图１为系统的设计流程图。　

２系统功能实现　

２．１　ＮＣ程序编译　

) o9 t8 d, A% W* N8 a

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

9 m! T8 F* a" U" o

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

3 ]! A' t H6 v6 v7 b

对NC程序进行编码。根据编译原理的思想[1,2],构造出

" b7 u" l, ]1 N: K$ F# S

NC程序编译模块，对NC程序进行语法和词法检查。

! b6 D$ I3 v" r3 T, w! d) z& e. |

比如检查地址符字母是否大写，上下程序段之间的逻

. n9 O) N4 I/ I, F$ K2 F" C

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

" b; f2 O1 _) C0 |) \/ [

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。　

２．２虚拟车床本体的搭建　

, e& L3 `6 l) e

在数控加工几何仿真系统中，首先要建立虚拟加

& f/ R9 H- D! h0 w* Y

工环境，实现虚拟数控机床。由于机床是由许多零部

$ ?& _$ q+ J0 m2 H! [ y

件组成，结构较为复杂，用OpenGL函数进行造型工作

, r1 B, q6 O2 v" I" ^

量太大，故先在ＣＡＤ软件Ｐｒｏ／Ｅ中造型出数控机床各个

9 r+ h. O: N* \# l$ D

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

1 [% _* K8 R: O4 U r5 e

利用了ＯｐｅｎＧＬ显示列表技术，将每个零部件都生成一

6 }. M4 u. n" b( l! I: V: w" j

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

& U/ b* A; H$ P6 I) K

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

) P8 A& N6 T* w& z$ D! B' N) e

掠体之间耗时的布尔运算，将毛坯沿Z向进行离散，

* b+ P9 ~- L3 p7 j) b& U

将毛坯离散成单位高度的小圆柱，每个小圆柱称为一

' W% T( U" h- O' W

个薄片，每个薄片的厚度根据精度和显示效果的要求

/ n/ Y: `* d) w! [! b

来确定，精度越高，切的越薄。每个薄片的数据结构

如下:

( R2 l+ B# h! C& { f1 |

struct PieceCylinder

{

. N6 A* X* R! K" S% w

double m_dZSt;///////起始Z坐标

6 F ?2 \1 @+ @ @

double m_dZEd;//////结束Z坐标

S/ o" l0 K) Y5 X5 J5 y* {

double m_dROutSt;////外圆起点半径值

double m_dROutEd;///外圆终点半径值

) E0 s" I4 P7 r

double m_dInSt;///内圆起点半径值

0 Q) Q* z1 D5 I6 M( ]

double m_dInEd;////内圆终点半径值

9 F$ G8 H* I: X6 F _- g

BOOL m_bIsDelete;//////该部分薄片是否被切除

PiesCylinder* m_pNext;/////下一个薄片数据

};

( k, H; w3 t# V

由于车削加工的回转体常常有内孔，车削时也可

, f) h7 k* y, @8 ]. E

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

/ N$ {, i3 X" O

的显示加工的复杂回转面，如圆弧面、双曲面等，每

0 T$ X) ?0 D$ i/ _

个薄片在Z轴方向分为起点和终点。其起点和终点处

& u* v1 t' i% _! V8 u) ~/ T- \

外圆、内孔的半径根据加工中的刀路轨迹单独计算和

存储。

- M% r6 \2 U. `; |" |( |$ W

在车削加工过程中，一方面工件绕其自身的回转

% c; p' q- n+ Q2 T* X

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

7 g1 u V% z2 U' G! z6 _

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

; }, e- ] m0 L% m

多边形。将刀具扫掠出的多边形和离散后的工件模型

9 \! |' p e. O6 }

求交，并相应修改工件上所有和刀具扫掠多边形相交

2 ^& o. v; w4 x

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　

+ v/ q# M! L: @: h

为了验证系统的仿真效果，进行了两个加工实例

- z; d0 }8 s7 r% k

研究。由于固定循环的实现比较有代表性，故这里选

! H# r- X7 N( Y- E8 Z; R. F. N

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

' u6 a, I7 H, R/ R: X) S- |

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。

7 y( Y" c+ G, M7 ^ H. {' l! \) i

O1234

7 c9 m. H$ B$ k( Y" X8 S: |/ _9 Y2 i S0 Q

S ffice:smarttags" /> 1200M3

0 w- J8 Q( M% v) M* W+ R

T0101

G50X100Z50

( V/ \' a+ c; @! |( w, \

G0X80Z5

! _( n/ v( X7 U1 Q) y* @1 X

G71U3R0.2

; m7 `9 b" e, R! Z

G71P00Q60U0.2W 0.1F 200

N 00G 0X6Z1

N 10G 1X10Z-3

N 20G 1W-15

, {# W' H1 F: j) n3 q3 W( a

N 30G 2U30W-15R15

N 40G 1W-30

N 50G 3U30W-15R15

+ m9 z" Q( D$ s; Q$ j" j5 F

N 50G 1U10W-10

* |1 y$ g3 F0 F5 o+ ^8 e3 \: K" t

N 60G 1W-70

$ T5 C7 V( B; @+ p

N 70G 0X100Z50

) _. a( A' Z! {3 Y2 c0 g! [

G0X30Z5

G70P10Q60

G0X120Z20

M30

O1235;G72横向切削复合循环

" F: K; O7 _- K* J

S 1200M3

T0101

& U1 }0 c1 j+ n( X

G50X50Z50

, \% S6 U, v* p% B

G0X32Z5

: y/ ]* m5 K" O% t

G72U2R0.2

: m, p" D" F4 a& l4 K* U7 `

G72P10Q50U0.2W 0.1F 200;呼叫子程序

7 D0 f( \8 j; L. d4 j

N 10G 0X80Z-80

5 n Z; \! T* L. \

N 20G 1X60Z -70F 100

N30W8

/ \( D2 i/ D; p! V' G

N 40G 3X30W15R15

N 50G 1X18Z2

* M* x& Z' ~2 V5 B, L5 A

N 60G 0X100Z50

G0X30Z5

G70P10Q50

G0X100Z50

M30

X. [3 f- r; D4 V

４结论　

$ L' c% X) P; u; {6 Z

详细介绍了车床虚拟加工系统的一种实现方法，

* N4 f; D- A9 [$ w) R3 e4 F5 |

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。

N: {8 K4 |7 K K4 d' H4 W