數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)方法研究

孫萌 姜海鵬

濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東濟(jì)寧 272037

數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)方法研究

孫萌 姜海鵬

濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東濟(jì)寧 272037

介紹一種車床虛擬加工系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并利用VC++和OpenGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明，該虛擬加工系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真，具有逼真的仿真效果，可廣泛應(yīng)用于數(shù)控教學(xué)及培訓(xùn)中。

數(shù)控機(jī)床；模擬加工；教學(xué)及培訓(xùn)

數(shù)控機(jī)床已成為制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)設(shè)備，數(shù)控車削加工在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。近幾年來，學(xué)校和技能培訓(xùn)部門也都引進(jìn)許多數(shù)控機(jī)床，只有使自己培養(yǎng)的技術(shù)人員具有一定的數(shù)控知識(shí)和操作經(jīng)驗(yàn)，才能順利走向市場，具有更強(qiáng)的競爭力。但是數(shù)控車床價(jià)格昂貴，因此在購買少量數(shù)控車床的基礎(chǔ)上，再配置相應(yīng)的仿真軟件，這樣既降低教學(xué)成本，增強(qiáng)教學(xué)效果，又可減輕教師和學(xué)生的勞動(dòng)強(qiáng)度，保障教學(xué)安全。本研究介紹筆者開發(fā)的數(shù)控車削加工仿真系統(tǒng)。利用VC++軟件和OpenGL面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法開發(fā)一個(gè)可視化仿真系統(tǒng)，用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供一個(gè)良好的模擬操作環(huán)境。利用實(shí)驗(yàn)軟件與數(shù)控機(jī)床相結(jié)合的方法充分優(yōu)化教學(xué)過程，已成為許多學(xué)校和培訓(xùn)部門的研究開發(fā)方向。

本文主要介紹機(jī)床模擬加工系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路，另外還分析設(shè)計(jì)步驟及功能擴(kuò)展方法。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 總體思路

數(shù)控機(jī)床模擬加工系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是要采用總分式結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)方案，首先設(shè)計(jì)出統(tǒng)一的與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)操作面板完全相同的操作界面，并實(shí)現(xiàn)界面上所有按鈕的功能以及由此引起的顯示狀態(tài)畫面的變化及切換，然后各種功能單獨(dú)實(shí)現(xiàn)。

由于OpenGL已成為最為廣泛使用和支持的2D和3D圖像應(yīng)用程式接口，并且具有很強(qiáng)的可移植性，編程簡單，生成的動(dòng)畫效果和三維圖形的質(zhì)量高，所以整個(gè)模擬加工的3D顯示引擎選用OpenGL來實(shí)現(xiàn)?？紤]到VC++功能強(qiáng)大，開發(fā)出的系統(tǒng)執(zhí)行效率高，且便于控制OpenGL，因而選用VC++作為整個(gè)虛擬加工系統(tǒng)的開發(fā)工具。通過對(duì)數(shù)控車床及其加工過程進(jìn)行仿真，動(dòng)態(tài)顯示產(chǎn)品加工過程和結(jié)果，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品零件的虛擬加工，并驗(yàn)證NC程序的正確性[1]。

1.2 虛擬機(jī)床環(huán)境的搭建

數(shù)控車床加工設(shè)備模塊設(shè)計(jì)可忽略機(jī)床內(nèi)部傳動(dòng)裝置以及伺服裝置等。所以利用Pro/E野火3.0軟件對(duì)數(shù)控機(jī)床各個(gè)零部件進(jìn)行實(shí)體造型，軟件三維造型庫中的一組形狀規(guī)則的基本幾何實(shí)體（立方體、圓柱、圓環(huán)等）的交、并運(yùn)算構(gòu)建機(jī)床的主要部件模型，將其導(dǎo)出成標(biāo)準(zhǔn)的三維數(shù)據(jù)格式STL。在程序運(yùn)行過程中通過提取STL文件進(jìn)行裝配，從而最終組合形成完整的數(shù)控車床本體三維模塊。在繪制機(jī)床時(shí)利用OpenGL顯示列表技術(shù)，將每個(gè)零部件都生成一個(gè)OpenGL的顯示列表，從而大幅度提高重繪效率，滿足實(shí)時(shí)繪制的要求。圖1為虛擬環(huán)境的效果圖。

1.3 動(dòng)態(tài)仿真的實(shí)現(xiàn)

1）工件毛坯仿真（圖2）。

①毛坯的建立。由于車削工件毛坯多為回轉(zhuǎn)體，且多用于加工回轉(zhuǎn)表面。所以采用基于三角網(wǎng)格的方法構(gòu)建工件毛坯模型，利用VC++和OpenGL編程，將工件毛坯的外表面離散為均勻點(diǎn)陣，再將這些點(diǎn)陣按照規(guī)律構(gòu)造成三角形網(wǎng)格，就得到工件毛坯三角網(wǎng)格模型。三角網(wǎng)格密度越大，則仿真結(jié)果越準(zhǔn)確；三角網(wǎng)格過疏，就會(huì)影響仿真效果。因此，三角網(wǎng)格密度不宜過密，也不能過疏，達(dá)到精度要求即可[2]。

②毛坯的切去。刀具每走一步，在當(dāng)前位置把刀具所在區(qū)域用繪圖區(qū)域的背景顏色涂色。毛坯對(duì)稱的區(qū)域也畫一把刀具，但刀具的顏色與背景顏色一樣，同步地用背景顏色涂色，這樣就好像毛坯在旋轉(zhuǎn)中對(duì)稱地被切削成形。

2）機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真。

①刀具速度的控制。在模擬過程中，刀具每走一步，延時(shí)一定時(shí)間，達(dá)到動(dòng)態(tài)模擬仿真的效果。模擬速度的控制也就是對(duì)延時(shí)時(shí)間的控制，延時(shí)時(shí)間越少，模擬的速度越快；相反，延時(shí)時(shí)間越長，模擬的速度越慢。

②刀具位置的控制。在切削仿真的每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，首先執(zhí)行的機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真：根據(jù)緩沖區(qū)中主軸轉(zhuǎn)速將機(jī)床主軸轉(zhuǎn)過一個(gè)角度；根據(jù)x位移、z位移的數(shù)值讓中托板和刀具、刀架移動(dòng)到相應(yīng)的位置。在VC++中，將畫圖的模式DrawMode置7[3]，應(yīng)用異或功能繪圖。刀具每走一步，在當(dāng)前位置用異或功能重畫刀具圖，并將前一位置的刀具圖擦去，同時(shí)延時(shí)一定的時(shí)間，達(dá)到刀具移動(dòng)的動(dòng)態(tài)效果。

2 運(yùn)行實(shí)例

通過加工實(shí)例的研究來驗(yàn)證系統(tǒng)的仿真效果。程序O0001為利用多重復(fù)合循環(huán)G71、G70加工軸類零件，效果圖見圖3、圖4。程序如下：

3 結(jié)論

詳細(xì)介紹車床虛擬加工系統(tǒng)的一種實(shí)現(xiàn)方法，并采用這種方法實(shí)現(xiàn)車床虛擬加工系統(tǒng)。利用虛擬加工系統(tǒng)，對(duì)車床運(yùn)動(dòng)和工件切削進(jìn)行仿真，得到良好的仿真效果。該虛擬加工系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于真實(shí)加工前進(jìn)行仿真試切，在工業(yè)培訓(xùn)、數(shù)控教學(xué)等行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]張津.基于VB的數(shù)控車削圖形仿真[J].長沙電力學(xué)院學(xué)報(bào),2002,17(2)∶57-60

[2]薛承宗,何聰惠,陳陵.車床虛擬加工系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法研究[J].福建農(nóng)機(jī),2005(3)∶11-13

[3]劉翼偉,張瀅,楊者青.數(shù)控車削加工仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究[J].航空制造技術(shù),2005,6(2)∶79-80

Research on Implementation Methods of CNC Simulation Machining System

Sun Meng, Jiang Haipeng

This article introduced a way of designing NC simulation machining system and realized it using VB and OpenGL software. The system operation shows that this simulation machining system can realize real-time simulation well, has the lifelike simulation effect, therefore can apply in the numerical control teaching and training.

numerical control engine bed; simulation machining; teaching and training

Author’s address Jining Vocational Technology College, Jining, Shandong, China 272037

TP391.9

B

1671-489X(2011)03-0086-02

10.3969/j.issn.1671-489X.2011.03.086

作者：孫萌，碩士，助教，從事機(jī)電一體化方向的教學(xué)與研究；姜海鵬，碩士，講師，從事機(jī)電一體化方向的教學(xué)與研究。