基于OpenGL的虛擬數(shù)控車床加工仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

肖元昭 岳 磊

基于OpenGL的虛擬數(shù)控車床加工仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

肖元昭 岳 磊

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000）

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，各種新型科技的不斷創(chuàng)新和研發(fā)，在工業(yè)行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隨著虛擬數(shù)控車床技術(shù)的廣泛使用，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)借助Visual C++6.0的平臺(tái)，對(duì)虛擬數(shù)控車床技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，由此研發(fā)了基于OpenGL的虛擬數(shù)控車床加工仿真系統(tǒng)。本文主要對(duì)基于OpenGL的虛擬數(shù)控車床加工仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用進(jìn)行分析。

OpenGL；虛擬數(shù)控車床；加工仿真系統(tǒng)；三維仿真圖像

虛擬仿真系統(tǒng)模擬數(shù)控車床的加工操作，實(shí)現(xiàn)高效的人機(jī)結(jié)合，在不同加工任務(wù)及加工條件下，可以完成不同的轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度及NC代碼的動(dòng)態(tài)仿真［1］。因此，本文以某機(jī)床生產(chǎn)的GSK 928TC型號(hào)的數(shù)控機(jī)床作為本次的研究實(shí)例，分析基于OpenGL的虛擬數(shù)控車床加工仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 基于OpenGL的虛擬數(shù)控車床加工仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于OpenGL的虛擬數(shù)控車床加工仿真系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)主要包括以下模塊。①面板模擬模塊，主要用于人機(jī)交互的接口，通過(guò)點(diǎn)擊操作面板中的按鈕控制機(jī)床的各項(xiàng)功能，包括轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、刀具的架位及卡盤(pán)等，同時(shí)，還能完成NC代碼的創(chuàng)建、保存等多項(xiàng)操作［2］。②NC代碼解釋模塊，通過(guò)設(shè)置該模塊，實(shí)現(xiàn)加工程序的譯碼。通過(guò)對(duì)NC代碼中的功能性數(shù)值進(jìn)行識(shí)別，并傳遞給控制變量，從而實(shí)現(xiàn)刀具軌跡的計(jì)算，完成車刀的相應(yīng)實(shí)時(shí)動(dòng)作。③刀具選擇模塊，該模塊主要是根據(jù)不同的生產(chǎn)加工零件需求，對(duì)刀具進(jìn)行重新選擇安裝，生產(chǎn)出多樣性的零件結(jié)構(gòu)，為模擬加工做準(zhǔn)備。④切削計(jì)算模塊，根據(jù)車床刀具運(yùn)行軌跡與具體位置，判斷毛坯與車床刀具之間的干涉情況。⑤毛皮創(chuàng)建模塊，該模塊主要用于對(duì)毛坯的創(chuàng)建和安裝。根據(jù)具體的加工要求，設(shè)定毛坯參數(shù)，之后完成創(chuàng)建，并安裝在三爪卡盤(pán)上等待加工。⑥圖形顯示模塊，該模塊主要是為了在運(yùn)作過(guò)程中的三維圖像，根據(jù)三維模型的成像數(shù)據(jù)［3］，使用OpenGL程序，將三維圖像顯示在計(jì)算機(jī)的主屏幕上。

圖1 基于OpenGL的虛擬數(shù)控車床加工仿真系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 基于OpenGL的虛擬數(shù)控車床加工仿真系統(tǒng)的應(yīng)用

基于OpenGL的虛擬數(shù)控車床加工仿真系統(tǒng)運(yùn)作流程如圖2所示。毛坯的創(chuàng)建及車道的安裝可以在屏幕上實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)對(duì)毛坯的參數(shù)，以及車刀的位置坐標(biāo)具體變量進(jìn)行初始化。通過(guò)對(duì)已存在的NC代碼完成手動(dòng)輸入或者載入，即可實(shí)現(xiàn)車削仿真[4]。NC代碼解釋模板可以完成對(duì)車刀具體運(yùn)作軌跡的計(jì)算，借助切削計(jì)算模板，完成對(duì)刀尖坐標(biāo)的計(jì)算，有效判斷是否與毛坯出現(xiàn)干涉情況，之后完成切削量的計(jì)算，實(shí)時(shí)改變毛坯的形狀，最后通過(guò)借助OpenGL程序，顯示仿真程序的三維圖像。

圖2 基于OpenGL的虛擬數(shù)控車床加工仿真系統(tǒng)運(yùn)作流程

3 基于OpenGL的虛擬數(shù)控車床加工仿真系統(tǒng)的優(yōu)化

3.1 系統(tǒng)建模與優(yōu)化

虛擬數(shù)控車床加工仿真系統(tǒng)的三維圖像，可以按照文件的形式進(jìn)行保存，借助第三方軟件作為保存一大OpenGL-CPP數(shù)據(jù)點(diǎn)，經(jīng)由OpenGL得以顯示，完成數(shù)據(jù)讀取全過(guò)程的模型創(chuàng)建［5］。該流程雖然在一定程度上實(shí)現(xiàn)了較好的渲染效果，提高了數(shù)據(jù)保存的實(shí)用性，但也浪費(fèi)了一定的后臺(tái)運(yùn)行資源，影響了系統(tǒng)的整體使用性能。通過(guò)借助OpenGL本身所提供的三維模型，可以將幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化、組合，直接對(duì)組合體進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而通過(guò)函數(shù)系統(tǒng)具體繪制成三角形或者多邊形平面圖形，也可使用函數(shù)繪制圓形或者圓柱形的圖案面。最后，將繪制的模型通過(guò)幾何數(shù)值轉(zhuǎn)換成模型的空間位置設(shè)置，組成系統(tǒng)性整體，通過(guò)圖像反映可視區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，可以使仿真系統(tǒng)更加真實(shí)，更具實(shí)用操作性。而此種方法的優(yōu)點(diǎn)是后臺(tái)計(jì)算量較小，車床的刀具位置坐標(biāo)也顯示得更加精準(zhǔn)，確保了加工的精準(zhǔn)性［6］。

3.2 譯碼

對(duì)于虛擬數(shù)控設(shè)備，其行為控制實(shí)質(zhì)NC代碼及控制面板指令對(duì)設(shè)備各運(yùn)行部件的控制。因此NC代碼解釋模塊的設(shè)置必不可少。該模板在完成代碼編輯之后，譯碼工作與車床仿真工序同步進(jìn)行。譯碼的主要執(zhí)行步驟是首先讀取系統(tǒng)第一行代碼，然后對(duì)每一行代碼中的功能值進(jìn)行識(shí)別判斷，最后傳遞功能值，直至代碼翻譯程序完畢。依照上述程序完成全部NC代碼。

4 結(jié)語(yǔ)

該種設(shè)計(jì)滿足了基于OpenGL的數(shù)控車床虛擬加工仿真系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中具備更好的性能，在具體應(yīng)用過(guò)程中具有一定的時(shí)效性，達(dá)到了數(shù)控車床仿真系統(tǒng)所預(yù)期的效果。系統(tǒng)的控制界面及車床刀具的設(shè)計(jì)更好地體現(xiàn)了該系統(tǒng)的交互作用，也通過(guò)切削計(jì)算使該系統(tǒng)的后臺(tái)計(jì)算速度明顯提升。因此，基于OpenGL的虛擬數(shù)控車床加工仿真系統(tǒng)具備良好的實(shí)際推廣價(jià)值。

［1］李國(guó)良，王培俊，侯磊，等.基于OpenGL的虛擬數(shù)控車床加工仿真系統(tǒng)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（11）：168-170.

［2］侯磊.基于OpenGL與VC++的虛擬數(shù)控車床加工仿真研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2011.

［3］侯磊，王培俊，李國(guó)良，等.基于OpenGL與VC++的虛擬數(shù)控車床加工仿真研究［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011（4）：4-6.

［4］許朝陽(yáng)，黃筱調(diào).基于OpenGL的數(shù)控成形銑齒加工過(guò)程仿真的研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（7）：72-74.

［5］孫萌，姜海鵬.數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)方法研究［J］.中國(guó)教育技術(shù)裝備，2011（3）：86-87.

［6］李夢(mèng)梅.基于OpenGL的數(shù)控車削仿真軟件的實(shí)現(xiàn)［J］.電子世界，2014（10）：166.

Design and Application of Virtual NC Lathe Machining Simulation System Based on OpenGL

Xiao Yuanzhao Yue Lei
（Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou Henan 450000）

With the continuous development of society,a variety of new technology innovation and research and development,industrial applications in more and more widely.With the wide use of virtual NC lathe technology,on the basis of this,by means of Visual C++6.0 platform,the innovation of the virtual CNC lathe technology,the development of virtual NC lathe machining simulation system based on OpenGL.This paper mainly analyzed the design and application of virtual NC lathe machining simulation system based on OpenGL.

OpenGL；virtual NC lathe；processing simulation system；3D simulation image

TP391.9；TG519.1

A

1003-5168（2017）10-0071-02

2017-09-01

肖元昭（1985-），男，本科，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：機(jī)械制造工程；岳磊（1986-），男，本科，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：機(jī)械制造工程。