數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)模型實現(xiàn)方法研究

孫萌 姜海鵬

濟寧職業(yè)技術學院 山東濟寧 272037

數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)模型實現(xiàn)方法研究

孫萌 姜海鵬

濟寧職業(yè)技術學院 山東濟寧 272037

介紹一種車床虛擬加工系統(tǒng)的設計方法，并利用VC++和OpenGL技術實現(xiàn)該系統(tǒng)。系統(tǒng)運行結果表明，該虛擬加工系統(tǒng)較好地實現(xiàn)實時仿真，具有逼真的仿真效果，可廣泛應用于數(shù)控教學及培訓中。

數(shù)控機床；模擬加工；教學及培訓

數(shù)控機床已成為制造業(yè)實現(xiàn)自動化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎設備，數(shù)控車削加工在現(xiàn)代機械制造業(yè)中的應用日益廣泛。近幾年來，學校和技能培訓部門也都引進許多數(shù)控機床，只有使自己培養(yǎng)的技術人員具有一定的數(shù)控知識和操作經(jīng)驗，才能順利走向市場，具有更強的競爭力。但是數(shù)控車床價格昂貴，因此在購買少量數(shù)控車床的基礎上，再配置相應的仿真軟件，這樣既降低教學成本，增強教學效果，又可減輕教師和學生的勞動強度，保障教學安全。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面向對象的程序設計方法開發(fā)一個可視化仿真系統(tǒng)，用于教學實驗，為學生提供一個良好的模擬操作環(huán)境。利用實驗軟件與數(shù)控機床相結合的方法充分優(yōu)化教學過程，已成為許多學校和培訓部門的研究開發(fā)方向。

本文主要介紹機床模擬加工系統(tǒng)的總體設計思路，另外還分析設計步驟及功能擴展方法。

1 系統(tǒng)總體設計方案

1.1 總體思路

數(shù)控機床模擬加工系統(tǒng)的設計是要采用總分式結構的模塊化設計方案，首先設計出統(tǒng)一的與機床數(shù)控系統(tǒng)操作面板完全相同的操作界面，并實現(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，然后各種功能單獨實現(xiàn)。

由于OpenGL已成為最為廣泛使用和支持的2D和3D圖像應用程式接口，并且具有很強的可移植性，編程簡單，生成的動畫效果和三維圖形的質量高，所以整個模擬加工的3D顯示引擎選用OpenGL來實現(xiàn)。考慮到VC++功能強大，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++作為整個虛擬加工系統(tǒng)的開發(fā)工具。通過對數(shù)控車床及其加工過程進行仿真，動態(tài)顯示產(chǎn)品加工過程和結果，以實現(xiàn)產(chǎn)品零件的虛擬加工，并驗證NC程序的正確性[1]。

1.2 虛擬機床環(huán)境的搭建

數(shù)控車床加工設備模塊設計可忽略機床內(nèi)部傳動裝置以及伺服裝置等。所以利用Pro/E野火3.0軟件對數(shù)控機床各個零部件進行實體造型，軟件三維造型庫中的一組形狀規(guī)則的基本幾何實體（立方體、圓柱、圓環(huán)等）的交、并運算構建機床的主要部件模型，將其導出成標準的三維數(shù)據(jù)格式STL。在程序運行過程中通過提取STL文件進行裝配，從而最終組合形成完整的數(shù)控車床本體三維模塊。在繪制機床時利用OpenGL顯示列表技術，將每個零部件都生成一個OpenGL的顯示列表，從而大幅度提高重繪效率，滿足實時繪制的要求。圖1為虛擬環(huán)境的效果圖。

1.3 動態(tài)仿真的實現(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體，且多用于加工回轉表面。所以采用基于三角網(wǎng)格的方法構建工件毛坯模型，利用VC++和OpenGL編程，將工件毛坯的外表面離散為均勻點陣，再將這些點陣按照規(guī)律構造成三角形網(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，則仿真結果越準確；三角網(wǎng)格過疏，就會影響仿真效果。因此，三角網(wǎng)格密度不宜過密，也不能過疏，達到精度要求即可[2]。

②毛坯的切去。刀具每走一步，在當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中對稱地被切削成形。

2）機床運動仿真。

①刀具速度的控制。在模擬過程中，刀具每走一步，延時一定時間，達到動態(tài)模擬仿真的效果。模擬速度的控制也就是對延時時間的控制，延時時間越少，模擬的速度越快；相反，延時時間越長，模擬的速度越慢。

②刀具位置的控制。在切削仿真的每一個時間點上，首先執(zhí)行的機床運動仿真：根據(jù)緩沖區(qū)中主軸轉速將機床主軸轉過一個角度；根據(jù)x位移、z位移的數(shù)值讓中托板和刀具、刀架移動到相應的位置。在VC++中，將畫圖的模式DrawMode置7[3]，應用異或功能繪圖。刀具每走一步，在當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，同時延時一定的時間，達到刀具移動的動態(tài)效果。

2 運行實例

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

3 結論

詳細介紹車床虛擬加工系統(tǒng)的一種實現(xiàn)方法，并采用這種方法實現(xiàn)車床虛擬加工系統(tǒng)。利用虛擬加工系統(tǒng)，對車床運動和工件切削進行仿真，得到良好的仿真效果。該虛擬加工系統(tǒng)可廣泛應用于真實加工前進行仿真試切，在工業(yè)培訓、數(shù)控教學等行業(yè)中具有廣泛的應用前景。

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

[2]薛承宗,何聰惠,陳陵.車床虛擬加工系統(tǒng)實現(xiàn)方法研究[J].福建農(nóng)機,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)結構研究[J].航空制造技術,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，從事機電一體化方向的教學與研究；姜海鵬，碩士，講師，從事機電一體化方向的教學與研究。