數控車床模擬加工系統模型實現方法研究

孫萌 姜海鵬

濟寧職業技術學院 山東濟寧 272037

數控車床模擬加工系統模型實現方法研究

孫萌 姜海鵬

濟寧職業技術學院 山東濟寧 272037

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

數控機床；模擬加工；教學及培訓

數控機床已成為制造業實現自動化、柔性化、集成化生產的基礎設備，數控車削加工在現代機械制造業中的應用日益廣泛。近幾年來，學校和技能培訓部門也都引進許多數控機床，只有使自己培養的技術人員具有一定的數控知識和操作經驗，才能順利走向市場，具有更強的競爭力。但是數控車床價格昂貴，因此在購買少量數控車床的基礎上，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的數控車削加工仿真系統。利用VC++軟件和OpenGL面向對象的程序設計方法開發一個可視化仿真系統，用于教學實驗，為學生提供一個良好的模擬操作環境。利用實驗軟件與數控機床相結合的方法充分優化教學過程，已成為許多學校和培訓部門的研究開發方向。

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

1 系統總體設計方案

1.1 總體思路

數控機床模擬加工系統的設計是要采用總分式結構的模塊化設計方案，首先設計出統一的與機床數控系統操作面板完全相同的操作界面，并實現界面上所有按鈕的功能以及由此引起的顯示狀態畫面的變化及切換，然后各種功能單獨實現。

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。考慮到VC++功能強大，開發出的系統執行效率高，且便于控制OpenGL，因而選用VC++作為整個虛擬加工系統的開發工具。通過對數控車床及其加工過程進行仿真，動態顯示產品加工過程和結果，以實現產品零件的虛擬加工，并驗證NC程序的正確性[1]。

1.2 虛擬機床環境的搭建

數控車床加工設備模塊設計可忽略機床內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則的基本幾何實體（立方體、圓柱、圓環等）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據格式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為虛擬環境的效果圖。

1.3 動態仿真的實現

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律構造成三角形網格，就得到工件毛坯三角網格模型。三角網格密度越大，則仿真結果越準確；三角網格過疏，就會影響仿真效果。因此，三角網格密度不宜過密，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域用繪圖區域的背景顏色涂色。毛坯對稱的區域也畫一把刀具，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，首先執行的機床運動仿真：根據緩沖區中主軸轉速將機床主軸轉過一個角度；根據x位移、z位移的數值讓中托板和刀具、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效果。

2 運行實例

通過加工實例的研究來驗證系統的仿真效果。程序O0001為利用多重復合循環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的一種實現方法，并采用這種方法實現車床虛擬加工系統。利用虛擬加工系統，對車床運動和工件切削進行仿真，得到良好的仿真效果。該虛擬加工系統可廣泛應用于真實加工前進行仿真試切，在工業培訓、數控教學等行業中具有廣泛的應用前景。

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

[2]薛承宗,何聰惠,陳陵.車床虛擬加工系統實現方法研究[J].福建農機,2005(3)∶11-13

[3]劉翼偉,張瀅,楊者青.數控車削加工仿真系統結構研究[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。