淺談數控車床模擬加工系統模型實現方法

張波

摘 要 立足于數控車床模擬加工系統的發展與功能、加工系統模型的實現方法進行一次探究，主要探索工件的仿真性與校園教學的結合。

關鍵詞 數控車床；模擬加工系統；模型；OpenGL

中圖分類號：G712 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）22-0032-03

Abstract Based on the development and function of the numerical control lathe simulation processing system and the realization method of the processing system model， this paper explores the inte-gration of the work piece simulation and campus teaching.

Key words CNC lathe； simulation machining system； model； OpenGL

1 引言

數控車床是一種高、精、尖的自動化機床，具有廣泛性的加工工藝性能，而數控車床的模擬加工系統可以完成多項復雜的工件組合。數控車床模擬加工系統是一種自動化的過程，按照事先設置好的加工程序，完善好加工的路線、圖形、刀具的運行軌跡、數字代碼、指令代碼等，自動地對被加工零件進行依次加工，其模擬實現方法對零件小且復雜的批量加工尤為重要，要求更高。這樣一種實用且高精尖的加工模擬系統，操作與切割過程都是計算機來完成，及時發現與改善不足之處，檢驗與修改出精美的模型工件。

就目前而言，我國有相當大的一部分企業使用的數控車床都是由原普通車床改造而來的，采用這樣的一種數控車床有一定的優勢存在。一方面，原普通車床的這類材料、材質都比較便宜，設備需要投入的經費較少；另一方面，原來的設備資源也可以反復使用，節約了設備資源，較少消耗。此外，該車床的性能方面也可以得到一定的提升。總的來說，這樣的數控系統編碼格式與功能都大大滿足了生產生活的要求，符合國際化的標準；但該系統還未達到時代的要求，它采用的數碼管顯示編碼以及加工信息時，若操作或程序設置出現失誤，就會導致整個工件的報廢、事故的發生以及系統的癱瘓。

基于以上數控系統現狀，開發數控車床模擬加工系統一類的軟件可以大大避免失誤的出現。在實際操作過程中，先在系統中模擬操作工程，再進行加工。以計算機作為輔助工具，用現代化的技術操作出程序運行過程中需要經歷的步驟，模擬工件建立、編輯、刀削的過程，反復操練、反復修改，直到零失誤、零事故才執行命令。數控車床模擬加工系統的出現無疑是對產品開發、檢驗、生產、效率與安全都做出新的改變與發展，想要完成模型的實現，還需要投入更多的精力與技術。

2 數控車床模擬加工系統的發展與功能

近年來，數控車床模擬加工系統的涉及面已經由企業大面積拓展到校園，學校的課程與技能培訓過程中引進許多數控車床設備，培訓了一批又一批有經驗、有操作技能的技術人員，為數控機床的發展培養了人才，也為學生就業提供了機會。數控車床模擬加工系統仿真技術是學習的重點，利用VC++軟件與OpenGL面向對象的程序設計方法開發一個可視化的仿真系統，再利用計算機軟件與數控機床結合，提升模擬加工系統的運用與發展。

數控車床模擬加工系統的總體設計方案

1）數控車床模擬加工系統的總思路。總分式的結構模塊化的設計是數控車床模擬加工系統的總體設計思路主要采取的設計方案之一。數控車床模擬加工系統在操作過程中，首先需要制定出一套數控系統，并使該數控系統具備與操作面板相同的操作界面，實現二者的配合；其次是充分利用面板上的所有按鈕，使之功能達到最大化，在操作過程中完成畫面的轉換并在界面上顯示出來；最后，綜合性操作后，剩下的就是完成單個功能的依次運行。

OpenGL是一項跨平臺、跨編程語言的專業的圖形程序軟件接口，對于調動底層圖形庫的使用是一項較為強大的功能，自該軟件出現以來就被廣泛運用，甚至對于其他計算機平臺以及設備程序的創新與發展都有一定的借鑒意義。2D、3D是軟件OpenGL目前最為廣泛接受的圖形API，具有較強的高視覺沖突性與可移植性。相比于其他軟件編程，該軟件的編程簡單，但生成圖像分辨率、動畫效果質量高，所以多數的數控車床模擬加工會選擇OpenGL中的3D圖形來顯示與執行。

2）數控車床模擬加工系統虛擬機床環境的搭建。VC++（Microsoft Visual C++）是微軟公司開發的功能較強的開發平臺，經過版本的多次更新與修訂，現開發出的系統執行效率高，擁有代碼編寫與界面設計集成交互操作、程序框架自動生成、靈活方便的管理、可開發多種程序等優點。選用VC++與OpenGL的配合效率高，是虛擬加工系統開發的一個重要工具。利用數控車床模擬加工過程的仿真性來檢驗產品的加工過程與結果，力求實現產品零件的虛擬加工要求。

搭建虛擬機床的環境，在設備模塊設計中可以考慮省略部分伺服裝置、傳動裝置等。在數控車床各零部件的實體造型設計中可以利用野火3.0軟件來進行簡易操作，選擇形狀較為規則的圓柱、正方體、立方體等基本幾何實體來交叉計算構建機床的主要部件模型，并利用計算機虛擬出機床所需要的三維數據格式STL。通過在三維數據的運行過程中提取出相應的數據來進行結構裝配，組合成一個個完整的數控車床的模擬三維圖形。OpenGL在此過程中發揮的作用是在繪制機床時將每個零部件都生成并顯示出所有的系統列表，從而提高虛擬搭建模型的效率，滿足虛擬搭建繪制的要求。

數控車床模擬加工系統的運行環境 數控車床模擬加工系統的運行對硬件與軟件的要求都非常高，對于硬件最低的要求配置都必須是4 M的內存、鼠標器、80386微機、VGA彩色顯示器的搭配，版本的要求也必須是至少2.0，不同的軟件平臺版本也有不同的要求。此外，數控裝置、伺服單元、驅動裝置、冷卻系統、防護系統等都是該系統的一小部分配備裝置，高精尖的模擬加工系統對于運行環境的要求同樣極高。

數控車床模擬加工系統的組成與功能

1）系統四大構成板塊。數控車床模擬加工系統主要由四大板塊構成，如圖1所示。

2）系統程序中的輸入與編輯。數控車床模擬加工系統的四大板塊中有三個板塊對于程序的加工與引導有著不可或缺的作用，程序的輸入與編輯這一板塊是加工系統中核心的一道步驟，在程序畫面上進行編輯并且控制面板，使得面板中展現出來的畫面與后臺操作的畫面保持一致。系統加工與引導程序的輸入工序需要反復進行插入、查詢、復制、修改、刪除、保存等操作，以求達到合適的輸入與編輯數據。以某零件的程序輸入與編輯為例進行說明。

①加工程序輸入：

%100

N5 G90 X35 Z65

N15 G02 X0 F1505

N25 Z55 F195

N35 G01 X15 Z57I0 K-8 F45

N45 G03 Z50 F198

N55 X22 Z35

N65 X35 Z68 F1500

N75 M01

在對加工程序的輸入中有不同的要求，輸入前要考慮屏幕上電源的開關設置，且必須提示“>”符號才可以進行編輯；而輸入時，對于%鍵、LF鍵、數碼管顯示器、MON復位鍵等都有連貫的要求，與在數控車床控制面板上的輸入過程是一致的，不同之處在于操作需要通過鼠標器來進行，用手來操作屏幕面板是無法完成該操作的。

②引導程序的輸入：

%0

N5 L95

這類最簡單的操作程序，與引導程序的輸入方法相似但不相同，這也就表明不同的輸入程序都是可以進行保存的，只需要標注不同的命名就可以完成，而%0就可以作為該程序的命名。

3）工具的選擇與材料的加工。對于毛坯的裝卸與材料的加工，多數采用的車削為八類器具，對刀是這八類器具中常見的一類。在屏幕上進行設置，在圖形中顯示出需要的三排數碼管與+X、-Z等多個按鈕，運用鼠標器來操作這些按鈕（圖2），可以顯示出對刀刀尖的運行軌跡以及切出來的畫面。

4）毛坯的確定與裝卸。毛坯的確定模板多采用彈出式的菜單形式，毛坯的長度與直徑多被詢問采納。毛坯的裝卸環節要求會較高，毛坯的裝上、卸下、左右移動、尺度的觀察、位置的要求、三爪卡盤等都是裝卸的必備過程，三爪在此過程中占有大部分比重，三爪的松開與夾緊，關系著毛坯的取下還是合適位置的選取，對于車床來說都是不可或缺的部分。

5）工件與路線的測量。屏幕上任意兩點的距離都可能影響到工件的加工計算，想要順利完成模擬加工，就要嚴格測量兩點、兩線、兩物體之間的距離，也可以采取測量夾角的方式進行驗證。通過實際的運行軌跡進行測量，對工序的判斷更為直接，也可作為修改工件程序的重要依據。

3 數控車床模擬加工系統的模型實現方法探究

工件毛坯仿真的建立與切除 毛坯的建立與切除是數控車床模擬加工系統模型實現的重要方法之一。其建立是為了仿真結果的精準性，因為車削工件毛坯大多是回轉體，而且很多用于加工回轉的表面。為了加大仿真效果，就要利用現代科技VC++和OpenGL編程，將外面分成均勻的點，然后把這些點按照規律重新組合，就可以得到三角網絡模型。其切去是為了展現切削成形的狀態，在切去的時候，把刀具所在區域用繪圖區域的背景顏色涂色，然后使用的工具和顏色是相同的，讓它們同時對其背景顏色進行染色。這就是毛坯的切除。

機床運動仿真速度與位置的控制 機床運動仿真速度與位置的控制是幫助數控車床模擬加工系統模型實現的另一途徑和方法。仿真速度其實就是具體指刀具的控制速度，在每次使用刀具的時候，根據刀具的使用速度延長一定的時間。這就是動態仿真，為了達到動態仿真的目的，其原理就是由對于模擬速度的控制來實現數控車床模擬加工系統的模型實現，其延長的時間與模擬的速度是呈反比的。關于位置的控制，是根據緩沖的主軸對機床主軸進行作用，根據位移使刀具移動到預定的位置，不僅能將以前的刀具位置刪掉，而且能夠延長時間，以此來達到移動的效果。機床運動仿真速度與位置的控制對實現數控車床模擬加工系統的模型同樣有著非常好的效果。

4 結語

數控系統編碼格式與功能對于現代人的生活具有重要作用，對于提高社會生產力有著積極影響，它們存在密不可分的聯系。本文對于數控車床模擬加工系統的發展與功能、數控車床模擬加工系統的總思路、數控車床模擬加工系統的運行環境、數控車床模擬加工系統的組成與功能以及數控車床模擬加工系統的模型實現方法探究做了分析和敘述。盡管現在關于數控的有關技術還不夠完備，但是相信只要對其不斷進行研究和探索，一定能夠及時發現和改正不足，讓數控車床的優勢發揮得更加明顯。

參考文獻

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