基于OpenGL車削仿真系統的開發與研究*

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(貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

隨著數控車削加工技術的發展，數控自動編程技術初步解決了車削加工問題，為檢查數控程序的NC代碼正確性，傳統方法采用的試切法，這種方法費工費料，甚至由于程序的錯誤而導致機床的損壞。后來采用軌跡顯示方法，但這種方法僅限于平面，不能準確地仿真其實際情況[1]。為此，人們通過運用計算機仿真技術提前驗證NC代碼的準確性，從而提高了生產效率，節約成本，避免制造風險[2-3]。OpenGL是一個開放的三維圖形程序接口、調用方便的底層圖形庫，它獨立于窗口系統和操作系統，與硬件無關，以它為基礎開發的應用程序可以十分方便地在各種平臺間移植，或嵌入其他系統使用[4]。基于OpenGL的程序框架構造好后，用戶只需要在對應的函數中添加程序代碼即可，可擴展性好。針對上述問題，提出了OpenGL車削仿真運動系統，在Visual Studio 2015環境下實現車削加工去除材料的過程。

1 系統總體框架設計

該系統以VS 2015為開發平臺，OpenGL為工具，根據數控車削加工的特點，可將軟件功能分為加工仿真準備模塊與加工仿真過程模塊；其中加工仿真準備模塊和加工仿真過程模塊都包含3個子模塊，如圖1。

圖1 加工仿真系統架構圖

在加工仿真準備模塊中包含：圖形顯示模塊，以OpenGL為工具搭建仿真圖形顯示環境；NC代碼模塊，對NC代碼進行解碼；STL模型模塊，將繪制的刀具以及機床模型的stl文件進行解碼并顯示。

在加工仿真過程模塊中包含：工件運動模塊，使工件自轉，并使刀具和工件擁有獨立的運動；刀具加工運動模塊，刀具軌跡會依據NC代碼進行刀具的運動；毛坯設計模塊，基于幾何仿真原理，隨著刀具車削，毛坯逐漸成形。

2 加工仿真準備

要使仿真系統進行車削仿真需要前期準備，包含OpenGL環境搭建，NC代碼解釋，與stl模型的導入。

2.1 圖形顯示模塊

OpenGL被定義為圖形硬件的一種軟件接口，是一個3D圖形和模型庫，具有高度的可移植性，并且具有非常快速度，獨立于窗口系統和操作系統，與硬件無關，OpenGL是個狀態機的概念，通過創建OpenGL的渲染設備rc，使得OpenGL具有這些狀態功能，然而此時所有的狀態仍是未知的，就需要依次進行設置[5]。

本文采用OpenGL固定管線技術完成模型的繪制，在固定管線中包含兩個矩陣：projection和model view，其中包含三個坐標系：世界坐標系、視口坐標系、屏幕坐標系，要使圖形顯示，就需要對坐標系進行一系列的矩陣變化。首先在世界坐標系下繪制模型，通過模型視口矩陣(model view)對模型進行作用，從而轉換到視口camera坐標系下，然后將模型再投影到視口camera的范圍內，進而圖形才會顯示到屏幕上，投影視口的操作如同攝像機的原理，需要在攝像機拍攝范圍內，鏡頭畫面才有模型的顯示。由于計算機屏幕上只能表現二維平面，要使得車削仿真系統顯示三維圖形，還需投影矩陣(projection)從三維物體轉到二維平面圖像間的變換，投影矩陣會把所有的3D信息投影到2D屏幕上，這樣車削仿真系統中的車刀與毛坯等三維圖形便可在屏幕中顯示。

2.2 NC代碼模塊

NC代碼是從零件圖紙到制成控制介質的過程，NC代碼的格式以首字母代表特定功能，N代表的是第幾工步，G代碼是在NC裝置內部用來處理軸的移動、坐標系的設定等的功能，代碼用G字母和2位數字表示；M代碼的機床運行是由各開關的動作來控制的，控制主軸的旋轉、停止、刀具的更換等，用M字母和2位數字來表示等。

本文采用NC代碼實例：

N0010 G94 G90 G20

N0020 G50 X0.0 Z0.0

N0030 T00 H00 M06

N0040 G97 S443 M03

N0050 G94 G00 X30.Z10.

N0060 X28.

N0070 Z5.5

…

由于NC代碼值是數控車削加工過程的驅動指示，在VS2015平臺不能直接識別，因此需要將NC代碼翻譯成仿真系統所能識別的代碼，先將NC代碼全部存儲到m_resource緩沖區中，針對NC代碼的特點，仿真系統只需從中提取有關運動與狀態信息作為刀具運動軌跡依據，而對于與運動軸相關代碼等信息用詞法檢驗即可，不需進行解讀，然后將存儲所需的NC代碼按照首字母的特性進行匹配，以X字母為開頭代碼為例，通過if語句從m_resource緩沖區找到X首字母并開始讀入后續數字，讀到空格(‘/0’)的位置，將從X到’/0’之間所需的仿真信息按順序封裝到新的m_compete緩沖區。另外還需把所解碼的仿真信息賦值給刀具移動變量，使得刀具運動依據NC代碼的內容進行運動仿真。

實例代碼：

for (it = m_resource.begin()； it

{

//X部分的信息提取

int n=(*it).Find(L"X")；

if(n>=0)//找到‘X’的字母

{

int m=(*it).Find(L""，n)；

if (m<0)

{

m=(*it).Find(L'/0'，n)；//讀到這一橫行代碼的結尾

}

n=n+1；

CStringCoordinateX；

CoordinateX=(*it).Mid(n，m-n)；//用來提取G的信息

rX=_ttof(CoordinateG)；

coor.m_g=rG；

flag++；//標記

}

…

}

2.3 stl模型模塊

stl模型文件是計算機圖形學處理CG，數字幾何處理的最常見文件格式，其文件格式簡單，是由一系列三角面片構成，僅有頂點信息，并沒有光照材質等渲染信息，所以在此系統中只需讀取stl模型只需讀取頂點數據等幾何信息，不必考慮渲染等解碼部分。

解碼stl文件，需要了解stl文件的格式信息，其中stl文件包含兩種格式：一種是ASCII格式，另一種是二進制格式。兩者的區別在于存儲方式的不同。根據不同的stl文件格式，相應解碼也有所不同。本文采用ASCII格式，在ASCII格式下，文件每行都以關鍵字為開頭，模型中每個三角面片的信息是以facet開頭，進而逐行顯示三角面片的幾何信息，其中依次包含：facet normal，從三角面片指向模型外部的法矢量，outer loop以及隨后的 vertex和endloop，集合表達了三角面片的頂點信息。其中vertex的三行數據是三角面片的3個頂點坐標信息，三個頂點跟該三角面片的法向量符合右手螺旋定則，outer loop和endloop僅是頂點數據開始與結束的標記，最后文件以endfacet結尾，完成一個三角面片定義[6]。

根據stl文件的ASCII格式特點，可有兩種讀取方法，一種是逐行進行讀取，另一種是按三角面片個數逐個進行讀取。由于前者逐行讀取中，所讀每一行都需要檢查是否到了文件的endface結束語，影響效率，所以本文系統采用第二種方法：首先求出三角面片個數的總數，其中ASCII格式中每個三角面片所占的行數為七行，因此把行數讀出來除以7所得的商就是三角面片的個數，然后通過for循環操作解析每個三角面片，并且OpenGL的接口實際上是一串float的數組，與stl文件相一致，所以這里面保存了verts頂點坐標信息，以及norms即法向量信息直接進行導入不需做數據結構調整，便可以解出模型。

參考代碼：

for (int i=0；i

{

…

vnorms[count1]=vnorms[count1+3]=vnorms[count1+6]=atof(x)；

count1++；

vnorms[count1]=vnorms[count1+3]=vnorms[count1+6]=atof(y)；

count1++；

vnorms[count1]=vnorms[count1+3]=vnorms[count1+6]=atof(z)；

count1+=7；

…

}

3 加工仿真過程

通過仿真系統的前期準備，就可以實現車削加工仿真，由于數控加工的過程是數控機床在NC代碼的驅動下帶動刀具對使用夾具固定在工作臺上的工件，進行切削加工的過程，針對其特點，在仿真系統中需要包含刀具運動，工件以及夾具自轉，毛坯切除的功能[7]。

3.1 刀具運動模塊

圖2 車刀運動判別

車削的毛坯多為回轉體棒料零件，并且刀具通常只是X、Z方向上的二維移動，因此仿真可根據存儲到m_compete緩沖區中的關鍵運動代碼，將刀具的起始點坐標設為原點坐標，并進行X方向和Z方向起始點和終點的距離的判斷，如圖2。以車刀從第n的位置車削第n-1的位置為例，如果起始點X的值大于終點X的值，則車刀先徑向進給運動。然后通過Z值判別，起始點Z的值大于終點Y的值，則車刀再完成徑向進給運動，通過刀具X和Z方向的運動，從而完成進刀運動；退刀反之。

具體的實現命令如：

//車刀徑向進給運動

if(X

{

m_X=m_X-V；//車刀徑向進給

m_Z=m_Z；//車刀軸向不變

velocityflag=1；//進給標記

}

3.2 工件運動模塊

在仿真系統中，刀具運動的同時，工件與夾具也要進行自轉運動，因為OpenGL是個狀態機，旋轉、移動、平移其運動操作都會影響視全局所有元素的狀態，所以需要通過OpenGL中矩陣的壓棧出棧的功能來實現刀具與工件之間的獨立運動。

在OpenGL中所有的運動操作都是通過矩陣棧的棧頂來影響圖形的狀態。如圖3，將開始狀態定為狀態1，在變換之前調用giPushMatrix()壓棧，就會把當前狀態1壓入第二層，并且棧頂會有狀態2，并且棧頂的矩陣狀態2是第二層狀態1的一份拷貝，所有的內容是相同的，此時所有的矩陣操作都是在狀態2中完成，通過一系列的矩陣對所操作的圖形有所改變，而且并不會影響全局元素的狀態，變換之后，使用glPopMatrix出棧，將上面操作過的狀態2去掉，之前的狀態1又放到棧頂，恢復原來的狀態。在本文中，通過壓棧出棧操作進行刀具運動，從而在刀具的運動同時，不影響工件與夾具的自轉運動狀態。

工件以及夾具的運動主要用glRotatef(GLfloat angle， GLfloat x， GLfloat y， GLfloat z)函數進行自轉，x、y、z表示旋轉軸，angle代表旋轉角度，在本文中旋轉軸為z軸，旋轉角度隨時間而曾大，然后通過if判斷要是轉過一周，角度則從0°再開始繼續增加，如此，工件與夾具便在加工仿真中一直自轉而不受刀具移動的干擾。

圖3 壓棧出棧圖

3.3 毛坯設計模塊

由于OpenGL中沒有實體建模的功能，所以本文毛坯的實體建模通過曲面繪制進行組合，gluCylinder圓柱面，和gluDisk圓盤面來實現毛坯的加工仿真。

圖4 毛坯設計

為實現毛坯形狀隨切削加工的進行而發生形狀實時改變，本文采用幾何仿真，將毛坯形狀根據離散法來滿足仿真要求，即把毛坯的圓柱離散成同心、同底、同高但半徑不同的圓柱體，車削毛坯時，圓柱的地面半徑與最外側的底面半徑遞增關系如圖4所示。在加工部分，大圓柱以車刀加工終點位置作為起始點，隨著車刀的軸向進給運動，大圓柱的高隨之減小，小圓柱以車刀加工起始點位置作為起始點，并隨著車刀軸向進給運動，小圓柱體高隨之增大，效果可看成是從大圓柱剝離出小圓柱體，隨著刀具的運動，大圓柱和小圓柱的半徑發生實時改變，以第n次車刀車削為例，在第n次車刀進行車削時，大圓半徑為第n-1次車削加工后小圓柱體半徑；小圓半徑為第n次車削加工時的小圓柱體半徑，同時兩圓柱面交際面用圓盤作底面，形成封閉圖形，兩個圓柱的高通過刀具的位置改變而發生變化，底面圓盤根據刀具的軸向進給運動而移動，便可實現其毛坯的加工仿真效果。

代碼所示：

gluCylinder(quadratic，(*it_chip).RadiuolnStart，(*it_chip).RadiuolnStart，ld-jd，32，1)；//大圓柱

gluCylinder(quadratic，(*it_chip).RadiuoOutStart，(*it_chip).RadiuoOutStart，jd，32，1)；//小圓柱

glTranslatef(0，0，jd=pDoc->m_piseljd)；//移動刀具加工的兩圓柱底面

gluDisk(quadratic，(*it_chip).RadiuolnStart，(*it_chip).RadiuoOutStart，32，1)；//形成加工時兩圓柱底面

…

4 軟件實現

在菜單項點擊NC代碼導入，選擇所需的NC代碼導入到系統中，再單擊stl模型，分別將夾具模型與車刀模型添加到系統，最后選擇仿真開始，便可實現車削運動仿真模擬，軟件實現效果如圖5。

圖5 系統運行效果

5 結束語

針對數控車削的形狀特點及傳統落后的加工工藝，以Visual Studio 2015為開發平臺，使用OpenGL 三維圖形標準庫，采用離散法實現毛坯切除，開發數控車削動態運動仿真系統，實現了虛擬車削加工過程的可視化，直觀地顯示了刀具路徑、工件的轉動、材料去除等過程。實驗表明，仿真效果達到了預期要求，具有良好的實時性； 為車削加工提供了保障和可行性；以新的角度詮釋了OpenGL環境的搭建，同時讀取stl方法以及離散法毛坯去除對于同類虛擬仿真加工的擴展，具有一定的借鑒意義。

[1] 周靜.數控仿真三維建模及實現[D].南京：南京理工大學，2005.

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[3] 李春雷.虛擬數控車削加工誤差建模技術研究[J].機械工程與自動化，2011(4)：35-36.

[4] CHEN M，GONG Y，ZHAN L，et al.Research on technology of three-dimension Roam based on OpenGL[C]// International Conference on Computer Application and System Modeling，2010，14：562-564.

[5] WANG Y，SUN L X，FAN J C.Application of OpenGL in NC turning simulation[J].Advanced Materials Research，2012，505：282-286.

[6] 嚴梽銘，鐘艷如.基于VC++和OpenGL的STL文件讀取顯示[J].計算機系統應用，2009(3)：172-175

[7] 董大勇.虛擬制造中的數控銑削仿真加工技術[J].金屬加工(冷加工)，2015(15)：58-59.

[8] 牛書濤，庫祥臣.基于Visual C++與OpenGL的數控車削加工仿真系統研究[J].機電一體化，2012，18(3)：35-39.