数控车床虚拟加工的仿真技术与实现

第9期 ２００8 年 9 月
文章编号： １００１-3997 （２００8 ） 09-0165-03
机械设计与制造 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ห้องสมุดไป่ตู้ｅｓｉｇｎ ＆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
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数控车床虚拟加工的仿真技术与实现*
2 林 忠 1， 黄陈蓉 1
（１ 南京工程学院 计算机工程学院， 南京 ２１１１６７ ） （２ 先进数控技术江苏省高校重点建设实验室， 南京 ２１００１３ ）
軋
= （a b -a b ， a b -a b ， a b -a b） 軋
2 3 3 2 3 1 1 3 1 2 2 1
在工件加工过程中，需要动态改变刀具位置和工件的形状。 采取了以下技术予以实现： （1 ） 定义一个数据结构， 用于存储加工指令。 数据结构定义如下：
struct instruction { float velocityx； //x 轴的速度 float fromx； //x 轴的开始位置 float tox； //x 轴的结束位置 float velocityz； //z 轴的速度 float fromz； //z 轴的开始位置 float toz； //z 轴的结束位置 int* CurveParameters； //母线的参数 }；
图 ３ 平面几何形体向量计算示意图
軋1 和Z 軋2 为平面内两个向量， 軋3 为Z 軋1×Z 軋2。假设 图 3 中Z 则法向量Z 軋1 = 軋2 = Z Z （a1， a2， a3 ） ， （b1， b2， b3 ） ， 则 a a a 2 a3 3 a1 1 a2 軋 Z3 = ， ， b2 b3 b3 b1 b1 b 2
１ 梁芬， 王改云， 朱名日． 远程故障诊断技术的发展及应用研究 ［Ｊ］ ． 机电工程， ２００７， ２４ （８ ） ： １～４ ２ 王道平， 冯振声． 不确定性系统理论在故障诊断专家系统中的应用 ［Ａ］ ．系 统工程与可持续发展战略 ［Ｃ］ ． 北京： 科学技术文献出版社， １９９８
４ 结束语
本文结合故障树分析法及专家系统的特点， 采用关系数据库 第号电路板故障报警为例介绍了焊接机故障诊断专家系统知识
将 依 次 加 工 的 刀 具 运 动 轨 迹 存 储 在 数 组 instruction ArrayInstruction[100]中， 数组中每个元素表示一段曲线， 前后线段 间首尾相连， 另设一变量存储曲线段的数目， 即表明数组中实际 有几个元素。
No.9 Ｓｅｐ．２００８
机械设计与制造
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２ 工件建模方法
由于车削过程中， 工件的形状不断变化， 所以对工件的建模 方法提出了比较高的要求。在仿真研究的初期， 研究者大多数采 用实体模型表示法， 其中包括： 边界表示法 （B-rep ） 、 体素构造法 ） 、 混合建模法 （HybridModel ） 和空间单元表示法。在实现数 （CSG 控加工仿真的方法中， 最基本的就是应用实体造型中的布尔操作 手段， 通过执行工件模型与代表刀具运动的扫描体序列模型之间 的直接布尔差操作来完成仿真加工过程。 这种方法可以生成类似 这种方法最大的缺点是计算量 于加工后的工件实体模型。但是， 过于复杂， 几乎不能投入实际应用。为了避免采用实体造型进行 仿真而带来的不足， 许多人开始使用离散实体模型的方法来改进 仿真执行的速度[6]。 本文结合 OpenGL 函数库的特点， 应用离散实 体模型的方法来构造工件模型， 将工件离散成若干薄圆台， 在加 工过程中根据工件与刀具的位置动态修改各个圆台的形状参数。 该方法非常适合于回转曲面的加工， 能够快速地显示回转曲面的 加工过程。 现将毛坯沿毛坯的中轴线方向离散成单位高度的小圆台， 每 个小圆台的厚度根据精度和显示效果的要求来确定，精度越高， 切的越薄， 同时计算量也就越高。所有小圆台的形状信息存放在 两个数组 “GLfloat baseRadius[NUM_PIECE]” 和 “GLfloat topRadius [NUM_PIECE]” 中， 其中 NUM_PIECE 为小圆台的数量。 由于毛坯 可加工部分端面的 z 轴位置已知， 故可以计算出每一个小圆台下 底面和上底面的 z 轴位置， 不需要单独保存。 当刀具运动时， 根据 刀具 x 轴位置变化量， z 轴位置变化量和刀具的初始位置， 可以判 断哪些小圆台与刀具发生干涉，然后根据当前的刀具轨迹类型 （加工的回转体类型 ） 计算各个发生干涉的小圆台新参数。 经过以上分析， 可以发现基于圆台离散的工件模型可以满足 回转体曲面的加工， 如图 2 所示。首先将工件沿中心线方向均分 为 n 份细小的圆台。 初始状态下， 每个圆台的上下底面半径相同， 在加工过程中， 圆台半径随着回转曲线方程的变化而变化。以图 2 为例， 图中显示的工件有一段回转体曲面， 假设其在 XOZ 平面 上且 x>0 侧的母线方程为 x=f （z ） ， 其母线的 Z 轴坐标从 b 到 a， 设 每片圆台的厚度为 d。沿着 z 轴的负方向， 离散该回转曲面第一 个圆台的上下底面半径分别为 （ f a ） 和（ f a-d ） ； 第 i 个圆台的上下
- 166 译为车床部件、 刀具的运动信息等；
林 忠等： 数控车床虚拟加工的仿真技术与实现*
第9期
底面半径为 （ f a（i-1 ） ×d ） 和（ f a-i×d ） 。 当圆台的厚度远远小于回转 1。 曲面的高度时， 就能获得较好的效果。本文采取的比例为 400：
（3 ） 运动控制模块： 根据 NC 程序决定车床刀具的运动方向、 进给速度和主轴速度等， 并向各个运动部件发送控制指令； （4 ） 切削计算模块： 根据运动控制模块提供的运动指令信息， 判断刀具与工件的干涉情况， 计算刀具的位置和工件模型参数； ） 机床场景模块： 该模块将数控机床的加工过程用计算机 （5 图形学的方法显示出来， 实时显示刀具的运动、 工件的形状 改变， 并支持全视景漫游； （6 ） 工件模型库： 数控车床可以加工的工件类型不是很多， 一 般选择最典型的圆柱型回转体工件， 这种工件是数控车床加工最 多的工件类型； ） 刀具模型库： 数控车床使用的刀具较多， 所以需要建立刀 （7 具模型库， 以备在加工仿真中选择合适的刀具。
图 １ 数控车床仿真系统的基本组成
（2 ） NC 编译模块： 为了使数控车床仿真系统能够识别 NC 程 序， 需要开发 NC 编译模块， 它的功能是接收数控代码并将其翻
＊来稿日期： ２００７－１１－１９ ＊基金项目： 江苏省高校科研成果项目 （ＪＨＢ０６－１５ ） ， 重点实验室开放基金项目（ＫＸＪ０５０１５）， 南京工程学院科研基金项目（ＫＸＪ０６０２４）
图 ２ 基于圆台离散的工件模型示意图
３ 仿真显示方法
可以调用 OpenGL 库函数中基本形体函数建立卡盘、 工件和 将这些模型通过几何变换确定各个模型的空间 刀具的几何模型。 位置以组成一个整体，通过投影变换确定视点位置和可视区域。 在此基础上为使得仿真更加逼真， 可以设置模型表面的材质属性 光源属性和材 和光源属性。材质属性一般在模型建立时就确定， 质属性的相互作用共同决定了模型表面的颜色。 在建模时还需要 圆等） 建模时需要指定其法向 注意当用平面几何形体 （多边形、 量， 以确保光照计算的正确。平面几何形体的法向量可以有两个 方向， 分别是垂直于平面的两个方向。在用平面几何形体构成封 闭的三维形体时， 法向量的方向朝外。平面几何形体法向量可以 根据平面内两个相交的向量计算得到， 如图 3 所示。
（2 ） 定义一个时间响应函数， 该函数每隔若干时间自动调用。 在该函数内根据刀具当前曲线段方程、 时间间隔和速度， 计算出 刀具应该到达的位置和工件修改后的形状， 发送重绘命令。该函 数内部的流程图， 如图 4 所示。
实时局部离散建模的思想如下：按照加工指令中的曲线段， 对于圆台面、 圆柱面和圆锥 将工件分为若干段， 每一段单独建模。 面等 OpenGL 可以直接建模的曲面加工段， 不必离散， 而对于抛 物面等其它旋转曲面， 采用离散方法。 在仿真加工过程中， 需要实 仿真加工的程序流 时地修改离散模型。应用实时局部离散建模， 程， 如图 5 所示。 由于圆台面、圆柱面和圆锥面在 OpenGL 中可以直接建模， 相对于离散法建模应能减少较多的计算时间。而圆台面、 圆柱面 和圆锥面在车床加工中经常出现， 所以此法可以有效提高仿真加 工的画面渲染速度。
Ｃａｕｓｅ 故障原因及维 修策略
表 ５ Ｒｅｓｕｌｔ＿ｔａｂ
列名 Ｒｅａｌ＿ｉｄ Ｒｕｌｅ＿ｉｄ Ｌａｓｔ＿ｓｉｇｎ ＣＦ （Ｈ ）
人智能故障诊断模型的设计，推动了焊接机器人故障诊断的发 展， 为焊接机器人远程故障诊断技术的研究打下良好基础。
说明 结论事实号 规则号 结论最终标记 结论可信度
参考文献
数控加工过程的计算机仿真， 不仅能节省资源、 避免风险， 而 且通过数控加工过程的物理仿真可得到许多加工过程参数， 以指 导实际加工过程中的参数设定， 为加工方案评估、 产品可加工性 分析和产品可制造性分析提供有力的依据[1～3]。 者能够方便使用；
１ 数控车床仿真系统的基本组成
根据数控车床实际情况和计算机仿真基本原理， 数控车床仿 真系统基本组成， 如图 1 所示。以下是各个模块介绍： （1 ） 操作面板模块： 该模块是数控车床仿真系统的控制中心。 用户通过该模块使用和控制机床。一般情况下， 对于特定仿真对 象 （如某种型号的车床 ） ， 操作面板应该与实际相一致以使得操作
在详细介绍数控车床仿真系统基本组成的基础上， 着重研究了基于圆台离 制造风险， 开展数控技术培训。 散的工件建模方法和实时仿真显示技术， 并使用 OpenGL 和 VC++编程实现了数控车床的虚拟加工仿真 过程。 关键词： 数控车床； 仿真； OpenGL 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】 Simulation of the numerical control machining process which Computer Graphics and VR technology is applied for saving cost， avoiding risks and training NC technology. The simulation system of NC Lache is studied.In particular， modeling of workpiece and technology of realtime simulation are discussed.The simulation of machinging process is realized by using of OpenGL and VC++. Key words： NC lathe； Simulation； OpenGL 中图分类号： TG659， TP391 文献标识码： A