虚拟数控车床加工技术的研究

・控制与检测・　组合机床与自动化加工技术　文章编号：１００１－２２６５（２００７）０ｌ－００５８一ｏ３　虚拟数控车床加工技术的研究木　姜桂平　，王国锋　，郑惠江　（１．天津工业大学３００１６０；２．天津大学机械学院３０００７２）　摘要：论文提出了数控车床仿真系统的总体方案，深入研究了虚拟制造的关键技术及具体实现方法。在　ＯｐｅｎＧＬ与ＶＣ＋＋的平台上，基于ＮＣ代码直接驱动仿真加工过程的虚拟现实技术，利用３ｄｓ　Ｍａｘ对静　态物体进行几何建模，利用重画技术和粒子系统方法对动态物体进行行为建模和物理建模，然后将几何　建模、行为建模和物理建模结合起来模拟整个数控加工过程。　关键词：虚拟制造；数控车床；几何建模；运动仿真　中图分类号：ＴＧ５４　文献标识码：Ａ　Ｔｈｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ＣＮＣ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＪＩＡＮＧ　Ｇｕｉ－ｐｉｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｇｕｏ－ｆｅｎｇ２，ＺＨＥＮＧ　Ｈｕｉ－ｊｉａｎｇ２　（Ｔｈｅ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　ＴｉａｎＪｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎ　Ｊｉｎ　３０００７２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｍａｉｎｌｙ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ＣＮＣ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ．ａｎｄ　ｂｒｉｎｇ　ｏｕｔ　ａ　ｗａｙ　ｏｆ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　ＣＮＣ　ｖｉｒｔｕａｌ　Ｍ　ａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｖｉｒｔｕａｌ－ｒｅａｌｉｔｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｕｓｅ　ＯｐｅｎＧＬ　ｎｄ　ＶＣ＋＋ａｓ　ａｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｏｏｌ，ａｄｏｐｔ　３ｄｓ　Ｍａｘ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ｓｔａｔｉｃ　ｅｎｔｉｔｉｅｓ；ｗｈｉｌｅ　ｓ　ｔａｏ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｅｎｔｉｔｉｓ，ｕｓｅ　ｅｒｅ＆ａｗｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｈｙ　ｓｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｃｏｍｂｉｎｅ　ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ，ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｎｄ　ａｐｈｙｓｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ＣＮＣ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｉｒｔｕａｌ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｌａｔｈｅ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　ｇｅｏｍｅｔｒｙ　ｍｏｄｅｌ；ｖｉｒｔｕａｌ　ｒｅａｌｉｔｙ　ｍｏｔｉｏｎ　Ｏ　引言　随着社会经济的发展，对数控技术¨】【　的需求蒸　蒸日上。无论是加工产品用，还是培训人才用，对数控　机床都迫切需要。而数控机床本身属于贵重产品，在　购买力上，企事业单位都受到一定的。若采用计　供了一定的ＮＣ仿真功能，用于检查刀具切削过程的　正确性，检查过切和干涉现象等，但直接通过ＮＣ代码　来驱动机床仿真加工过程的方法和软件还不多。另　外，如果能将仿真软件直接嵌入到实际的加工系统中，　使其成为实际加工的支撑环境，将具有更为重要的意　义。　算机建模和仿真技术　来模拟实际的数控加工环境，　并对加工过程进行仿真分析，从而实现虚拟制造，则可　以帮助设计人员在实验室就可以检查制造中的问题，　从而取消试切环节，减少设计制造周期和费用。同时　在数控培训部门，也可以让学员尽快熟悉数控机床的　１　系统的主要功能及关键技术　该系统通过对加工环境的建模，用三维图形展示　数控加工过程，并借助几何模型检查加工过程中出现　的各种问题。该系统主要提供如下功能。　￣ｎ－ｒ＿环境与真实的加工过程，缩短数控培训的周期，提　高培训质量。　数控车床床身、导轨、刀架、刀具、尾座以及工件的　建模；加工过程中机床和刀具的运动及切削过程的仿　真；刀具与工件、卡盘、尾架等之间的碰撞干涉检验，并　目前，虽然一些先进的ＣＡＤ／ＣＡＰＰ／ＣＡＭ系统提　收稿日期：２００６—０ｒ７—１２；修回日期：２００６—０７—１２　・基金项目：国家自然科学基金项目（５０４７５１１７）　作者简介：姜桂平（１９７４一），男，四川人，天津工业大学讲师，天津大学机械工程学院。硕士研究生。研究方向为数控技术、模具ＣＡＤ／ＣＡＭ，（Ｅ—　Ｍａｉｌ）ｑＪｇｐ＠１６３．ｃｏｒｎ。　・５８・　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００７年第１期　具有出错报警功能；模拟切屑飞舞和声音效果。要求　加工过程均由ＮＣ代码直接驱动，而且支持手工修改　ＮＣ代码。　该系统主要研究和解决的关键技术包括几何建　模，用于机床设备和被加工件及其装夹方式的几何定　义；ＮＣ代码的翻译解释与转换；加工过程的几何运动　仿真与物理仿真　；加工过程中各种检验（程序检验、　各种参数检验、碰撞检验等）等。　２虚拟数控车床加工系统的结构　系统主要由图１以下几个功能模块组成。　图１仿真系统结构图　２．１虚拟加工环境　虚拟加工环境部分由机床、刀具、夹具和工件模块　构成，采用３ｄｓ　ｍａｘ７．０和ＯｐｅｎＧＬ对机床、夹具、刀具　和工件进行特征造型。　２．２虚拟加工过程部分　该部分包括数控程序译码、三维运动仿真、碰撞干　涉检查、物理仿真４个模块。数控加工过程仿真包括　几何仿真和物理仿真两个部分。几何仿真将刀具与零　件视为刚体，不考虑切削参数、切削力及其它因素对切　削加工的影响，只是对数控程序进行翻译，产生刀具位　置数据，并以此数据驱动机床运动部件运动，刀具对工　件进行虚拟切削，同时检查是否有碰撞、干涉。物理仿　真包括热变形，切削力作用下系统的弹性变形、夹紧变　形，机床的动态、静态分析以及精度分析等。　３虚拟数控车床加工系统的实现　本系统是采用模块化设计思想，利用面向对象编　程技术　Ｊ，以Ｗｉｎｄｏｗｓ　２０００为开发平台，结合优秀的　三维绘图软件３ｄｓ　Ｍａｘ　７．０，以Ｏｐｅｎ　ＧＬ为三维图形软　件标准接口，使用Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋软件为开发工具而设计　开发的。　３．１虚拟加工环境的实现　（１）机床、夹具、刀具模型的建立　・控制与检测・　加工环境中较复杂的三维图形部分（机床、夹具、　刀具），采用３ｄｓ　Ｍａｘ　７．０三维绘图软件绘制　，并将图　形文件保存为　．３ＤＳ的格式（３ＤＳ文件的数据是经过　压缩的文件格式，是由很多个Ｃｈｕｎｋ构成）。通过　ＯｐｅｎＧＬ接口技术将绘制的三维图形３ＤＳ文件数据导　人加工环境中，其导人读取算法如下：　ＵＩＮＴ函数名（Ｃｈｕｎｋ内容的长度）　｛　已读取Ｃｈｕｎｋ内容的长度计数变量：　定义使用到的变量；　ｗｈｉｌｅ（该Ｃｈｕｎｋ没有读完）　｛　读取子Ｃｈｕｎｋ　ＩＤ；　ｓｗｉｔｃｈ（子Ｃｈｕｎｋ　ＩＤ）　｛　ｃａｓｅ要匹配的子Ｃｈｕｎｋ　ＩＤ；　该子Ｃｈｕｎｋ的读取函数或内容处理程序段；　ｂｒｅａｋ；　ｃａｓｅ另一个要匹配的子Ｃｈｕｎｋ　ＩＤ；　该子Ｃｈｕｎｋ的读取函数或内容处理程序段；　ｂｒｅａｋ；　ｄｅｆａｕｌｔ：跳过无用的Ｃｈｕｎｋ；　ｆｓｅｅｋ（）使文件指针跳过该Ｃｈｕｎｋ；　ｂｒｅａｋ；　｝　已读长度计数变量增加（子Ｃｈｕｎｋ长度）；　｝　｝　利用显示列表　’　来分别产生机床的各个部分，　ＯｐｅｎＧＬ的显示列表工具，尤其是多重显示列表与显示　列表的嵌套技术，可以避免在绘图过程中因反复执行　相同命令而浪费大量时间，提高系统的运行效率和实　时性。对于机床、夹具、刀具的几何模型应采用层次建　模　。　的方法，以便对各部位进行单独控制，例如：　ｇｌＰｕｓｈＭａｔｒｉｘ（）；　ｇｌＣａｌｌＬｉｓｔ（Ｑｉａｐａｎ＿ＬＩＳＴ）；／／绘制卡盘　ｇｌＰｕｓｈＭａｔｒｉｘ（）；　ｇｌＣａｌｌＬｉｓｔ（Ｑｉａｚｈｕａ＿＿ＬＩＳＴ）；／／绘制卡爪１　ｇｌＰｏｐＭａｔｒｉｘ（）；　ｇｌＰｕｓｈＭａｔｒｉｘ（）；　ｇｌＰｕｓｈＭａｔｒｉｘ（）；　・５９・　维普资讯 http://www.cqvip.com

・控制与检测・　组合机床与自动化加工技术　点处外圆、内孔的半径根据刀轨信息单独计算和存储。　ｇｌＰｏｐＭａｔｒｉｘ（）；　ＲＯｕｔＳｔａｒｔＯｌｄ系列数据是为了快速刷新显示而存储的　前一次切削的数据。　另外，在虚拟加工环境的建模过程中，采用了图形　消隐技术　。。。图形消隐的目的是消除物体中不可见　的部分，以增强图形的真实效果，利用ＯｐｅｎＧＬ的深度　检验能实现这一功能。屏幕上每个像素的深度，可根　ｇｌＰｏｐＭａｔｒｉｘ（）；　ｇｌＰｏｐＭａｔｒｉｘ（）　（２）工件模型的建立　对于实时性要求高的工件，采用ＯｐｅｎＧＬ自己提　供的建模技术。为了避免材料在切除过程中的毛坯对　刀具扫掠体耗时的布尔运算，采用对毛坯进行细分的　据像素与观察点的距离，用较近的像素覆盖较远的像　方法　来处理，如图２所示。　图２毛坯细分方法　沿着ｚ轴方向细分毛坯成单位高度的小圆柱，每　个小圆柱为一个薄片，每个薄片的厚度根据精度和显　示效果的要求来确定，一般精度越高，显示效果要求越　高，薄片厚度应该越小。每个薄片用一个对象定义，其　数据结构如下：　Ｃｌａｓｓ　Ｃｙｌｉｎｄｅｒ：ｐｕｂｌｉｃ　Ｏｂｊｅｃｔ　｛　ｉｎｔ　Ｎｕｍ；　旁号　ｆｌｏａｔ　Ｚｓ；　／／ｚ方向起点坐标　ｌｆｏａｔ　Ｚｅ；　／／ｚ方向终点坐标　ｌｆｏａｔ　ＲＯｕｔＳｔａｒｔ；　／／外圆起点半径　ｆｌｏａｔ　ＲＯｕｔＥｎｄ；　／／外圆终点半径　ｆｌｏａｔ　ＲＩｎＳｔａｒｔ：　／／内圆起点半径　ｆｌｏａｔ　ＲＩｎＥｎｄ；　／／内圆终点半径　ｆｌｏａｔ　ＲＯｕｔＳｔａｒｔＯｌｄ；　／／修改前外圆起点半径　ｆｌｏａｔ　ＲＯｕｔＥｎｄＯｌｄ；　／／修改前外圆终点半径　ｆｌｏａｔ　ＲＩｎＳｔａｒｔＯｌｄ；　／／修改前内圆起点半径　ｆｌｏａｔ　ＲＩｎＥｎｄＯｌｄ：　／／修改前内圆终点半径　｝　因为车削加工的回转体常常有内孔，而且经常是　台阶孔。所以每个薄片不仅用ＲＯｕｔＳｔａｒｔ记录薄片所　在位置的外圆半径，而且用ＲＩｎＳｔａｒｔ记录内孔的半径。　为了光滑地显示加工的复杂回转面，如圆弧面、双曲面　等，每个薄片在ｚ轴方向分为起点和终点，其起点和终　．６０・　素，达到消隐的目的。　３．２虚拟Ｊｊ￣＂ｒ过程的实现　（１）ＮＣ代码解释模块的实现　该模块最主要的功能是将数控加工程序转变为驱　动数控各坐标轴的运动指令；同时要进行数控程序的　语法错误与逻辑错误的检查，使用Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋字符处　理技术实现该部分的功能。　（２）加工动画的实现　根据数控机床加工的高实时性及交互式的特点，　该系统采用实时动画方式。实时动画是一边计算一边　在计算机终端上直接产生动画，其交互能力强，可以根　据用户的要求实时改变画面，但对计算机的图形处理　能力要求较高。利用ＯｐｅｎＧＬ的双缓存区（前台显示　缓冲区和后台显示缓冲区）动画技术　来实现，效果较　好。即后台缓冲区执行命令绘制图像（直接由ＮＣ代　码驱动），绘制结束后，利用重画技术，通过交换缓冲　区，将后台缓冲区绘制的图形直接送到前台缓冲区中　动态显示图形，这样就增强了数控机床加工过程三维　动画显示的连续性和运动感。　同时，利用ＯｐｅｎＧＬ的粒子系统方法和多媒体技　术对切削过程产生的切屑飞舞和机床的切削声音进行　建模，从而增强仿真系统的逼真效果。　（３）碰撞和干涉检验的实现　碰撞和干涉检验…　主要检验刀具和主轴相对于　非加工部件如夹具、工件的非加工部位、加工工作台的　干涉现象，也可用来检验由用户指定的物体之间的干　涉现象，由于加工过程由ＮＣ代码驱动，干涉出现位置　的ＮＣ代码信息可及时反馈提交用户进行检查和修　改。干涉检查结果需按以下原则判断得出结论：刀具　切削部件与加工好的部件有干涉为过切；刀具非切削　部位与物体干涉为碰撞；进给速度快时的切削为碰撞；　主轴不转时的干涉或切削为碰撞。　采用形体求交的方法［１　进行干涉的定性检查，其　求交算法大致如下。　（下转第６４页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

・控制与检测・　２０００ｒ／ｍｉｎ　Ｘ　０．０１４　０．０１２　０・０１　０・ｏ００　组合机床与自动化加工技术　４结论　从图５可以看出，优化布点后的预测模型能够很　挺０．００６　０．００４　Ｏ．ｏ０２　Ｏ　好的估计机床主轴沿　、ｌ，、ｚ三个方向的热变形。优　化后的机床测温点由原来的１４点下降到现在的４个　４８　９５　１４２１８９２３６２８３３３０３７７４２４　点，在保证热误差模型精度的条件下，大大减少了传感　器数量，减少了相关的数算量，简化了数控机床的　热误差补偿系统。　［参考文献］　时间（Ⅲｉｎ）　［１］孙振勇，杨建国．数控机床热误差的双球规检测法和温度　测点优化布置技术［Ｄ］．２０００（０１）３９—４２．　［２］王志贤．最优状态估计与系统辨识［Ｍ］．西安：西北工业大　学出版社，２００４．　［３］刘春风，何亚丽，等．应用数值分析［Ｍ］．冶金工业出版社，　２００５．　［４］陈魁．试验设计与分析［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５．　［５］邓自立．最优估计理论及其应用［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业　大学出版社。２００５．　［６］陈玉详，张汉亚．预测技术与应用［Ｍ］．北京：机械工业出　版社。１９８５．　图５热变形预测曲线与真实曲线图　（编辑李秀敏）　（上接第６０页）　工作过程进行全面的仿真。　［参考文献］　①将待计算的刀具和主轴形体的坐标系转换到工　件坐标系，工件的几何信息在装夹时已经计算完成；　②对任意一对求交形体Ａ和Ｂ作包围和干涉检　查，若干涉，转人③继续执行，若不干涉，无需进一步求　交，转④；　③将Ａ的所有棱边和Ｂ的所有面进行求交计算，　若出现交点在面片内，判定为形体相交，退出，否则进　人下一步；　版社。２００２．　［１］王爱玲．现代数控原理及控制系统［Ｍ］．北京：国防工业出　、　［２］张超英．数控车床［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００３．　［３］胡忠．材料加工过程计算机模拟的现状与未来［Ｊ］．塑性工　程学报，１９９８，５（２）：１—８．　［４］车敏，杨湘杰．斜管法流变制浆工艺的虚拟制造［Ｊ］．南昌　大学学报・工科版，２００４，３．　［５］Ｊｕｌｉａｎ　Ｔｅｍｐｌｅｍａｎ，Ａｎｄｙ　Ｏｌｓｅｎ著张荩尹等译．Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋　＋．ＮＥＴ程序设计［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００２．　［６］张晓宇，李文秀．在ＶＣ＋＋６．０中实现对３Ｄ　Ｍａｘ构造　ＯｐｅｎＧＬ模型的控制［Ｊ］．电脑学习，２００１，６．　［７］和平鸽工作室．ＯｐｅｎＧＬ三维图形系统开发与实用技术　［Ｍ］．重庆：重庆大学出版社，２００３．　④取下一对求交形体，转②。　４结束语　．　本文讨论了在ＯｐｅｎＧＬ与ＶＣ＋＋的平台上，基于　ＮＣ代码直接驱动仿真加工过程的虚拟现实技术，利用　３ｄｓ　Ｍａｘ对静态物体进行几何建模，利用重画技术和粒　子系统方法对动态物体进行行为建模和物理建模。本　系统摒弃了采用堆积面构建几何模型的传统方法，而　选用３ｄｓ　Ｍａｘ三维图形造型软件直接实现虚拟数控机　床几何建模的方法。该系统具有直观、仿真效果好、较　强的实时性、良好的交互性、运行速度快等优点。　［８］杨克俭，刘舒燕，陈定方．虚拟现实中的建模方法［Ｊ］．武汉　工业大学学报，２００１，６（２３）：４７—５０．　［９］王太勇．数控车仿真系统开发［Ｊ］．西南交通大学学报，　２００３（１０）：５５８—５６１５．　［１０］（美）赫恩，等．计算机图形学［Ｍ］．北京：电子工业出版　社。２００５．　［１１］杨润党．虚拟数控加工过程的建模与仿真［Ｊ］．机床与液　压，２００１，（６）：９６—９８．　总之，虚拟制造技术是集计算机图形学、人工智　能、并行工程、网络技术、多媒体技术和虚拟现实技术　等为一体，在虚拟的条件下，对数控设备的工作环境和　・［１２］伍铁军．数控加工仿真关键技术研究与软件开发［Ｄ］．南　京：南京航空航天大学，２００１．　（编辑李秀敏）　６４・