韓青江，呂亞軍 ，饒運(yùn)清

HAN Qing-jiang, LV Ya-jun, RAO Yun-qing

（華中科技大學(xué) 數(shù)字制造裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

基于OpenGL的板材切割數(shù)控加工仿真系統(tǒng)

Plate cutting nc machining simulation system based on OpenGL

韓青江，呂亞軍 ，饒運(yùn)清

HAN Qing-jiang, LV Ya-jun, RAO Yun-qing

（華中科技大學(xué) 數(shù)字制造裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

在板材切割數(shù)控加工領(lǐng)域，針對(duì)如何選擇加工方法、確定加工軌跡等問(wèn)題，提出了利用計(jì)算機(jī)模擬生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行輔助加工的方法，以實(shí)現(xiàn)在最短的時(shí)間內(nèi)找到最佳的加工路徑并完成NC代碼的校核。對(duì)這一問(wèn)題，通過(guò)建立基于OpenGL的三維仿真系統(tǒng)，將NC圖形的仿真與NC代碼的校核集于一體，全面實(shí)現(xiàn)了板材的虛擬加工，大大提高了板材加工的效率。同時(shí)提出了建立板材加工中的溫度場(chǎng)，通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算為分析板材的受熱變形提供了直觀的依據(jù)。

OpenGL；數(shù)控加工；溫度場(chǎng)；三維仿真

0 引言

目前在板材加工生產(chǎn)領(lǐng)域，越來(lái)越多的企業(yè)選擇利用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行板材切割加工。數(shù)控加工技術(shù)因其高效、高質(zhì)量的加工特點(diǎn)成為多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)的首選。一般在進(jìn)行數(shù)控加工之前都需要選擇加工方法、確定最佳的加工軌跡，在加工開(kāi)始的時(shí)候需要進(jìn)行對(duì)刀、刀位檢測(cè)和NC代碼校驗(yàn)并判斷加工參數(shù)是否合適等。這些工作一般會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間。傳統(tǒng)的生產(chǎn)企業(yè)一般選擇采用人工進(jìn)行試切和NC代碼校核，該方法對(duì)工作人員的技術(shù)水平要求較高，勞動(dòng)量大且一般檢錯(cuò)率較低，大大影響了企業(yè)的生產(chǎn)效率。如何快速的選擇最佳的加工方法、確定最佳的加工軌跡引起了人們廣泛的關(guān)注和研究。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的深入，利用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際的加工過(guò)程進(jìn)行輔助生產(chǎn)成為了解決上述問(wèn)題的首選。許多的加工企業(yè)根據(jù)自身需求的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)了相關(guān)的仿真系統(tǒng)。仿真技術(shù)可以全面再現(xiàn)加工的整個(gè)過(guò)程，其高效直觀的特點(diǎn)大大節(jié)省了加工方法選擇和NC代碼校核的時(shí)間、提高了加工企業(yè)的生產(chǎn)效率。隨著生產(chǎn)水平的提高和精益化生產(chǎn)的要求，板材生產(chǎn)企業(yè)對(duì)板材切割加工的效率和質(zhì)量提出了更高的要求。比如在一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，需要板材的幾何尺寸有較高的加工精度，否則將無(wú)法使用。但是板材在加工過(guò)程中非常容易因受熱、受力而產(chǎn)生形變，導(dǎo)致其幾何尺寸發(fā)生變化而無(wú)法達(dá)到加工精度要求。為此就需要仿真系統(tǒng)在模擬實(shí)際加工過(guò)程的同時(shí)還可以模擬板材加工中的溫度場(chǎng)情況，并能分析板材的幾何變形。另外，目前的仿真系統(tǒng)多數(shù)功能比較單一，仿真的方法較為簡(jiǎn)單，隨著企業(yè)需求的復(fù)雜化和專(zhuān)業(yè)化，傳統(tǒng)的仿真系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)在生產(chǎn)企業(yè)的需求。

為此，針對(duì)目前多數(shù)板材加工企業(yè)的仿真需求，研究開(kāi)發(fā)了使用火焰切割、激光切割等加工手段進(jìn)行生產(chǎn)的三維仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)快速清晰的顯示了板材加工的動(dòng)態(tài)過(guò)程，順利的實(shí)現(xiàn)了加工方法的比較和NC代碼的校核，將NC圖形仿真與NC代碼校核集于一體，同時(shí)在一定程度上模擬了板材在火焰切割過(guò)程中的溫度場(chǎng)變化，為后續(xù)分析板材的幾何形體的變化提供了直觀的依據(jù)。

1 仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)圍繞著NC代碼的校核進(jìn)行構(gòu)建，從NC代碼的調(diào)用、校驗(yàn)、編輯到保存，順序?qū)崿F(xiàn)了板材加工過(guò)程模擬以及加工點(diǎn)的溫度場(chǎng)建模。系統(tǒng)通過(guò)簡(jiǎn)潔、友好的用戶(hù)界面引導(dǎo)用戶(hù)進(jìn)行操作，通過(guò)直觀逼真的效果圖展現(xiàn)仿真結(jié)果。系統(tǒng)的總體框架如下：

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

如圖中所示，系統(tǒng)主要由三大模塊組成，各模塊的功能如下：

1.1.1 NC代碼控制模塊

NC代碼控制模塊表明了本系統(tǒng)的運(yùn)作邏輯，實(shí)現(xiàn)了從NC代碼調(diào)入、校核到編輯、保存等功能。其中NC代碼調(diào)入子模塊可以讀取磁盤(pán)上已有的NC程序，并能將其保存成新的程序，是數(shù)控文件輸人和輸出的接口。NC代碼校驗(yàn)子模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)NC代碼的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和語(yǔ)法進(jìn)行檢查，其校驗(yàn)方法分為步進(jìn)校核與全局校核兩種，分別滿(mǎn)足了不同檢測(cè)環(huán)境下對(duì)檢測(cè)質(zhì)量和檢測(cè)效率的要求。NC代碼編輯模塊用于在NC程序產(chǎn)生錯(cuò)誤時(shí)對(duì)其進(jìn)行修改，同時(shí)通過(guò)NC代碼保存模塊將其保存為其他新的程序。

1.1.2 圖形控制模塊

改模塊用于調(diào)整仿真顯示區(qū)的圖形顯示效果。包括了畫(huà)面的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作，可以滿(mǎn)足用戶(hù)從任意角度查看圖形的效果從而使用戶(hù)的操作更加便捷。NC代碼控制模塊與圖形控制模塊配合操作，可以完整的顯示數(shù)控加工的過(guò)程并能根據(jù)用戶(hù)需求自由方便的進(jìn)行查看。

1.1.3 溫度場(chǎng)控制模塊

該模塊用于控制板材溫度場(chǎng)的顯示。用戶(hù)界面右邊區(qū)域的溫度條上用不同的顏色設(shè)定表示不同的溫度，加工過(guò)程中板材上不同區(qū)域的溫度就用相應(yīng)的顏色進(jìn)行表示，形成了板材的溫度場(chǎng)。該模塊通過(guò)與圖形控制模塊相互配合，顯示了板材在加工過(guò)程中溫度場(chǎng)的變化。目前本系統(tǒng)中僅在加工點(diǎn)顯示其溫度場(chǎng)。

1.1.4 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊主要用于顯示當(dāng)前的主要參數(shù)，如當(dāng)前讀取的文件名、刀具目前所在點(diǎn)的坐標(biāo)、NC程序中當(dāng)前被選中正在校核的代碼等。通過(guò)這些參數(shù)可以了解系統(tǒng)目前的運(yùn)行情況，并通過(guò)調(diào)整主要的技術(shù)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)仿真效果的優(yōu)化。

1.2 系統(tǒng)流程

通過(guò)以上各模塊的配合運(yùn)作有條不紊的實(shí)現(xiàn)了程序的各項(xiàng)功能。為了減少內(nèi)存占用，系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中采用了讀入一個(gè)程序段、檢查與解釋程序段、執(zhí)行程序段，再讀人一個(gè)程序段、檢查與解釋程序段、執(zhí)行程序段，直到NC文件結(jié)束的循環(huán)方式[1]。程序讀取的過(guò)程中每次以行為單位進(jìn)行讀取，每一行程序?qū)崿F(xiàn)了一個(gè)刀具的動(dòng)作，在一行程序出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)及時(shí)的進(jìn)行修改和調(diào)整，然后再進(jìn)行下一行程序的校核。整個(gè)程序驗(yàn)證完成之后系統(tǒng)停止，并由操作人員調(diào)整返回到初始狀態(tài)，然后進(jìn)行下一個(gè)程序的讀取校驗(yàn)。程序的最終流程圖如下：

圖2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程圖

2 基于OpenGL的三維建模

系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是在Windows環(huán)境下，以Visual C++為開(kāi)發(fā)工具，采用OpenGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

2.1 OpenGL概述

OpenGL即Open Graphics Library的縮寫(xiě)，是在SGI、SUN、Microsoft、DEC、IBM和Intel等多家世界著名計(jì)算機(jī)公司的倡導(dǎo)下，聯(lián)合推出的一種三維圖形標(biāo)準(zhǔn)。它由SGI的GL標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展而來(lái)，適用于多種操作系統(tǒng)。OpenGL獨(dú)立于硬件設(shè)備、窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，包括120多個(gè)圖形函數(shù)，可以利用這些函數(shù)建立三維模型和三維實(shí)時(shí)交互[7]。OpenGL實(shí)際上是一種圖形與硬件的接口，與其他圖形程序設(shè)計(jì)接口不同之處在于OpenGL提供了十分清晰明了的圖形函數(shù)。OpenGL強(qiáng)大的圖形函數(shù)不要求開(kāi)發(fā)者把三維物體模型寫(xiě)成固定的數(shù)據(jù)格式，開(kāi)發(fā)者不但可以直接使用自己的數(shù)據(jù)，而且可以利用其他不同格式的數(shù)據(jù)源，如DXF、STL、OBJ、ASE、3DS等格式。OpenGL功能強(qiáng)大，可移植性強(qiáng)，目前已經(jīng)在軍事、航天、醫(yī)學(xué)、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為最優(yōu)秀的3D程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工具[7]。

2.2 建模方法分析與選擇

目前基于OpenGL的三維建模實(shí)現(xiàn)方法可分為兩種，一是直接運(yùn)用OpenGL程序建模，二是先用專(zhuān)業(yè)建模軟件進(jìn)行建模，再轉(zhuǎn)化為OpenGL程序[6]。直接運(yùn)用OpenGL程序進(jìn)行建模主要是通過(guò)簡(jiǎn)單的規(guī)則實(shí)體合成所需要的復(fù)雜模型，根據(jù)所需建立模型的不同又分為三種情況：一是在需要合成規(guī)則實(shí)體時(shí)，可以利用OpenGL提供的簡(jiǎn)單空間幾何體如圓柱、椎體等進(jìn)行組合，通過(guò)改變相應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)幾何體大小使其配合適當(dāng)來(lái)完成實(shí)體的建模。二是對(duì)大多數(shù)圖形通常采用三角形合成法。任何多邊形都可以用三角形拼成，通過(guò)不同的三角形組合完成不同規(guī)則實(shí)體的拼接，三角形合成法已經(jīng)成為程序員的首選。三是對(duì)含有曲面的實(shí)體，使用以上方法建模難免會(huì)比較粗陋，此時(shí)通常是利用OpenGL工具庫(kù)glu32.lib中的NURBS函數(shù)進(jìn)行繪制，通過(guò)繪制NURBS曲線、面進(jìn)行建模不僅便捷而且模型更加逼真。以上為直接使用OpenGL進(jìn)行建模的方法。此外使用專(zhuān)業(yè)建模軟件進(jìn)行建模主要是通過(guò)3DS MAX、AUTOCAD等建模軟件建立模型，然后轉(zhuǎn)換成OpenGL程序，最后再通過(guò)OpenGL命令進(jìn)行模型優(yōu)化和控制。因?yàn)镺penGL中并沒(méi)有提供高級(jí)命令，所以在建立三維模型特別是復(fù)雜的模型時(shí)工作量較大，任務(wù)繁重，而且建立的模型比較粗糙。在建立復(fù)雜模型時(shí)，特別是對(duì)模型的外觀要求較高時(shí)一般采用利用專(zhuān)業(yè)建模軟件進(jìn)行建模的方法。在本文所介紹的仿真系統(tǒng)中，因?yàn)樗⒌哪Ｐ捅容^簡(jiǎn)單，對(duì)模型的外觀要求較低，并且考慮到該仿真系統(tǒng)與其他的工作平臺(tái)的兼容性，所以選擇采用直接運(yùn)用OpenGL進(jìn)行建模。

2.3 OpenGL建模過(guò)程與仿真

2.3.1 三維實(shí)體建模

因?yàn)楸鞠到y(tǒng)中需要建模的對(duì)象幾何形體比較簡(jiǎn)單，所以選擇利用OpenGL的建模函數(shù)直接進(jìn)行建模。這些待建模的幾何實(shí)體主要可以分為三個(gè)部分：平面的板材、圓柱體的火焰噴搶以及不規(guī)則球狀的火焰頭。系統(tǒng)中對(duì)這三部分幾何體的建模是分別自定義了三個(gè)繪圖函數(shù)DrawGround()、DrawGun()、ballon()進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。首先需要繪制的是板材。板材的幾何形狀比較簡(jiǎn)單，而且為了方便起見(jiàn)，系統(tǒng)中對(duì)板材不設(shè)定厚度，故直接通過(guò)OpenGL的glVertex3f（x，y，z）函數(shù)確定板材四角點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行繪制。板材的建模過(guò)程前后進(jìn)行了兩次繪圖。系統(tǒng)初始化時(shí)因?yàn)闆](méi)有板材的幾何參數(shù)，所以人為設(shè)定一組坐標(biāo)進(jìn)行繪制，繪圖的函數(shù)如下：

在調(diào)入數(shù)控代碼之后再根據(jù)程序中的加工參數(shù)初步確定板材大小，進(jìn)行重新繪制。其間對(duì)繪制圖形的函數(shù)代碼參數(shù)進(jìn)行了修改，使板材大小符合需要。修改后的繪圖參數(shù)如下：

板材建模完成之后進(jìn)行噴槍的建模。噴槍幾何形狀為圓柱體，所以可以直接使用OpenGL中的gluCylinder（）函數(shù)進(jìn)行建模。首先在繪制完成板材之后通過(guò)旋轉(zhuǎn)和平移等操作將畫(huà)筆移動(dòng)到恰當(dāng)?shù)奈恢茫缓笾苯诱{(diào)用gluCylinder（）函數(shù)進(jìn)行繪制。DrawGun()中使用的主要的函數(shù)如下：

通過(guò)glTranslatef(0,100,0)、glRotatef(180,0,1,0)和glRotatef(-90,1,0,0)調(diào)整畫(huà)筆的位置，最后使用gluCylinder(m_pGlQuad, 10, 10, 200, 64, 64)繪制出噴槍的幾何輪廓。最后需要繪制的是火焰。因?yàn)榛鹧骖^的形狀為不規(guī)則的，所以首先需要通過(guò)計(jì)算確定火焰輪廓上若干不同點(diǎn)的坐標(biāo)，確定之后用曲線將不同的坐標(biāo)點(diǎn)相連即形成了火焰的外形輪廓。其確定點(diǎn)的坐標(biāo)的函數(shù)大體如下：

上述的建模過(guò)程分別實(shí)現(xiàn)了平面板材、圓柱噴槍以及不規(guī)則火焰的造型建模。在建模的過(guò)程中都分別使用了矩形繪制函數(shù)glbegin（）和glend（）。在這兩個(gè)函數(shù)之前的部分分別是具體的繪圖函數(shù)。不同部分建模之前使用glPushMatrix()函數(shù)將當(dāng)前的繪圖矩陣壓入棧中以避免影響之前的操作，圖形繪制結(jié)束之后再通過(guò)glPopMatrix()函數(shù)恢復(fù)到畫(huà)圖之前的坐標(biāo)矩陣中。建模過(guò)程中使用glBindTexture（）調(diào)用繪圖紋理，做好畫(huà)圖準(zhǔn)備。不同的圖形之前通過(guò)坐標(biāo)移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)確定繪圖開(kāi)始的位置。不同的圖形之間的幾何形體需要考慮大小匹配，建模過(guò)程中通過(guò)改變繪圖函數(shù)參數(shù)的值調(diào)整模型的大小，最后達(dá)到最佳的配合效果。

2.3.2 真實(shí)感造型

完成三維實(shí)體的繪制之后只完成了三維造型的一半工作，要建造出完美的圖形還必須對(duì)實(shí)體的材質(zhì)、光照、顏色等進(jìn)行設(shè)置和處理，以使其充滿(mǎn)真實(shí)感，達(dá)到與周?chē)沫h(huán)境互相融合的效果。繪圖之前首先調(diào)用glBindTexture（）函數(shù)對(duì)幾何模型進(jìn)行貼圖，通過(guò)在不同的幾何體上貼上預(yù)先選定的不同圖形表現(xiàn)出板材、噴槍真實(shí)的材質(zhì)效果。貼圖函數(shù)分別是glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, m_iGround)、glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, m_iGun)，參數(shù)中iGround與iGun分別指向預(yù)先選定的紋理圖?；鹧骖^的顏色效果采用OpenGL直接著色。OpenGL中每個(gè)像素點(diǎn)的顏色都有紅（Red）、綠（Green）、藍(lán)（Blue）按照一定的比例混合而成，成為RGB值，并增設(shè)了第四個(gè)組建A（Alpha）表示像素點(diǎn)的不透明程度，由此四個(gè)分量表示不同的的色彩效果[2]。程序中通過(guò)函數(shù)glColor4f(a,b,c,0.3)將火焰的顏色設(shè)定為淡藍(lán)色，然后直接繪制火焰的圖形便顯示了火焰的顏色效果。最后對(duì)場(chǎng)景和模型進(jìn)行光照處理。OpenGL中的光照模型提供三種光,分別是環(huán)境光(Ambient Light)、漫射光(Diffuse Light)和鏡面光(Specular Light).允許場(chǎng)景中最多可以設(shè)置8個(gè)光源,并且對(duì)每一個(gè)光源都設(shè)置了開(kāi)關(guān)功能(glEnable(),glDisable()),這樣就可以對(duì)不同的實(shí)體使用不同的光源,使一些實(shí)體呈現(xiàn)別的實(shí)體沒(méi)有的光澤[4].一般一個(gè)系統(tǒng)設(shè)置兩種光源,一種是為整個(gè)場(chǎng)景設(shè)置的場(chǎng)景光,以模擬自然光效果.另一種是為特別實(shí)體設(shè)置的特別效果光照,使用這種光照時(shí)一般要關(guān)掉場(chǎng)景光,即glDisable(LIGHT0). 本系統(tǒng)中設(shè)置了一種場(chǎng)景光，以調(diào)整整個(gè)畫(huà)面的顯示效果。調(diào)用函數(shù)glLightfv(GL_LIGHT1, GL_AMBIENT, LightAmbient)設(shè)置環(huán)境光，通過(guò)函數(shù)glLightfv(GL_LIGHT1, GL_DIFFUSE, LightDiffuse)設(shè)置漫反射光，然后設(shè)置光源位置glLightfv(GL_LIGHT1, GL_POSITION,LightPosition)，在繪圖結(jié)束后啟用光源glEnable(GL_LIGHT1)，建立了對(duì)整個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行調(diào)節(jié)的光照效果。

2.3.3 溫度場(chǎng)建模

溫度場(chǎng)建模在本系統(tǒng)中是一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。系統(tǒng)中主要針對(duì)當(dāng)前的加工點(diǎn)進(jìn)行建模。在溫度場(chǎng)建模之前首先根據(jù)板材的材質(zhì)分析切割中所需要的火焰溫度，進(jìn)而確定加工點(diǎn)中心的溫度。然后根據(jù)熱力學(xué)原理計(jì)算出熱量的傳導(dǎo)情況，并確定加工點(diǎn)周?chē)煌嚯x處的溫度值，最后比較溫度條的溫度值顏色得到溫度場(chǎng)的顏色圖。溫度場(chǎng)的渲染主要通過(guò)貼圖的方式，將計(jì)算之后挑選的顏色圖貼到加工點(diǎn)，表示出了加工點(diǎn)的溫度情況。

溫度場(chǎng)是指某一瞬時(shí)物體內(nèi)各點(diǎn)的溫度分布狀態(tài)。溫度是標(biāo)量，溫度場(chǎng)是時(shí)間和空間的函數(shù)，也是標(biāo)量場(chǎng)。在直角坐標(biāo)系中可將溫度表示成一下函數(shù)：

系統(tǒng)中為了簡(jiǎn)化計(jì)算，不設(shè)定板材的厚度。另外因?yàn)榘宀男巫冏畲蟮臅r(shí)候是在其溫度最高的時(shí)候，故不考慮其他時(shí)候溫度場(chǎng)的情況，因此溫度場(chǎng)函數(shù)可以簡(jiǎn)化如下：

由公式可見(jiàn)板材中任一點(diǎn)處的溫度只與其坐標(biāo)有關(guān)系。加工中以當(dāng)前加工點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，那么任一點(diǎn)的溫度只與當(dāng)前點(diǎn)與原點(diǎn)的距離δ有關(guān)：

設(shè)定加工點(diǎn)的溫度為T(mén)，任一點(diǎn)的溫度與加工點(diǎn)的溫差為ΔT，則t=T-ΔT，t轉(zhuǎn)化為ΔT的函數(shù)。根據(jù)熱傳導(dǎo)的傅里葉公式：

其中T、δ、λ、A均為已知量，溫度t僅是傳熱量Q的函數(shù)。板材切割中傳導(dǎo)的熱量與加工點(diǎn)的切割溫度有關(guān)。熱量有三種傳導(dǎo)方式：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射，加工中因?yàn)榘宀谋磺写┑臅r(shí)間很短，熱量因輻射散失的較少，所以為簡(jiǎn)化起見(jiàn)只考慮熱量的傳導(dǎo)。這樣加工點(diǎn)在加工瞬間需要的熱量只與材質(zhì)有關(guān)，根據(jù)相關(guān)的手冊(cè)和經(jīng)驗(yàn)可以得到加工瞬時(shí)的發(fā)熱量Q，這樣板材任一點(diǎn)的溫度就可由公式⑤計(jì)算得出。

完成加工點(diǎn)周?chē)煌c(diǎn)的溫度計(jì)算后再通過(guò)OpenGL的貼圖操作，將相應(yīng)的溫度顏色圖渲染到板材上，即完成了板材的溫度場(chǎng)建模。后續(xù)通過(guò)有限元分析或者由板材熱力學(xué)公式可以計(jì)算出板材受熱過(guò)程中的幾何變化情況。

3 模型實(shí)例的實(shí)現(xiàn)

3.1 主程序與用戶(hù)界面介紹

系統(tǒng)主程序從友好的用戶(hù)界面開(kāi)始，圍繞NC代碼的調(diào)入、檢測(cè)、編輯和保存等功能擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)了板材加工過(guò)程的動(dòng)畫(huà)。本系統(tǒng)從應(yīng)用對(duì)象的特殊要求出發(fā)，加入了溫度場(chǎng)的顯示，并期望能初步表達(dá)了板材的物理變化情況。系統(tǒng)的用戶(hù)界面如下：

圖3 系統(tǒng)用戶(hù)界面

整個(gè)界面分為四個(gè)部分：左邊是NC代碼顯示區(qū)，中間是仿真動(dòng)畫(huà)顯示區(qū)，右邊是溫度列表，下面是數(shù)據(jù)顯示區(qū)。菜單欄中文件選項(xiàng)可以調(diào)入、編輯和保存數(shù)控代碼；校驗(yàn)欄中的選項(xiàng)分為步進(jìn)校驗(yàn)和全局校驗(yàn)。工具欄中以便捷方式顯示了打開(kāi)、保存、校驗(yàn)、放大、縮小等操作。整個(gè)用戶(hù)界面簡(jiǎn)潔、友好，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)操作的全部功能。

3.2 仿真過(guò)程展示

系統(tǒng)在仿真過(guò)程中可以分別以步進(jìn)方式和全局方式進(jìn)行校核。仿真動(dòng)畫(huà)顯示截圖如4所示。

圖4 仿真動(dòng)畫(huà)顯示

以步進(jìn)校核方式為例，仿真過(guò)程中通過(guò)逐行控制數(shù)控代碼，顯示區(qū)逐步的顯示加工過(guò)程。同時(shí)可以選擇任意一行代碼，選中時(shí)火焰頭將會(huì)定位到相應(yīng)的位置，并將之前的軌跡用紅色線表示代表已經(jīng)加工完成?；鹧骖^部表示了當(dāng)前加工點(diǎn)的溫度場(chǎng)情況。這種校核方法方便了代碼的檢測(cè)、定位和修改。全局校核方式可以自動(dòng)完成整個(gè)加工過(guò)程的顯示，這種方式可以用于加工方法的預(yù)審核和NC代碼的快速檢測(cè)。通過(guò)以上兩種方式的混合使用，順利的實(shí)現(xiàn)了加工中對(duì)加工方法預(yù)審核與代碼校驗(yàn)的需求，滿(mǎn)足了工程應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控加工中，特別是在板材加工領(lǐng)域，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬虛擬加工過(guò)程為加工方法的選擇、路徑優(yōu)化以及NC代碼校核提供了有力的支持。本文中介紹的仿真系統(tǒng)針對(duì)目前板材加工企業(yè)的需求，將NC圖形仿真和NC代碼編輯集于一體，全方位再現(xiàn)了板材火焰切割的加工過(guò)程，滿(mǎn)足了加工企業(yè)的生產(chǎn)需求。隨著加工技巧的深入，目前許多生產(chǎn)企業(yè)，特別是一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)所比如高精度板材加工企業(yè)，對(duì)板材的幾何尺寸精度要求較高。但是板材的尺寸在加工中一般會(huì)因受熱、受力等而發(fā)生變化，導(dǎo)致其在加工之后無(wú)法直接使用，增加企業(yè)的生產(chǎn)成本。這就要求有更完善的仿真系統(tǒng)在模擬板材加工過(guò)程的同時(shí)還要模擬板材在加工中的溫度場(chǎng)變化并分析板材的變形情況。目前多數(shù)的數(shù)控仿真只局限于數(shù)控加工過(guò)程的顯示，研究重點(diǎn)多偏向于幾何圖形信息的處理。隨著板材加工企業(yè)需求的提升，模擬數(shù)控加工中的溫度場(chǎng)變化并分析板材的受熱、受力變形必將成為研究重點(diǎn)。

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韓青江（1985 -），男，江蘇邳州人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樘摂M制造系統(tǒng)建模仿真。