摘要：本文基于對虛擬數(shù)控加工過程及相關(guān)技術(shù)的深入研究，在Visual C ++平臺上利用OpenGL技術(shù)建立虛擬數(shù)控銑削加工環(huán)境，在系統(tǒng)中應(yīng)用模塊化思想建立了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，詳細設(shè)計了系統(tǒng)中各功能模塊，并對系統(tǒng)的主要實現(xiàn)算法和仿真過程實現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)進行了具體描述。所構(gòu)建的仿真系統(tǒng)適用于職業(yè)教育教學與培訓，實踐中取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：虛擬數(shù)控銑床；建模；仿真

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 23-0000-04

職業(yè)教育以崗位需求和職業(yè)能力為本位，突出實踐技能的訓練。目前很多學校都投入購置了數(shù)控設(shè)備，雖然數(shù)控機床的數(shù)量增加了很多，但仍不能滿足實訓教學的需要；學生從理論學習轉(zhuǎn)入實際操作缺少中間過渡環(huán)節(jié)，實訓的危險性增加；實訓教師在現(xiàn)場指導多名學生同時操作時，環(huán)境嘈雜，且很多學生圍著一臺機床，教學效果不好；數(shù)控機床結(jié)構(gòu)復雜緊湊，學生在學習過程中觀察了解機床的工作狀態(tài)和工作原理及機床的機構(gòu)時，觀察角度受到限制等等。而計算機仿真系統(tǒng)將抽象的知識直觀化，實習現(xiàn)場情景化，有效解決了以上難題，目前已出現(xiàn)了一些相關(guān)研究，但面向職業(yè)教育的、高交互的數(shù)控仿真實訓軟件目前還很少見到，開展該領(lǐng)域的研究有著較大的研究和應(yīng)用價值。

虛擬數(shù)控技術(shù)是以計算機仿真和數(shù)控加工技術(shù)為基礎(chǔ)，集計算機圖形學、人工智能、并行工程、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)為一體，在虛擬的條件下，對數(shù)控設(shè)備的工作過程和環(huán)境進行全面的仿真。系統(tǒng)以實際的數(shù)控銑床及其工作過程為研究對象，以Visual C++6.0作為系統(tǒng)開發(fā)的軟件平臺，采用OpenGL技術(shù)，在Windows XP操作系統(tǒng)下，在構(gòu)建了一套場景化高交互的數(shù)控銑床仿真實訓系統(tǒng)基礎(chǔ)上，重點討論了其構(gòu)建方法、實現(xiàn)過程及相關(guān)技術(shù)。

1 虛擬數(shù)控銑削加工系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 總體設(shè)計思想

本虛擬數(shù)控銑削系統(tǒng)由兩大部分構(gòu)成，即虛擬加工環(huán)境和虛擬加工過程。虛擬加工環(huán)境由銑床、工件、刀具和夾具構(gòu)成，采用比較底層的OpenGL技術(shù)進行特征造型實現(xiàn)；虛擬加工過程包括數(shù)控程序譯碼、三維動畫仿真、碰撞干涉檢查、加工精度仿真四個模塊。仿真過程對數(shù)控程序進行翻譯，產(chǎn)生刀具位置數(shù)據(jù)，并以此驅(qū)動機床運動部件和刀架運動刀具對工件進行虛擬切削，同時檢查是否有碰撞、干涉。數(shù)控程序譯碼模塊負責把手工輸入或通過文件導入的NC代碼翻譯成數(shù)控機床的執(zhí)行動作。三維動畫仿真模塊主要完成加工過程中的動畫，使加工過程的仿真與實際加工更相似。碰撞干涉檢查是虛擬數(shù)控技術(shù)的最主要功能之一，完成加工工程碰撞干涉檢查，檢查NC代碼的正確性。加工精度仿真則是進行加工過程中的精度分析，完成虛擬加工中比較高級的功能。

系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計思想，把數(shù)控銑床的仿真過程分成各個功能相對比較獨立的子模塊，通過先單獨完成各個子模塊設(shè)計和功能，最后把各個子模塊連接起來組成一個完整的數(shù)控車削仿真系統(tǒng)。如圖1所示。

1.2 仿真環(huán)境模型的建立

我們所要建立的虛擬數(shù)控銑削加工系統(tǒng)的目標是：在一個統(tǒng)一的仿真界面中實現(xiàn)三維場景的布置、加工過程的動態(tài)仿真及控制，同時能夠顯示仿真過程中的一些加工信息。本系統(tǒng)的虛擬操作面板是模仿實際的數(shù)控系統(tǒng)Siemens802D的操作面板制作的，虛擬面板上實現(xiàn)了回原點、手動、點動、自動、單段和MDA等主要功能按鈕的功能，系統(tǒng)設(shè)置了刀具庫，可以修改、刪除、添加刀具，還能夠根據(jù)加工需要自定義刀具。系統(tǒng)能夠根據(jù)菜單操作來實現(xiàn)視圖的轉(zhuǎn)換，工件尺寸測量和DNC傳送功能。系統(tǒng)還根據(jù)中職學生的學習特點增設(shè)了切削深度設(shè)置和仿真速度設(shè)置兩個菜單。

本仿真系統(tǒng)界面如圖2所示。

機床模型的建立首先要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求進行功能抽象，合理創(chuàng)建功能模塊。其次是根據(jù)設(shè)計要求合理選擇一組模塊，產(chǎn)生機床拼裝方案。本文考慮三軸數(shù)控銑床的運動關(guān)系，抽象出機床主軸、床身、X向工作臺、Y向工作臺、Z向工作臺，而與仿真無關(guān)的部件如液壓、照明等裝置則不予考慮，簡化了仿真模型，如圖3 所示本系統(tǒng)所建立的數(shù)控銑床幾何模型，主軸可以旋轉(zhuǎn)，工作臺之間可以相互運動，還提供多方位角度觀察機床工作過程。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)方法

2.1 三維幾何模型的構(gòu)建

建模技術(shù)是將現(xiàn)實世界中的物體及其屬性轉(zhuǎn)化為計算機內(nèi)部數(shù)字化表達的原理和方法。虛擬數(shù)控銑削加工系統(tǒng)中的核心問題是加工過程中的圖形模擬加工過程以及加工后零件的檢驗效果，幾何建模是建立仿真系統(tǒng)的中心工作，選取的幾何模型是否恰當對整個系統(tǒng)工程的效率和性能起著決定性的作用。

數(shù)控加工仿真中，建模主要集中在三個部分，即毛坯體建模、工件體建模和刀具體建模。其中毛坯體是加工對象，工件是加工目標，刀具是加工工具。

加工仿真就是模擬實際過程中刀具體沿著刀具軌跡切削運動的過程，計算刀具運動產(chǎn)生的包絡(luò)體與毛坯體的布爾差，從而實現(xiàn)切削過程的仿真模擬。在這個過程中隨著毛坯體不斷被切削，不斷接近工件體，完成加工任務(wù)。加工仿真的的幾何建模包括了定性的圖形顯示與定量的數(shù)據(jù)測量兩個方面，按幾何模型的復雜程度可分為線框模型、表面模型、實體模型、基于圖像空間模型和離散矢量模型。本仿真系統(tǒng)中毛坯體模型的獲取及構(gòu)造步驟如下：

（1）定義毛坯。毛坯可以由用戶定義或者由文件讀取獲得。用戶自定義需由用戶給出毛坯長寬高尺寸，同時指定中心點相對工作臺中心的位置。文件讀取由磁盤中讀入已經(jīng)構(gòu)造好的毛坯體模型數(shù)據(jù)文件。毛坯安裝界面如圖4所示。

（2）網(wǎng)格離散點的確立。毛坯離散點構(gòu)成了求交計算和仿真顯示的主體。數(shù)控銑床三軸加工中的刀軸方向一般是平行于Z軸方向，對于毛坯求其在XOY平面投影的包圍盒，然后根據(jù)加工仿真的精度要求定義離散精度，將包圍盒按離散精度分割為均勻分布的網(wǎng)格點陣。

（3）非均勻離散網(wǎng)格點的確立。實際加工中對精度要求很高，如果單純按照精度均勻劃分網(wǎng)格，對計算量和內(nèi)存的需求很大，因此通過添加非均勻離散網(wǎng)格點來提高優(yōu)化模型對零件毛坯表達的真實性?；谝陨辖Ｋ枷?，提出本系統(tǒng)毛坯體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

其中的IndexTable結(jié)構(gòu)是來記錄非均勻網(wǎng)格點的與之對應(yīng)Z_MAP點位置對應(yīng)關(guān)系。具體的數(shù)據(jù)機構(gòu)如下：

2.2 虛擬數(shù)控銑削求交算法的實現(xiàn)

在加工仿真過程中，刀具每走過一個刀位點，就會在空間形成一段刀具掃描體。相應(yīng)的毛坯體就需要和刀具掃描體進行一定的幾何求交運算，然后用所得的毛坯體數(shù)據(jù)代替原毛坯體數(shù)據(jù)，更新毛坯。而求交算法的速度對于仿真系統(tǒng)十分關(guān)鍵。本系統(tǒng)只進行2軸到3軸的實體切削，所以只需研究刀軸平行于Z軸刀具運動包絡(luò)體與Z向矢量的求交算法，下面是本系統(tǒng)中球頭刀所采用的求交算法：

2.3 數(shù)控系統(tǒng)代碼分析編譯

NC代碼編譯模塊的功能是從NC代碼中直接提取有關(guān)的加工指令和狀態(tài)，以驅(qū)動加工模型實現(xiàn)加工動作，編譯模塊的工作原理如圖 5所示。首先掃描NC代碼檢查存在的詞法與語法錯誤，然后依次讀入代碼進行譯碼、計算刀具軌跡，作坐標變換和刀補計算，最后得到驅(qū)動加工中心各軸位移的數(shù)據(jù)、工步信息及有關(guān)狀態(tài)信息，從而驅(qū)動加工過程仿真，Nc代碼一般采用典型的上下文無關(guān)文法。

3 結(jié)束語

本文利用Visual C ++及OpenGL技術(shù)，構(gòu)建了高交互性的數(shù)控生產(chǎn)實訓平臺，實現(xiàn)了虛擬數(shù)控銑床操作全過程仿真和加工運行的全環(huán)境仿真。并對開發(fā)過程所涉及到的設(shè)計原理、相關(guān)技術(shù)和方法進行了較為詳細的討淪，為操作復雜并具有高危險性的數(shù)控類虛擬仿真實訓軟件的研制進行了有益探索。所開發(fā)的軟件仿真具有較強的交互性，方便了教師教學和學生學習，節(jié)約了耗材設(shè)備，降低了實訓教學的不安全性，教學中應(yīng)用效果良好，期望能進一步深入研究，以實現(xiàn)更加智能化的實訓軟件的構(gòu)建。

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*本項目為基金項目：遼寧省職業(yè)教育信息化建設(shè)基金項目（LN01）

[作者簡介]

周文，沈陽市裝備制造工程學校，高級講師。