張玉霞，王培俊，扈志遠(yuǎn)，聶良兵，潘璇

（西南交通大學(xué)國家級(jí)機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)示范中心，四川成都 610031）

0 引言

虛擬制造以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，在計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境下進(jìn)行加工而不消耗物理資源，對(duì)真實(shí)產(chǎn)品制造的動(dòng)態(tài)進(jìn)行描述［1］?，F(xiàn)實(shí)的數(shù)控加工開始前需要檢查NC代碼是否有錯(cuò)，加工過程中需檢驗(yàn)加工是否符合要求，通常需要試切檢驗(yàn)，造成一些不必要的資源浪費(fèi)和產(chǎn)品生產(chǎn)周期的加長。虛擬數(shù)控加工仿真技術(shù)在此背景下應(yīng)運(yùn)而生，在虛擬環(huán)境下用戶可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、加工和裝配、檢驗(yàn)到使用整個(gè)生命周期的模擬和仿真。虛擬數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的研究開發(fā)，不僅能節(jié)約資源、避免損失，而且可以通過模擬機(jī)床及加工過程來培訓(xùn)數(shù)控機(jī)床操作人員，也可以幫助機(jī)床制造商向遠(yuǎn)程客戶演示其產(chǎn)品［2］。數(shù)控加工作為現(xiàn)代機(jī)械加工的主要方式，對(duì)其過程進(jìn)行仿真具有重要的理論研究和實(shí)用價(jià)值［3］。本文以長征機(jī)床廠KV800型數(shù)控銑床為原型，在研究其操作手冊(cè)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了虛擬數(shù)控銑削仿真系統(tǒng)，實(shí)時(shí)模擬數(shù)控銑孔的過程，通過控制面板實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作功能。

1 虛擬數(shù)控加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)包括三個(gè)模塊:銑床場景模塊、控制面板模塊、銑孔加工模塊。其中銑孔加工模塊包括銑孔算法、刀具庫、毛坯庫和NC代碼解析模塊，如圖1所示。各個(gè)模塊的功能分別為:

圖1 虛擬數(shù)控加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成圖

a）銑床場景模塊:通過Pro/E等建模軟件建立銑床的主要結(jié)構(gòu)部件，轉(zhuǎn)換為.3ds文件，導(dǎo)入到程序中。

b）控制面板模塊:人機(jī)交互界面的主要組成部分，通過點(diǎn)擊操作面板上的按鈕實(shí)現(xiàn)機(jī)床的各種功能以及創(chuàng)建、載入和保存NC代碼等。

c）銑孔加工模塊:1）銑孔算法:主要是實(shí)現(xiàn)銑孔過程中毛坯材料去除過程的模擬。2）刀具庫及毛坯庫:根據(jù)不同的加工需求選擇符合要求的刀具，設(shè)定毛坯參數(shù)，實(shí)時(shí)創(chuàng)建并安裝毛坯。3）NC代碼解析模塊:通過對(duì)用戶自定義的NC代碼進(jìn)行讀取并編譯，獲得關(guān)鍵加工信息。

2 虛擬加工環(huán)境建模

虛擬數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)是虛擬加工環(huán)境的模型建立。通過計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)構(gòu)建物體的三維幾何模型，對(duì)于所需要虛擬仿真的物體原型進(jìn)行真實(shí)模擬，提供重要的幾何信息和加工信息［2］。本系統(tǒng)采用 Visual Studio 2010編譯軟件，以O(shè)penGL底層庫為基礎(chǔ)。虛擬加工環(huán)境的建模方法主要有兩種。1）直接以O(shè)penGL圖形庫為基礎(chǔ)，通過VC++程序調(diào)用圖形庫的函數(shù)來完成建模。這種方法占用系統(tǒng)資源少、系統(tǒng)配置要求比較低，但模型建立比較復(fù)雜、難度比較高。2）通過第三方建模軟件，解決了復(fù)合模型建立的問題，造型比較美觀，但占用系統(tǒng)資源比第一種方法大得多，對(duì)系統(tǒng)配置要求比較高［3］。

虛擬數(shù)控銑床是由許多零部件構(gòu)成的裝配體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，選用OpenGL圖形庫進(jìn)行造型非常困難。而第二種方法采用實(shí)體幾何法建模思想，層次化、結(jié)構(gòu)化構(gòu)建機(jī)床模型，將機(jī)床的復(fù)雜建模轉(zhuǎn)化為簡單形體的建?；顒?dòng)的組合。本文選擇三維建模軟件Pro/E進(jìn)行建模，建模思路為:采用實(shí)體幾何建模思想，以實(shí)際數(shù)控銑床為對(duì)象，忽略機(jī)床伺服裝置和內(nèi)部傳動(dòng)裝置，根據(jù)各零部件物理模型之間的裝配關(guān)系裝配成一臺(tái)完整的虛擬機(jī)床。裝配關(guān)系應(yīng)當(dāng)全面地表達(dá)零部件之間的連接性、層次性。

虛擬加工仿真的過程是在基于OpenGL底層圖形庫的VC++框架中進(jìn)行的，由外部軟件建立的機(jī)床模型必須導(dǎo)入到VC++框架中，方法有轉(zhuǎn)換法和直接導(dǎo)入法。轉(zhuǎn)換法由第三方軟件（如Deep Exploration，3DExploration等）完成，具體步驟如下:將Pro/E模型文件保存為.obj的標(biāo)準(zhǔn)3D模型文件，導(dǎo)入Deep Exploration中，轉(zhuǎn)存為.cpp文件。這些cpp文件可以在VC++框架中以頭文件的形式導(dǎo)入整個(gè)機(jī)床模型［4］。此方法比較簡單方便，但是數(shù)據(jù)都是包裝在文件中的，不方便整改，而且尺寸多有變化，不方便進(jìn)行裝配。此處采用第二種方法，直接解析.3ds文件格式，編寫相應(yīng)的3DSLoader類將其模型數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存進(jìn)行繪制，方便裝配。

人機(jī)交互控制系統(tǒng)是虛擬仿真系統(tǒng)的重要組成部分，采用MFC框架進(jìn)行開發(fā)，三維圖形界面如圖2所示，包括主菜單、工具欄、圖形顯示區(qū)以及操作面板區(qū)和狀態(tài)欄。通過菜單按鈕和操作面板區(qū)按鈕可以執(zhí)行相應(yīng)的命令，比如加載坯料、選擇刀具等。在圖形顯示區(qū)可以通過鼠標(biāo)的點(diǎn)擊拖拽以及滾輪的滾動(dòng)，方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的各視角的觀察以及縮放。

圖2 虛擬加工環(huán)境三維界面

3 毛坯庫的建模

在毛坯的加工過程中伴隨有物理變換和幾何變換。物理變換主要有:刀具與坯料之間的作用力、熱量的轉(zhuǎn)換等。幾何變換主要是坯料幾何模型的變換。由于物理變換比較復(fù)雜、視覺效果不明顯，在系統(tǒng)中只考慮幾何變換。

由于毛坯在加工過程中幾何形狀時(shí)時(shí)改變，所以直接采用VC++程序調(diào)用OpenGL圖形庫進(jìn)行毛坯的幾何建模，滿足虛擬加工的實(shí)時(shí)性、交互性的要求。毛坯幾何建模的方法主要是:1）離散化建模，這種實(shí)體造型方法所表達(dá)的幾何模型，對(duì)實(shí)體造型要求高、計(jì)算量大，相當(dāng)耗時(shí)。2）單元體化建模，速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)仿真，但由于單元體的模擬過程單一，不宜進(jìn)行精確的加工仿真［5］。本系統(tǒng)針對(duì)的是銑孔加工，毛坯多為平面體，多用在平面上打孔，所以采用面片法建模。將毛坯分為六個(gè)面片，在需要開孔的面片上進(jìn)行打孔。采用此方法數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量少，仿真效果精確。

4 加工仿真的實(shí)現(xiàn)

虛擬數(shù)控銑孔仿真是數(shù)控銑床在虛擬環(huán)境中的映射，它能實(shí)現(xiàn)功能特征、幾何特征與實(shí)際銑床的一致性。真實(shí)的數(shù)控銑孔加工過程中，主要運(yùn)動(dòng)包括銑床的運(yùn)動(dòng)以及切削工件的運(yùn)動(dòng)。因此數(shù)控銑孔加工仿真主要分為銑床運(yùn)動(dòng)仿真和去除材料仿真兩部分。

4.1 數(shù)控銑床運(yùn)動(dòng)仿真

機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真主要表現(xiàn)為卡盤隨主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、大拖板與導(dǎo)軌之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，小拖板與大拖板之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，刀具架的轉(zhuǎn)動(dòng)等［6］。在OpenGL中利用OpenGL的雙緩存技術(shù)，配合時(shí)間計(jì)時(shí)器與響應(yīng)函數(shù)，改變結(jié)構(gòu)間的相對(duì)坐標(biāo)，完成加工中各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)仿真的效果。時(shí)間計(jì)時(shí)器的設(shè)定是通過添加消息響應(yīng)函數(shù)ON_WM_TIMER（）來實(shí)現(xiàn)的。利用函數(shù)SetTimer（n，t，NULL）設(shè)定標(biāo)號(hào)為 n且每 t μs發(fā)送一次WM_TIMER消息的時(shí)鐘定時(shí)器。利用時(shí)間消息響應(yīng)函數(shù)On Timer（UINT nIDEvent）設(shè)置每次刷新時(shí)變量改變值，即設(shè)定機(jī)床如何動(dòng)作。利用KillTimer（n）關(guān)閉一個(gè)標(biāo)號(hào)為n的定時(shí)器，該定時(shí)器不再發(fā)送WM_TIMER消息到程序，停止機(jī)床動(dòng)作。

4.2 去除材料的仿真

數(shù)控銑床銑孔過程中最重要的仿真是對(duì)毛坯材料去除過程的仿真，毛坯材料的去除算法決定了加工過程的真實(shí)性。去除材料仿真過程是利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，通過動(dòng)畫的形式，形象直觀的模擬切削的過程［2］。本文設(shè)計(jì)了G代碼實(shí)時(shí)編譯模塊。首先，讀取NC代碼進(jìn)行解析，獲得加工過程的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳遞給機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真模塊，在虛擬環(huán)境中完成切削加工。G代碼的讀取與加載如圖3所示。G代碼可以手工點(diǎn)擊面板上的字母按鈕逐個(gè)逐行輸入，同時(shí)也可以讀取外部TXT文件格式的G代碼，提高仿真效率。當(dāng)代碼被加載到系統(tǒng)中后，C++的讀文件函數(shù)對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)，讀取關(guān)鍵字的值，將其賦給控制切削變化的變量，配合時(shí)間計(jì)時(shí)器的響應(yīng)函數(shù)，完成加工仿真。

圖3 G代碼的讀取與加載

數(shù)控銑床銑孔過程是工件刀具做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和z軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，因此可以通過設(shè)定孔類型、孔徑大小、孔的深度、刀具位置來實(shí)現(xiàn)參數(shù)化、動(dòng)態(tài)化的加工仿真。其過程及原理如圖4所示。

圖4 銑孔過程原理示意圖

具體算法為:用面片法建立立方體，其中孔所在面利用模板緩存，開啟模板測試，以孔的半徑r為半徑畫一個(gè)圓，在這個(gè)圓內(nèi)所有點(diǎn)的模板緩存設(shè)置為1，孔以外的點(diǎn)模板緩存位置設(shè)置為0，模板緩存值為1的點(diǎn)通不過模板緩存測試，只畫通過模板緩存測試的點(diǎn)。然后在圓心畫一個(gè)半徑為r的圓R。當(dāng)?shù)毒吒髁习l(fā)生干涉并向下移動(dòng)H時(shí)，圓R向下移動(dòng)H并產(chǎn)生一個(gè)高度為H的孔四周的圓柱面。整個(gè)銑孔的過程是對(duì)各個(gè)面的操作，通過對(duì)時(shí)間控制器的控制，完成整個(gè)工件毛坯的銑孔仿真。

在實(shí)時(shí)加工仿真中，刀具模型與坯料模型進(jìn)行銑孔運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果更新工件實(shí)體庫中的數(shù)據(jù)信息，調(diào)用實(shí)體顯示函數(shù)，獲取更新后的工件毛坯模型數(shù)據(jù)并將其顯示在屏幕上。整個(gè)加工過程中，利用了OpenGL的雙緩存技術(shù)，定時(shí)器技術(shù)以及界面刷新技術(shù)。由于數(shù)據(jù)更新的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于使用實(shí)體顯示函數(shù)來更新造型的速度，因此可以獲得平滑逼真的動(dòng)畫效果［7］。

5 結(jié)語

本文基于VC++與OpenGL開發(fā)了虛擬數(shù)控銑床銑孔加工仿真系統(tǒng)。加工環(huán)境以及加工模塊的建模分別采用了外部建模然后導(dǎo)入和直接調(diào)用OpenGL底層圖形庫的方法，可以方便地模擬真實(shí)的機(jī)床，具有較好的可擴(kuò)展性。系統(tǒng)的操作界面使用MFC編程設(shè)計(jì)，具有友好的人機(jī)交互性，用戶可以便捷的對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的加工過程進(jìn)行多視角的局部或整體的觀察。對(duì)G代碼實(shí)時(shí)讀取和自定義輸入，實(shí)現(xiàn)了銑孔加工的參數(shù)化動(dòng)態(tài)仿真。刀具和毛坯的選擇設(shè)計(jì)完善了系統(tǒng)的仿真效果。切削加工的方針?biāo)惴ㄔ谝欢ǔ潭壬蠌浹a(bǔ)了由外部模型導(dǎo)入帶來的系統(tǒng)壓力。實(shí)驗(yàn)表明，仿真效果達(dá)到了預(yù)期要求，具有較好的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］白廣利，楊洪亮，紀(jì)彬，等.虛擬制造技術(shù)的初步研究［J］.石油機(jī)械，2005，33（9）:78-82.

［2］侯磊，王培俊，李國良，等.基于OpenGL與VC++的虛擬數(shù)控車床加工仿真研究［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011（167）:4-10.

［3］谷峰，李印結(jié).國際先進(jìn)制造技術(shù)的研究動(dòng)態(tài)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2006（5）:40-43.

［3］其木格，李強(qiáng).基于UG的虛擬機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與仿真［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2007（05）:26-29.

［4］陽旭，王培俊，楊利明，等.滑動(dòng)軸承三維油膜壓力動(dòng)態(tài)分布可視化研究［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2010（2）:14-16.

［5］熊家偉，黃明吉，賈志新.虛擬數(shù)控車床仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2006（03）:95-96.

［6］陳云，杜齊明，董萬福，等.現(xiàn)代金屬切削刀具實(shí)用技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008:200.

［7］余湛悅，周來水，張臣.提高數(shù)控加工仿真速度和效果的關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2004，16（5）:642-647.