褚人宇， 楊忠林， 潘炳偉

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

數(shù)控加工仿真是虛擬制造的一個(gè)重要基礎(chǔ)和分支。在數(shù)控加工中，刀具運(yùn)動(dòng)過(guò)程由數(shù)控指令程序控制完成。為了保證能正確有效地加工出合格零件，數(shù)控程序的仿真驗(yàn)證是十分重要的環(huán)節(jié)。20世紀(jì)90年代中后期，伴隨著虛擬制造技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了虛擬機(jī)床這一新技術(shù)。作為虛擬制造的支撐技術(shù)之一，虛擬機(jī)床技術(shù)具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的應(yīng)用前景。作為數(shù)控加工幾何仿真技術(shù)的一部分，虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的基本要求是能夠在計(jì)算機(jī)上描述真實(shí)加工過(guò)程[1]。

目前，國(guó)外對(duì)于數(shù)控加工幾何仿真技術(shù)的研究已取得一定成果。美國(guó)馬里蘭大學(xué)開發(fā)了用于培訓(xùn)數(shù)控操作人員的虛擬數(shù)控機(jī)床仿真器。美國(guó)CGTech公司開發(fā)了VERICUT數(shù)控仿真軟件，不僅能實(shí)現(xiàn)分析切削狀態(tài)的功能，而且能增強(qiáng)多軸仿真[2]。韓國(guó)Turbotek公司開發(fā)了面向培訓(xùn)的虛擬數(shù)控銑削加工環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控加工的幾何仿真，并配有聲響信息。日本索尼公司研制了FREDAM系統(tǒng)，可以對(duì)球頭銑刀加工自由曲面過(guò)程進(jìn)行三維仿真，并進(jìn)行干涉碰撞檢查[3]。意大利博洛尼亞大學(xué)用B樣條曲面建立了端銑刀與工作臺(tái)模型，采用真實(shí)感圖形顯示銑床精加工過(guò)程。法國(guó)達(dá)索公司的CATIA軟件可以使機(jī)床仿真加工模擬達(dá)到四維空間[4-8]。與此同時(shí)，國(guó)外一些著名計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造軟件，如UG、Pro/E、MasterCAM等在國(guó)內(nèi)也得到了廣泛應(yīng)用[9]。

目前，我國(guó)的虛擬加工系統(tǒng)無(wú)論在功能、可靠性，還是在加工仿真效果上都不及國(guó)外同類系統(tǒng)，尤其是在五軸加工仿真方面還有所欠缺，也沒(méi)有真正形成具有自身特色的工程化、商業(yè)化虛擬加工系統(tǒng)[10]。另一方面，多數(shù)國(guó)外軟件存在價(jià)格昂貴、性價(jià)比低、對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求高、不符合國(guó)內(nèi)用戶操作習(xí)慣等缺點(diǎn)。因此，進(jìn)一步研究虛擬加工技術(shù)，不斷提高國(guó)產(chǎn)虛擬加工系統(tǒng)的性能，是非常有必要的。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

應(yīng)用Visual C++ 2010調(diào)用OpenGL函數(shù)，再輔之以3DS Max與UG進(jìn)行可視化三維仿真開發(fā)，充分結(jié)合OpenGL強(qiáng)大的三維圖形功能和 Visual C++ 完善的界面功能，面向?qū)ο缶幊?。五軸數(shù)控加工仿真系統(tǒng)中，幾何基礎(chǔ)模塊包含機(jī)床模塊、工件模塊、刀具模塊。向程序中導(dǎo)入數(shù)控代碼，通過(guò)OpenGL動(dòng)畫處理形成數(shù)控加工過(guò)程的仿真。圖1為五軸數(shù)控加工仿真系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖。

圖1 五軸數(shù)控加工仿真系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖

3 仿真數(shù)據(jù)建模

3.1 STL數(shù)據(jù)

STL是三維實(shí)體造型統(tǒng)一接口文件格式，目前已被工業(yè)界認(rèn)為是快速成形領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)描述文件格式。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造軟件，如UG、Pro/E、SolidWorks等，都能導(dǎo)入導(dǎo)出圖形STL文件，實(shí)現(xiàn)三維圖形的顯示。STL文件包含二進(jìn)制格式與ASCII碼格式，出于編程方便考慮，筆者采用ASCII碼格式。ASCII碼格式的STL文件逐行給出三角面片的幾何信息，每一行以1個(gè)或2個(gè)關(guān)鍵字開頭。STL文件中信息單元facet是一個(gè)帶矢量方向的三角面片，STL三維模型就是由一系列這樣的三角面片構(gòu)成的。整個(gè)STL文件的首行給出了文件路徑及文件名。在STL文件中，每一個(gè)facet由7行數(shù)據(jù)組成，facet normal是三角面片指向?qū)嶓w外部的法矢量坐標(biāo)，outer loop說(shuō)明隨后的3行數(shù)據(jù)分別是三角面片的3個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)，3個(gè)頂點(diǎn)沿指向?qū)嶓w外部的法矢量方向逆時(shí)針排列。

ASCII碼格式的STL文件結(jié)構(gòu)如下：

Solid filename stl∥文件路徑及文件名

Facet normal x y z∥三角面片法向量的3個(gè)分量值

Outer loop

Vertex x y z∥三角面片第一個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)

Vertex x y z∥三角面片第二個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)

Vertex x y z∥三角面片第三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)

End loop

End facet∥完成一個(gè)三角面片定義

根據(jù)文件格式的特點(diǎn)，筆者應(yīng)用C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的ifstream類型定義對(duì)象，綁定待讀取的STL文件。再采用逐行讀取的方式用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的string類型getline函數(shù)從ifstream對(duì)象綁定的STL文件中讀入數(shù)據(jù)。由于只需用到其中的頂點(diǎn)信息，因此通過(guò)判斷字符Vertex，然后讀取其后數(shù)據(jù)即可完成。通過(guò)定義以下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)儲(chǔ)存STL文件的信息：

typedef struct mySTLtriangle{∥定義繪制圖形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

float normal[3];∥三角面片法向量的3個(gè)分量值

float a[3]; ∥三角面片第一個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)

float b[3]; ∥三角面片第二個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)

float c[3]; ∥三角面片第三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)

}mySTLtriangle;

將STL文件讀入系統(tǒng)后，通過(guò)OpenGL繪圖機(jī)制，繪制三角面片，并且將圖形顯示出來(lái)。

3.2 3DS數(shù)據(jù)

3DS Max是一套多功能三維動(dòng)畫軟件，集實(shí)體造型、靜態(tài)著色和動(dòng)畫創(chuàng)作于一體。3DS Max能夠與AutoCAD進(jìn)行圖形信息交換，利用掃描儀輸入圖形，通過(guò)視頻圖形陣列與電視轉(zhuǎn)換接口可以將動(dòng)畫輸出至電視等。

3DS文件基于塊概念存儲(chǔ)，塊描述了場(chǎng)景、視圖狀態(tài)、材質(zhì)、網(wǎng)格數(shù)等數(shù)據(jù)。每個(gè)塊都包含一個(gè)標(biāo)志和下一個(gè)塊的偏移量?；谶@種塊結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)實(shí)際需要選擇塊。對(duì)于不需要的塊，可以跳過(guò)，直接處理下一個(gè)塊。圖2所示為3DS文件結(jié)構(gòu)。

圖2 3DS文件結(jié)構(gòu)

根據(jù)3DS文件的結(jié)構(gòu)，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，將3DS文件對(duì)三維模型的描述信息進(jìn)行數(shù)據(jù)抽象，先定義一系列結(jié)構(gòu)用于存放材質(zhì)、位置矢量、關(guān)鍵幀等, 然后定義用于處理3DS文件中各種對(duì)象的C3DS類和處理對(duì)象的C3DS 序列。

C3DS類中主要包含以下成員變量：

float * x,* y，* z; ∥對(duì)象的幾何位置坐標(biāo)

float * nx,* ny, * nz; ∥對(duì)象的法向量

int * faces; ∥對(duì)象的面

tMaterial materials; ∥對(duì)象的材質(zhì)

char* name; ∥對(duì)象的名稱

此外，還需要定義讀入3DS文件的CLoad3DS類。

4 加工算法實(shí)現(xiàn)

仿真模擬實(shí)際工件切削是五軸數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的核心功能。為體現(xiàn)數(shù)控加工時(shí)的實(shí)際切削效果，在建立毛坯模型時(shí)在Z-Map模型的基礎(chǔ)上將模型表面離散為三角形網(wǎng)格。具體可分為兩步，首先將毛坯假定為長(zhǎng)方體，將長(zhǎng)方體在XOY平面投影的長(zhǎng)方形按一定精度離散為M×N個(gè)均勻分布的正方形網(wǎng)格，各網(wǎng)格交點(diǎn)向Z軸作單向射線，長(zhǎng)度根據(jù)需要加工的毛坯高度而定；然后將射線終止點(diǎn)按照一定規(guī)則連接為三角形網(wǎng)格面，即為毛坯的上表面。毛坯模型如圖3所示。

圖3 毛坯模型示意圖

由于將毛坯上表面離散為三角形網(wǎng)格，因此毛坯被切削相當(dāng)于三角形網(wǎng)格面部分頂點(diǎn)Z坐標(biāo)發(fā)生變化。在切削過(guò)程中，毛坯模型受到影響的三角形網(wǎng)格面頂點(diǎn)在XOY平面都有對(duì)應(yīng)的投影，因此只需遍歷XOY平面，通過(guò)判斷刀具在XOY平面的投影是否落在毛坯在XOY平面的投影之中，就可知曉毛坯是否被刀具切削。如圖4所示，立銑加工中，設(shè)刀具在XOY平面的投影為P(x，y)。刀具為立銑刀，在XOY平面的投影為圓形，設(shè)其半徑為r，點(diǎn)Q(xQ，yQ)為毛坯在XOY平面投影任意點(diǎn)。設(shè)立銑刀的刀頭中心點(diǎn)為z，毛坯上表面Z軸坐標(biāo)為zQ，若Q點(diǎn)在以P點(diǎn)為圓心、r為半徑的圓內(nèi)，同時(shí)毛坯上表面zQ坐標(biāo)值大于刀頭中心點(diǎn)z坐標(biāo)值，則毛坯被切削。即如果滿足下式，則毛坯被切削：

圖4 XOY平面投影示意圖

(1)

在算法實(shí)現(xiàn)上，將Z-Map模型離散后的線段表示為如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

public class ZMapLine {

float startZ; ∥Z-Map模型直線段起點(diǎn)

float endZ;∥Z-Map模型直線段終點(diǎn)

}

public class ZMapLineList {

float x; ∥Z-Map模型投影點(diǎn)X軸坐標(biāo)

float y; ∥Z-Map模型投影點(diǎn)Y軸坐標(biāo)

Listline=newArrayList();∥用鏈表儲(chǔ)存每個(gè)投影點(diǎn)上對(duì)應(yīng)的直線

int m_LineTotally; ∥在單個(gè)投影點(diǎn)上對(duì)應(yīng)的直線段數(shù)量}

同理，五軸加工的切削過(guò)程可以看作是多個(gè)前一刀位與當(dāng)前刀位的集合，前一刀位切削到而當(dāng)前刀位沒(méi)有切削到的區(qū)域就是已加工區(qū)域。如圖5所示，陰影區(qū)域即為切削過(guò)程中已完成切削的部分。

圖5 刀具切削投影示意圖

最終得到三維切削效果，如圖6所示。

圖6 三維切削效果圖

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及效果驗(yàn)證

五軸數(shù)控加工仿真系統(tǒng)基于Window 7操作系統(tǒng)，利用Visual C++ 2010 的MFC模塊，同時(shí)調(diào)用OpenGL圖形庫(kù)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)流程如圖7所示。

圖7 五軸數(shù)控加工仿真系統(tǒng)流程

五軸數(shù)控加工仿真系統(tǒng)界面如圖8所示。

圖8 五軸數(shù)控加工仿真系統(tǒng)界面

在界面中按照前述方法導(dǎo)入機(jī)床模型數(shù)據(jù)和工件毛坯數(shù)據(jù)，根據(jù)輸入的數(shù)控加工程序進(jìn)行加工，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)仿真效果圖

6 結(jié)論

在分析虛擬仿真技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，建立了STL與3DS數(shù)據(jù)模型，搭建了虛擬加工環(huán)境，提出了加工仿真算法，進(jìn)而設(shè)計(jì)了五軸數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，并通過(guò)仿真試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。這一系統(tǒng)仿真效果良好，具有一定的實(shí)用與推廣價(jià)值。

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