淺談數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)模型實現(xiàn)方法

張波

摘 要 立足于數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)的發(fā)展與功能、加工系統(tǒng)模型的實現(xiàn)方法進(jìn)行一次探究，主要探索工件的仿真性與校園教學(xué)的結(jié)合。

關(guān)鍵詞 數(shù)控車床；模擬加工系統(tǒng)；模型；OpenGL

中圖分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）22-0032-03

Abstract Based on the development and function of the numerical control lathe simulation processing system and the realization method of the processing system model， this paper explores the inte-gration of the work piece simulation and campus teaching.

Key words CNC lathe； simulation machining system； model； OpenGL

1 引言

數(shù)控車床是一種高、精、尖的自動化機床，具有廣泛性的加工工藝性能，而數(shù)控車床的模擬加工系統(tǒng)可以完成多項復(fù)雜的工件組合。數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)是一種自動化的過程，按照事先設(shè)置好的加工程序，完善好加工的路線、圖形、刀具的運行軌跡、數(shù)字代碼、指令代碼等，自動地對被加工零件進(jìn)行依次加工，其模擬實現(xiàn)方法對零件小且復(fù)雜的批量加工尤為重要，要求更高。這樣一種實用且高精尖的加工模擬系統(tǒng)，操作與切割過程都是計算機來完成，及時發(fā)現(xiàn)與改善不足之處，檢驗與修改出精美的模型工件。

就目前而言，我國有相當(dāng)大的一部分企業(yè)使用的數(shù)控車床都是由原普通車床改造而來的，采用這樣的一種數(shù)控車床有一定的優(yōu)勢存在。一方面，原普通車床的這類材料、材質(zhì)都比較便宜，設(shè)備需要投入的經(jīng)費較少；另一方面，原來的設(shè)備資源也可以反復(fù)使用，節(jié)約了設(shè)備資源，較少消耗。此外，該車床的性能方面也可以得到一定的提升。總的來說，這樣的數(shù)控系統(tǒng)編碼格式與功能都大大滿足了生產(chǎn)生活的要求，符合國際化的標(biāo)準(zhǔn)；但該系統(tǒng)還未達(dá)到時代的要求，它采用的數(shù)碼管顯示編碼以及加工信息時，若操作或程序設(shè)置出現(xiàn)失誤，就會導(dǎo)致整個工件的報廢、事故的發(fā)生以及系統(tǒng)的癱瘓。

基于以上數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)狀，開發(fā)數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)一類的軟件可以大大避免失誤的出現(xiàn)。在實際操作過程中，先在系統(tǒng)中模擬操作工程，再進(jìn)行加工。以計算機作為輔助工具，用現(xiàn)代化的技術(shù)操作出程序運行過程中需要經(jīng)歷的步驟，模擬工件建立、編輯、刀削的過程，反復(fù)操練、反復(fù)修改，直到零失誤、零事故才執(zhí)行命令。數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)的出現(xiàn)無疑是對產(chǎn)品開發(fā)、檢驗、生產(chǎn)、效率與安全都做出新的改變與發(fā)展，想要完成模型的實現(xiàn)，還需要投入更多的精力與技術(shù)。

2 數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)的發(fā)展與功能

近年來，數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)的涉及面已經(jīng)由企業(yè)大面積拓展到校園，學(xué)校的課程與技能培訓(xùn)過程中引進(jìn)許多數(shù)控車床設(shè)備，培訓(xùn)了一批又一批有經(jīng)驗、有操作技能的技術(shù)人員，為數(shù)控機床的發(fā)展培養(yǎng)了人才，也為學(xué)生就業(yè)提供了機會。數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)仿真技術(shù)是學(xué)習(xí)的重點，利用VC++軟件與OpenGL面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法開發(fā)一個可視化的仿真系統(tǒng)，再利用計算機軟件與數(shù)控機床結(jié)合，提升模擬加工系統(tǒng)的運用與發(fā)展。

數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

1）數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)的總思路。總分式的結(jié)構(gòu)模塊化的設(shè)計是數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)的總體設(shè)計思路主要采取的設(shè)計方案之一。數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)在操作過程中，首先需要制定出一套數(shù)控系統(tǒng)，并使該數(shù)控系統(tǒng)具備與操作面板相同的操作界面，實現(xiàn)二者的配合；其次是充分利用面板上的所有按鈕，使之功能達(dá)到最大化，在操作過程中完成畫面的轉(zhuǎn)換并在界面上顯示出來；最后，綜合性操作后，剩下的就是完成單個功能的依次運行。

OpenGL是一項跨平臺、跨編程語言的專業(yè)的圖形程序軟件接口，對于調(diào)動底層圖形庫的使用是一項較為強大的功能，自該軟件出現(xiàn)以來就被廣泛運用，甚至對于其他計算機平臺以及設(shè)備程序的創(chuàng)新與發(fā)展都有一定的借鑒意義。2D、3D是軟件OpenGL目前最為廣泛接受的圖形API，具有較強的高視覺沖突性與可移植性。相比于其他軟件編程，該軟件的編程簡單，但生成圖像分辨率、動畫效果質(zhì)量高，所以多數(shù)的數(shù)控車床模擬加工會選擇OpenGL中的3D圖形來顯示與執(zhí)行。

2）數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)虛擬機床環(huán)境的搭建。VC++（Microsoft Visual C++）是微軟公司開發(fā)的功能較強的開發(fā)平臺，經(jīng)過版本的多次更新與修訂，現(xiàn)開發(fā)出的系統(tǒng)執(zhí)行效率高，擁有代碼編寫與界面設(shè)計集成交互操作、程序框架自動生成、靈活方便的管理、可開發(fā)多種程序等優(yōu)點。選用VC++與OpenGL的配合效率高，是虛擬加工系統(tǒng)開發(fā)的一個重要工具。利用數(shù)控車床模擬加工過程的仿真性來檢驗產(chǎn)品的加工過程與結(jié)果，力求實現(xiàn)產(chǎn)品零件的虛擬加工要求。

搭建虛擬機床的環(huán)境，在設(shè)備模塊設(shè)計中可以考慮省略部分伺服裝置、傳動裝置等。在數(shù)控車床各零部件的實體造型設(shè)計中可以利用野火3.0軟件來進(jìn)行簡易操作，選擇形狀較為規(guī)則的圓柱、正方體、立方體等基本幾何實體來交叉計算構(gòu)建機床的主要部件模型，并利用計算機虛擬出機床所需要的三維數(shù)據(jù)格式STL。通過在三維數(shù)據(jù)的運行過程中提取出相應(yīng)的數(shù)據(jù)來進(jìn)行結(jié)構(gòu)裝配，組合成一個個完整的數(shù)控車床的模擬三維圖形。OpenGL在此過程中發(fā)揮的作用是在繪制機床時將每個零部件都生成并顯示出所有的系統(tǒng)列表，從而提高虛擬搭建模型的效率，滿足虛擬搭建繪制的要求。

數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)的運行環(huán)境 數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)的運行對硬件與軟件的要求都非常高，對于硬件最低的要求配置都必須是4 M的內(nèi)存、鼠標(biāo)器、80386微機、VGA彩色顯示器的搭配，版本的要求也必須是至少2.0，不同的軟件平臺版本也有不同的要求。此外，數(shù)控裝置、伺服單元、驅(qū)動裝置、冷卻系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)等都是該系統(tǒng)的一小部分配備裝置，高精尖的模擬加工系統(tǒng)對于運行環(huán)境的要求同樣極高。

數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)的組成與功能

1）系統(tǒng)四大構(gòu)成板塊。數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)主要由四大板塊構(gòu)成，如圖1所示。

2）系統(tǒng)程序中的輸入與編輯。數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)的四大板塊中有三個板塊對于程序的加工與引導(dǎo)有著不可或缺的作用，程序的輸入與編輯這一板塊是加工系統(tǒng)中核心的一道步驟，在程序畫面上進(jìn)行編輯并且控制面板，使得面板中展現(xiàn)出來的畫面與后臺操作的畫面保持一致。系統(tǒng)加工與引導(dǎo)程序的輸入工序需要反復(fù)進(jìn)行插入、查詢、復(fù)制、修改、刪除、保存等操作，以求達(dá)到合適的輸入與編輯數(shù)據(jù)。以某零件的程序輸入與編輯為例進(jìn)行說明。

①加工程序輸入：

%100

N5 G90 X35 Z65

N15 G02 X0 F1505

N25 Z55 F195

N35 G01 X15 Z57I0 K-8 F45

N45 G03 Z50 F198

N55 X22 Z35

N65 X35 Z68 F1500

N75 M01

在對加工程序的輸入中有不同的要求，輸入前要考慮屏幕上電源的開關(guān)設(shè)置，且必須提示“>”符號才可以進(jìn)行編輯；而輸入時，對于%鍵、LF鍵、數(shù)碼管顯示器、MON復(fù)位鍵等都有連貫的要求，與在數(shù)控車床控制面板上的輸入過程是一致的，不同之處在于操作需要通過鼠標(biāo)器來進(jìn)行，用手來操作屏幕面板是無法完成該操作的。

②引導(dǎo)程序的輸入：

%0

N5 L95

這類最簡單的操作程序，與引導(dǎo)程序的輸入方法相似但不相同，這也就表明不同的輸入程序都是可以進(jìn)行保存的，只需要標(biāo)注不同的命名就可以完成，而%0就可以作為該程序的命名。

3）工具的選擇與材料的加工。對于毛坯的裝卸與材料的加工，多數(shù)采用的車削為八類器具，對刀是這八類器具中常見的一類。在屏幕上進(jìn)行設(shè)置，在圖形中顯示出需要的三排數(shù)碼管與+X、-Z等多個按鈕，運用鼠標(biāo)器來操作這些按鈕（圖2），可以顯示出對刀刀尖的運行軌跡以及切出來的畫面。

4）毛坯的確定與裝卸。毛坯的確定模板多采用彈出式的菜單形式，毛坯的長度與直徑多被詢問采納。毛坯的裝卸環(huán)節(jié)要求會較高，毛坯的裝上、卸下、左右移動、尺度的觀察、位置的要求、三爪卡盤等都是裝卸的必備過程，三爪在此過程中占有大部分比重，三爪的松開與夾緊，關(guān)系著毛坯的取下還是合適位置的選取，對于車床來說都是不可或缺的部分。

5）工件與路線的測量。屏幕上任意兩點的距離都可能影響到工件的加工計算，想要順利完成模擬加工，就要嚴(yán)格測量兩點、兩線、兩物體之間的距離，也可以采取測量夾角的方式進(jìn)行驗證。通過實際的運行軌跡進(jìn)行測量，對工序的判斷更為直接，也可作為修改工件程序的重要依據(jù)。

3 數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)的模型實現(xiàn)方法探究

工件毛坯仿真的建立與切除 毛坯的建立與切除是數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)模型實現(xiàn)的重要方法之一。其建立是為了仿真結(jié)果的精準(zhǔn)性，因為車削工件毛坯大多是回轉(zhuǎn)體，而且很多用于加工回轉(zhuǎn)的表面。為了加大仿真效果，就要利用現(xiàn)代科技VC++和OpenGL編程，將外面分成均勻的點，然后把這些點按照規(guī)律重新組合，就可以得到三角網(wǎng)絡(luò)模型。其切去是為了展現(xiàn)切削成形的狀態(tài)，在切去的時候，把刀具所在區(qū)域用繪圖區(qū)域的背景顏色涂色，然后使用的工具和顏色是相同的，讓它們同時對其背景顏色進(jìn)行染色。這就是毛坯的切除。

機床運動仿真速度與位置的控制 機床運動仿真速度與位置的控制是幫助數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)模型實現(xiàn)的另一途徑和方法。仿真速度其實就是具體指刀具的控制速度，在每次使用刀具的時候，根據(jù)刀具的使用速度延長一定的時間。這就是動態(tài)仿真，為了達(dá)到動態(tài)仿真的目的，其原理就是由對于模擬速度的控制來實現(xiàn)數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)的模型實現(xiàn)，其延長的時間與模擬的速度是呈反比的。關(guān)于位置的控制，是根據(jù)緩沖的主軸對機床主軸進(jìn)行作用，根據(jù)位移使刀具移動到預(yù)定的位置，不僅能將以前的刀具位置刪掉，而且能夠延長時間，以此來達(dá)到移動的效果。機床運動仿真速度與位置的控制對實現(xiàn)數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)的模型同樣有著非常好的效果。

4 結(jié)語

數(shù)控系統(tǒng)編碼格式與功能對于現(xiàn)代人的生活具有重要作用，對于提高社會生產(chǎn)力有著積極影響，它們存在密不可分的聯(lián)系。本文對于數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)的發(fā)展與功能、數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)的總思路、數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)的運行環(huán)境、數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)的組成與功能以及數(shù)控車床模擬加工系統(tǒng)的模型實現(xiàn)方法探究做了分析和敘述。盡管現(xiàn)在關(guān)于數(shù)控的有關(guān)技術(shù)還不夠完備，但是相信只要對其不斷進(jìn)行研究和探索，一定能夠及時發(fā)現(xiàn)和改正不足，讓數(shù)控車床的優(yōu)勢發(fā)揮得更加明顯。

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