数控车削加工仿真的实现

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梁文财
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数控 车 削加工仿Байду номын сангаас 的实现
韩 艳 华
（ 大庆职业学院， 黑龙江 大庆 １３ ５ ） ６２５
摘 要： 数控加工过程仿真分几何仿真和 力学仿真两个方面。几何仿真不考虑切 削参数 、 削力及其它物理 因素的影响 ， 切 只仿真 刀具工件几何
体运动。 以及验证数控加工程序 的正确性。本文介绍了数控车削加工计算机仿真技 术的方法及优势。 关键词 ： 数控加 工； 车削； 仿真
数控 加工过程仿 真分几何仿真 和力学仿 方 向上的一维布尔运算。 这种算法计算量小 ， 实 Ａ ￣ Ｎ Ｏ等。０ｅＧ 经过对 Ｇ Ｒ Ｆ ｐｎ Ｌ Ｌ的进一步发 更加灵活方便地实现了二维和三维的高级 真两个方面。 几何仿真不考虑切削参数、 切削力 时性好 ， 中的显示效果也 比较好 。 仿真 但该算法 展 ， 由于当视点确定后 ， 算法的 图形技术 ， 在性能上表现的异常优越。 它包括建 及其它物理因素 的影响 ，只仿真刀具工件几何 也有很大的局限性 。 变换 、 光线处理 、 色彩处理、 动画以及更先进 体运动 。 验证数控加工程序的正确性 。 以及 它可 数据结构也就确定 了，如果想改变视点从另一 模、 如纹理映射 、 物体运动模糊效果和雾化 以减少或消 除因程序错误而导致 的机床损伤、 个方向来观察时， 则需要重新计算数据 。 它是采 的能力 ， 夹具破坏或刀具折断、 零件报废等问题 ； 同时可 用计算机屏幕作为基准面 ，所以它将完全依赖 效果等。ｐｎ Ｌ的这些能力为实现逼真的三维 ＯｅＧ 绘制效果， 立交互的三维场景提供 了良 的 建 好 以减少从产品设计到制造的时间 ， 降低生产成 于 视 图 。 本。 切削过程的力学仿真属于物理仿真范畴 ， 它 离散矢量求交法【ｏ又称为“ ３】 割草法” 主要 条件。 ， ０ ｅ 实际上是一个开放 的三维 图形软 ＤＩ Ｌ 通过仿真切削过程的动态力学特性来预测刀具 运用于加工误差的的估算 ，误差检测是通过计 破损 、 刀具振动 、 控制切削参数 ， 从而达 到优 化 算 离散 点矢量 与刀 具扫 掠面 的距离 来完 成 ， 件包 ， 它独立于窗 口系统和操作系统 。 以它为基 应用程序可以十分方便地在各种平 台 切削过程 的目的。 ｃ ａｐ ｈｐ ｄ开发 的“ 一矢量 ” 术奠定了这种方 础开发的 点 技 ｌ 仿真技术 的关键 法的基础 。该方法通过在 曲面上选择一些点来 间移植 。 ｐｎ Ｌ可以与 ｖ ａ ｃ ＋ Ｏ ｅＧ ｉ ｌ ＋ 紧密接口， ｌ 在仿真技术中 ， 建模是仿真技术 的关键 ， 近似表示该 曲面，选该点 的法矢量方 向为该点 便于实现机械手的有关计算和图形算法，可以 可以说几何仿 真技术是随着建模技术 的发展而 矢量的方 向， 延伸该矢量 ， 使其与该零件的毛坯 保证算法 的正确性和可靠性 。Ｏ ｅＧ ｐａ Ｌ使用简 效率高。本系统 即是在 ｖｓａ ｃ ＋ １软件 ｉ ｌ ＋６ ｕ ０ 发展的。计算机对形状信息的描述方法简称为 体相交或其它曲面相交为止 ， 这就好像曲面上 便 、 造型或建模 ０ｄ ｒ 技术 。 ｄｉ ・ 造型技术主要 由形 长满了草 ，通过计算刀具扫掠面与点矢量的交 开发环境下，利用 Ｏ ｅＧ ｐｎ Ｌ图形库实现的数 控 状表达和形状操作两个部分组成 ， 形状表达的 点 ， 计算点矢量的起点与交点的距离 ， 刀具 车削加工过程的三维仿真。 模拟 任 务是将形状 的结构用数据结构模拟 出来 ， 这 的切 削过 程 。 ４ 数控车削仿真的实现 种描述形状 的数据结构称为模型（ｏ 出ｎ Ｍ ｄ 。形 总体来说 ，基于实体造型的方法中几何模 ４１ ． 双缓存 技术在 Ｏ ｅＧ ｐｎ Ｌ中实现多媒体 状操作的任务是实现对模型的生成 、修改 、 综 型 的表达与实际加工过程相一致 ， 使得仿真的 动画的原理和放映电影相似 ， 它利用了被称为 合、 分析、 计算 、 显示等操作 ， 以便完成设计过程 最终结果 与设计产品问的精度 比较成 为可能 ； 双缓存的技术 ，就是在屏幕上实现绘制图形以 中的造 型任务。 但是实体造型的技术要求 高、 计算量大 ， 目前 前， ｐ ｎ Ｌ 在 Ｏ ｅＧ 先分配两个颜色缓存 区，在显示连 目 前常用的造型技术有 ： 的计算机环境下较难应用于实时检验和动态模 续 的动画时，在—个缓存区中执行绘制命令的 １ 实体造型技术 （ ｉ Ｍ ｄ ｉ ； ． １ ｓ ｄ ０ｄ ｎ 它将对 拟 ， 于图象空问的方法速度挟的多 ， ａ 基 能够实现 同时 ， 在另—个缓存 区中进行图形显示。 由于计 象分解为一组有限 的三位 元素的集合以及可施 实时仿真 ， 但由于原始数据 已经转化为像素值 ， 算机的计算速度 比较快 ， 这样就可以使所显示 加在这组集合元素上的一组操作 。 视这组三维 不容易进行精确的检验 。基于离散矢量求交法 的图形连续变化 ， 达到动画的效果 。 元素的不同及其操作不同 ， 实体造型技术可以 的时间复杂度和计算精度可以通过控制离散精 使用双缓存实现仿真的步骤如下 ： 分为很多类 型。 度 的大小来实现。同时整个计算过程都是在同 ＆ 设置 Ｏ Ｇ 窗 口显示属性为双缀存机 ￣ｎ Ｌ １ ． ２曲面造型技 术（ｕ ｅＭ０ｅｉ ； Ｓ 面ｃ ｄＩ 它用 数据模型下完成 ，不会产生依赖 于计算机屏 制 ．． ｎ ｂ 利用 Ｏ ｅＧ ｐＩ Ｌ绘图命令绘 图 ； 绘 图结束 ｌ ｅ ． 数 学函数 （ Ｂ样条 、 如 贝赛尔等 函数） 描述 曲线 幕 的问题， 可观察性与零件几何连续性都较好 ， 后切换缓存；． ｄ 使用计 时器控制动画刷新频率。 和 曲面 ， 并提供 曲面的修改 、 连接 、 求交和显示 因此被许多仿真软件所采用 。 Ｏ ｅＧ ｐｆ Ｌ实 现 切换 缓存 的 函 数 为 Ｂ ０ Ｉ ＯＬ 操作。 三角网格划分法是指用三角网格法来描述 ｓ ａ ｕ （Ｄ ｄ）该 函数实 现前后缓存 ｗｐ Ｂ‰ Ｈ ｃ ｈｃ ； ｌ 非几何形体 的造 型技术 ；对不规则的 物体模 型。采用三角网格模型来表达数控加工 的切换 ，只有在此设备场景定义的当前像素格 － ３ 非几何形状的物体进行对 象的表达与操作方法 中的零件形状，综合 了离散矢量求交法和图像 式具有后缓存区时才有效 ， 否则 不会产生任何 的研究 ， 称之为非几何形体 的造型技术。 它们都 空间表示法的一些优点 ， 能方便地利用 Ｏ Ｇ 影响。 ￣ｎ Ｌ 函数 中参数 ｈ ｅ ｄ 为定义设备的场景。 双缓 采用递归过程来产生数量很大的、表面看似是 进行真实感 图形显示 ，同时也可以满足精度和 存技术应用于数控加工动态仿真对获得刀具切
多个角度的观察的要求 。本 系统采用三角 网格 削过程平滑的动画效果具有重要意义。 划分法即基 于三角网格的物体空间离散法建模 ４ 局部刷新技术由于在数控加工仿真 中 ． ２ 技术来建立毛坯的模型 ，在后续章节 中将重点 计算和显示 的数据量相 当大，在显示过程 中如 论述。 果对工件和刀具所有的几何对象和信息都参与 ３ 仿真开发 的平台环境 运算和显示 ， 么在刀具的每一步切削过程中 那 Ｏ ｅ Ｇ 是近几年发展起来 的一个性能卓 必然会占用相当长的机时 ， ｐｎ Ｌ 结果将 导致图像显 越的三维图形标准 ，它是在 Ｓ Ｇ等多家世界文 示不平滑， 降低图像的整体真实感。因此 ， 必须 明的计算机公 司的倡导下 ，以 Ｓ Ｉ的 Ｇ Ｇ Ｌ三维 采用一种特殊的显示方法来解决这个问题。在 图形库为基础制定的一个通用共享的开放式三 双缓存技术的基础上 ， 采用局部刷新技术来减 维图形标准 。目前 ，包 括 Ｍｉ￣ 、ＧＩＩＭ、 小在显示过程中计算和显示对象 的范围 ，从而 ｃ ｒ ｓ 、Ｂ Ｄ Ｃ Ｓ Ｎ和 Ｈ 等大公司都采用了 ＯｅＧ 作 加快图形计算和显示速度 ，增强 系统显示 的动 Ｅ 、Ｕ Ｐ ｐｎ Ｌ 为三 维 图形 标准 。许 多 软 件厂 商 也纷 纷 以 画效 果 。 Ｏ ＧＬ为基础开发出自己的产品 ， 中比较著 ￣ｎ 其 以上介绍 了数控车削仿真的实现方法及优 名 的产 品包括动画制作 软件 Ｓ舡ｍ ３ 、 Ｄ 势 ， ｏ ａ Ｄ３ 对于职业教育院校数控专业的教学发展有 Ｓｕ ｉ ＭＡ ｔｄｏ Ｘ仿真软件 、 Ｉｎ Ｉｖ￣ｏ、 Ｒ软件 着重要意义 ，也必将成为今后高校和职业院校 ｏ） ｎｅ ｒＶ ｅ
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无规则的空间数据 ， 并用参数控制其形状。 ２ 何建模方法的应用 几 几何仿真技 术的发展是 随着 几何建模技 术 的发展而发展的。目前几何建模常用的方法 有直接实体造型法、 基于图像空问的方法、 基于 离散矢量求交法和三角网格划分法。 直 接实体造型法 实体造型技术 为三维实 体、 曲面和曲线提供了准确 、 完整、 无二义性的 描述手段采用以实体造型技术为基础 的直接布 尔运算算法进行加工过程几何仿真，可以准确 的获得切削几何信息 ， 不仅可 以进行干涉验证 ， 还可以对多轴加工材料去除过程进行三维动态 模拟 。 图像空 间建 模方 法是使 用类似图形消 隐 的ＺＢ — 曲 思想 ，将工件和刀具按屏幕的像素 离散为 Ｚ Ｂ 胁 结构 ，切削过程简化 为沿视线 ＿ｕ
Ｗｏ ｄ Ｉ ｉ Ｃ Ｍ 软 件 、ｍ，、 ｓ 软 件 的主 要教 学 手 段 。 Ａ １ Ｋｔ Ａ 、 Ｐ Ｅ ＧＩ
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