面向數(shù)控系統(tǒng)的銑削加工仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

吳 婷，張禮兵，黃風(fēng)立

（嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江嘉興 314001）

面向數(shù)控系統(tǒng)的銑削加工仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

吳 婷，張禮兵，黃風(fēng)立

（嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江嘉興 314001）

為了避免數(shù)控銑削加工過程發(fā)生干涉問題，在分析傳統(tǒng)的數(shù)控加工仿真方法的基礎(chǔ)上，提出一種面向數(shù)控系統(tǒng)的銑削加工仿真設(shè)計(jì)方法。以數(shù)控系統(tǒng)中插補(bǔ)器輸出的實(shí)際刀具軌跡為仿真數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)控銑削仿真加工功能需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，以Visual C++6.0為開發(fā)平臺(tái)對(duì)仿真實(shí)現(xiàn)過程、圖形操作和圖形變換進(jìn)行軟件開發(fā)與調(diào)試，最后通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明這種仿真設(shè)計(jì)方法能夠?qū)?shù)控系統(tǒng)的實(shí)際加工過程進(jìn)行有效校驗(yàn)，從而保證了仿真過程的可行性和有效性。

銑削加工；數(shù)控仿真；加工仿真；數(shù)控系統(tǒng)

0 引言

隨著先進(jìn)制造技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)在工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用［1］。傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床在實(shí)際加工之前，一般采用試切法對(duì)數(shù)控程序代碼進(jìn)行驗(yàn)證［2］，以免發(fā)生干涉或碰刀，這種校驗(yàn)方法不僅浪費(fèi)材料，而且還耗費(fèi)大量時(shí)間，顯然不能滿足現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展需求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品生產(chǎn)周期越來越短，產(chǎn)品開發(fā)與制造時(shí)間的長短必將影響企業(yè)在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力［3］，在這種背景下，先進(jìn)制造業(yè)領(lǐng)域采用虛擬制造技術(shù)對(duì)數(shù)控加工進(jìn)行仿真加工尤為重要，不僅有效降低產(chǎn)品報(bào)廢率，而且還有效地縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。

楊勇［4］在模具數(shù)控加工時(shí)采用仿真技術(shù)模擬模具加工過程。陳蕊蕊等［5］采用一種高效的車削加工仿真算法對(duì)數(shù)控車削加工進(jìn)行仿真。魏勝利等［6］對(duì)開放式數(shù)控系統(tǒng)中的加工過程進(jìn)行仿真研究。王占禮等［7］對(duì)薄壁零件數(shù)控加工物理仿真技術(shù)研究發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行分析，并提出薄壁零件數(shù)控加工物理仿真研究的問題及其發(fā)展方向。周玉昕等［8］對(duì)復(fù)雜工件仿真的實(shí)時(shí)繪制算法進(jìn)行研究。滕凱［9］對(duì)數(shù)控車削仿真加工進(jìn)行建模。王明海等［10］對(duì)刀具軌跡的扭曲薄壁件加工進(jìn)行仿真。唐秋華等［11］對(duì)三自由度數(shù)控車削加工進(jìn)行建模與仿真。董國棟等［12］運(yùn)用OpenGL對(duì)數(shù)控加工仿真算法進(jìn)行研究。上述研究工作雖然取得了一系列的研究成果，在一定程度上改善了數(shù)控加工狀態(tài)，但是這些研究工作是在CAM層面上的加工仿真，是針對(duì)CAM模塊生成的數(shù)控代碼進(jìn)行仿真，其仿真軌跡與數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)器生成的實(shí)際刀具運(yùn)動(dòng)軌跡并不重合，因此不能真實(shí)地反映刀具實(shí)際的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)也不能與數(shù)控系統(tǒng)形成無縫結(jié)合。

本文針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)銑削加工過程進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)與開發(fā)，數(shù)控加工代碼通過數(shù)控系統(tǒng)的程序解釋模塊和插補(bǔ)模塊，生成實(shí)際加工軌跡數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)過程是針對(duì)實(shí)際生成的加工軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，從而保證仿真過程的有效性和實(shí)用性。

1 仿真結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足數(shù)控銑削加工在線測(cè)檢的需要，仿真功能主要由仿真過程、圖形操作和圖形變換等三個(gè)部分組成，如圖1所示。仿真過程包括仿真加工、仿真暫停和仿真停止；圖形操作包括圖形放大、圖形縮小、圖形平移、圖形居中和圖形最佳；視圖變換包括軸測(cè)投影和正投影兩個(gè)部分，軸測(cè)投影包括東南正等測(cè)投影、東北正等測(cè)投影、西南正等測(cè)投影和西北正等測(cè)投影，正投影包括主視圖、俯視圖、側(cè)視圖和普通視圖。

仿真功能設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)銑削仿真加工過程和靜態(tài)觀測(cè)局部具體細(xì)節(jié)等功能，例如仿真過程若發(fā)生意外情況，如發(fā)生干涉等問題，可以通過仿真暫停/停止按鈕使仿真過程暫停/停止下來，通過圖形操作或者圖形變換功能對(duì)仿真圖形進(jìn)行縮放或變換視圖等相應(yīng)的操作，以便更好地觀測(cè)發(fā)生干涉位置局部的具體情況。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 仿真設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 圖形操作

圖形操作包括圖形放大、圖形縮小、圖形平移、圖形居中和圖形最佳等功能，在圖形變換過程中圖形縮放所采用的坐標(biāo)變換矩陣為：

式中x、y、z為圖形縮放前點(diǎn)的坐標(biāo)值，x′、y′和z′表示為圖形縮放后點(diǎn)的坐標(biāo)值，當(dāng)s＞1時(shí)，圖形全比例縮小，當(dāng)0＜s＜1時(shí)，圖形全比例放大。

圖形平移所采用的坐標(biāo)變換矩陣為：

式中l(wèi)為x方向移動(dòng)的距離，m為y方向移動(dòng)的距離，n為z方向移動(dòng)的距離。

圖形居中的變換原理和圖形平移的變換原理是一樣的，在某種意義上是圖形平移的一個(gè)特例，根據(jù)圖形當(dāng)前點(diǎn)的位置坐標(biāo)和設(shè)備屏幕中點(diǎn)坐標(biāo)，分別確定式（2）中l(wèi)、m和n值。

2.2 圖形變換

圖形變換包括軸測(cè)投影和正投影兩個(gè)部分，軸測(cè)投影采用正等測(cè)投影。東南正等測(cè)投影、東北正等測(cè)投影、西南正等測(cè)投影、西北正等測(cè)投影均是在XOY平面上變換，即x、y軸的坐標(biāo)發(fā)生變化。z軸坐標(biāo)并沒有改變。因此它只有兩個(gè)變量。其變換表達(dá)式表示為：

x′和y′為圖形變換后點(diǎn)的x、y軸的坐標(biāo)值，x、y、z為圖形變換前的點(diǎn)的x、y和z軸的坐標(biāo)值，A、B、P、C、D、Q為相應(yīng)的投影變換系數(shù)，M是x軸的移動(dòng)量，N是y軸的移動(dòng)量，各種變換系數(shù)具體值如下：

（a）東南正等測(cè)投影：A=-0.707，B=-0.707，C=-0.408，D=-0.408，P=0，Q=0.816。

（b）東北正等測(cè)投影：A=-0.707，B=0.707，C= 0.408，D=0.408，P=0，Q=0.816。

（c）西南正等測(cè)投影：A=0.707，B=-0.707，C= -0.408，D=-0.816，P=0，Q=0.816。

（d）西北正等測(cè)投影：A=0.707，B=0.707，C= 0.408，D=-0.408，P=0，Q=0.816。

主視圖坐標(biāo)變換表達(dá)式為：

俯視圖坐標(biāo)變換表達(dá)式為：

側(cè)視圖坐標(biāo)變換表達(dá)式為：

2.3 算法實(shí)現(xiàn)過程

為了使所開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，以Windows 7為操作系統(tǒng)，采用“PC+DSP”的開放式結(jié)構(gòu)。PC機(jī)與DSP之間通過PCI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通信。數(shù)控系統(tǒng)主要包括程序控制、手動(dòng)控制、手工編程、參數(shù)管理、輔助管理、網(wǎng)絡(luò)控制、PLC編程等幾個(gè)部分。程序控制主要由加工仿真、開始加工、暫停加工、停止加工、急停和實(shí)時(shí)軌跡顯示和坐標(biāo)顯示等幾部分組成。因此數(shù)控加工仿真作為數(shù)控系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)，采用并行計(jì)算和多線程技術(shù)可以充分利用計(jì)算機(jī)資源。上位機(jī)程序以Visual C++6.0為開發(fā)平臺(tái)，采用動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）方式和多線程技術(shù)進(jìn)行編程，可以豐富數(shù)控系統(tǒng)的功能，同時(shí)方便大型軟件團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)，有效地縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

刀具加工軌跡的動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)是仿真過程中的一個(gè)關(guān)鏈的核心問題，利用雙緩沖技術(shù)，采用空間換取時(shí)間和功能分塊的設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)刀具加工軌跡的動(dòng)態(tài)顯示，其中一個(gè)緩存區(qū)執(zhí)行圖形的繪制命令，另一個(gè)緩存區(qū)執(zhí)行圖像的顯示功能，這樣可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示過程的連續(xù)性和真實(shí)性，以避免屏幕發(fā)生閃爍。

3 仿真實(shí)例

以數(shù)控系統(tǒng)銑削仿真加工鼠標(biāo)曲面為例，通過圖形仿真按鈕啟動(dòng)仿真加工程序，仿真結(jié)果如圖2所示，在仿真過程中通過暫停仿真/停止仿真按鈕可以對(duì)仿真實(shí)現(xiàn)暫停/停止操作，通過速度進(jìn)度條控件調(diào)節(jié)仿真加工速度的大小，另外，通過圖像放大/圖形縮小按鈕實(shí)現(xiàn)仿真加工圖形的放大/縮小。為了保持良好的人機(jī)界面，圖形變換和圖形操作的其余的功能通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鏈進(jìn)行相應(yīng)的操作。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)銑削加工仿真

通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鏈進(jìn)行相應(yīng)的操作得到各種相應(yīng)的圖形變換，如圖3所示，當(dāng)操作正等測(cè)投影圖形變換時(shí)，得到的東南正等測(cè)投影、東北正等測(cè)投影、西南正等測(cè)投影、西北正等測(cè)投影圖，結(jié)果如圖4所示。當(dāng)操作正投影圖形變換時(shí)，得到的主視圖、俯視圖、側(cè)視圖，結(jié)果如圖5所示。

圖3 圖形變換控制方式

圖4 數(shù)控銑削加工仿真軸測(cè)投影

圖5 數(shù)控銑削加工仿真正投影

4 結(jié)論

針對(duì)基于PC的數(shù)控系統(tǒng)銑削加工過程進(jìn)行仿真與設(shè)計(jì)。以輸出的實(shí)際加工軌跡為仿真數(shù)據(jù)，仿真功能主要由仿真過程、圖形操作和視圖變換三個(gè)部分組成。以Visual C++6.0為開發(fā)平臺(tái)，采用動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）方式和多線程技術(shù)進(jìn)行軟件開發(fā)，并通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該仿真方法對(duì)數(shù)控銑削加工動(dòng)態(tài)過程能夠進(jìn)行有效的校核，通過圖形操作和圖形變換能夠觀其測(cè)局部放大的細(xì)節(jié)，從而有效地保證數(shù)控加工仿真過程的有效性和實(shí)用性。

［1］李琳茹，游林儒，劉少君.利用OpenGL實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)加工過程的三維動(dòng)態(tài)仿真［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012（1）：62-65.

［2］羅生梅，許奇武.OpenGL在數(shù)控加工仿真中的應(yīng)用［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2008（4）：89-91.

［3］王占禮，董超，胡艷娟，等.數(shù)控加工仿真系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2013，35（5）：41-45.

［4］楊勇.數(shù)控加工與數(shù)控仿真技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用［J］.模具制造，2014，14（11）：76-79.

［5］陳蕊蕊，郭銳鋒，王鴻亮，等.面向數(shù)控系統(tǒng)的高效車削加工仿真算法的研究［J］.小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2014，35（9）：2167-2171.

［6］魏勝利，彭云峰.開放式數(shù)控系統(tǒng)中遠(yuǎn)程加工形狀設(shè)計(jì)與加工過程仿真研究［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2014（8）：122-125.

［7］王占禮，朱丹，胡艷娟，等.薄壁件數(shù)控加工物理仿真研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.機(jī)床與液壓，2014，42（3）：162-166.

［8］周玉昕，何漢武，吳悅明，等.數(shù)控仿真系統(tǒng)復(fù)雜工件的實(shí)時(shí)繪制算法研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2013（11）：1-5，96.

［9］滕凱.數(shù)控車削仿真加工建模與軟件實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)械工程師，2013（10）：80-82.

［10］王明海，孫越，孫國強(qiáng).基于刀具軌跡的扭曲薄壁件加工仿真與實(shí)驗(yàn)［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，45（3）：373-379.

［11］唐秋華，易磊，余震，等.三自由度數(shù)控車削加工建模與仿真［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2012，28（5）：80-83，90.

［12］董國棟，唐飛，王曉浩，等.運(yùn)用OpenGL的數(shù)控加工仿真算法研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2014（3）：52-55.

（編輯 趙蓉）

Design and Implementation of Machining Simulation for CNC System Based on PC

WU Ting，ZHANG Li-bing，HUANG Feng-li
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Jiaxing University，Jiaxing Zhejiang 314001，China）

In order to avoid the occurrence of interference problems during computer numerical control（CNC）milling process，a design method of milling machining for CNC system simulation is presented based on the analysis of the traditional method for the NC machining simulation.Taking the actual tool path of interpolator in the CNC system as the simulation data，functional requirements of milling machining for the CNC system simulation are designed.Using Visual C++6.0 as the development platform for the simulation process，graphic operation and graph transformation，its software is developed and debugged.Finally a simulation experiment is tested，and the experimental result has demonstrated that the presented design method can effectively check for the actual machining process of the CNC system，which ensures the feasibility and validity for the simulation process.

milling machining；NC simulation；machining simulation；CNC system

TH162；TG 659

A

1001-2265（2015）06-0137-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.06.037

2015-03-23

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51405197）；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（LQ14E050006，LY13E050021）；嘉興市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013AY11020）

吳婷（1979—），女，河南洛陽人，嘉興學(xué)院講師，博士，研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造、數(shù)控技術(shù)，（E-mail）wuting628@163.com。