數(shù)控仿真系統(tǒng)三維建模技術(shù)研究

摘要：本文綜合分析數(shù)控機(jī)床仿真系統(tǒng)的構(gòu)建，并結(jié)合三維建模技術(shù)進(jìn)行展開探討，采取層次化與結(jié)構(gòu)化的三維建模方法，來建立多角度、多元化和多維度的數(shù)控機(jī)床仿真系統(tǒng)。本文圍繞三維建模的過程進(jìn)行分析，具體指出了數(shù)控仿真系統(tǒng)在三維建模上的思路以及具體的建模環(huán)節(jié)，從而得出了通過三維建模技術(shù)的運用能夠使數(shù)控仿真系統(tǒng)的構(gòu)建更加科學(xué)化和細(xì)節(jié)化的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；仿真系統(tǒng)；三維建模

0 引言

所謂數(shù)控，是數(shù)字控制的簡稱，其指的是就是建立在數(shù)字化信息技術(shù)的基礎(chǔ)上，完成對機(jī)械運動設(shè)備以及加工設(shè)備的數(shù)字控制，實現(xiàn)自動化操作和管理。而數(shù)控仿真系統(tǒng)，其就是通過在數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，完成對真實數(shù)控機(jī)床的作業(yè)的流程和操作環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬，并結(jié)合編程技術(shù)實現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床實現(xiàn)全自動化操作，并在構(gòu)建數(shù)控仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提高操作人員或者編程人員的工作效率。

1 建模思路

在三維建模的過程中，其具體對象為數(shù)控機(jī)床，通過利用幾何原理、空間點離散原理以及數(shù)控仿真系統(tǒng)的構(gòu)建原理，來整理出如下建模思路：

第一，數(shù)控機(jī)床的本體建立三維模型。以基本硬件設(shè)備為基礎(chǔ)，從宏觀構(gòu)建到微觀零部件的角度完成建模思路的規(guī)劃，并結(jié)合旋轉(zhuǎn)模型對數(shù)控機(jī)床的真實操作狀態(tài)進(jìn)行規(guī)則化比對，從而能夠更加清晰和直觀地描述出數(shù)控機(jī)床的本體。第二，數(shù)控機(jī)床加工過程中的動態(tài)建模。利用NC碼進(jìn)行實施監(jiān)控與描寫，提取每個時間點的運動軌跡和幾何定位點[1]。

2 建模過程

2.1 數(shù)控機(jī)床本體的三維建模

在數(shù)控機(jī)床仿真系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，通過利用三維建模中的CSG建模理念，使數(shù)控機(jī)床仿真系統(tǒng)的總體構(gòu)建趨于多層次化和多結(jié)構(gòu)化。并在三維建模的基礎(chǔ)上將復(fù)雜、繁瑣建模過程轉(zhuǎn)化為更加清晰、更加明了的簡易結(jié)構(gòu)，從而在簡易結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上完成簡單形體的建模組合，實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床仿真系統(tǒng)的模型構(gòu)建。在數(shù)控機(jī)床本文的三維建模中，其具體的建模方法為[3]：

首先，以數(shù)控機(jī)床的操作規(guī)則為基本原則，以實際具體的工作狀態(tài)進(jìn)行真實模擬。在理想狀態(tài)的環(huán)境中忽略數(shù)控機(jī)床內(nèi)部的傳動裝置與后備服務(wù)裝置，從而在最大程度的簡化內(nèi)部要素的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)三維模型構(gòu)建的程序化。其次，利用三維理念對數(shù)控機(jī)床的幾何結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)分和劃分，對每種結(jié)構(gòu)的內(nèi)部構(gòu)造層層細(xì)分，在宏觀環(huán)境下對微觀因素按照相似性規(guī)則進(jìn)行詳細(xì)區(qū)分，并利用三維維度進(jìn)行簡化處理，降低數(shù)控機(jī)床仿真系統(tǒng)構(gòu)建的難度和復(fù)雜度。最后，通過利用三維建模數(shù)據(jù)庫中的幾何實體進(jìn)行模型構(gòu)建，將具體的立方體、圓柱體以及圓環(huán)體等做種幾何立體模型與數(shù)據(jù)庫中的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行比對和配對，在數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)最優(yōu)化組合。與此同時，采用方差計算的方式使組合的計算結(jié)果更加精確，立足于OpenGL軟件內(nèi)部強(qiáng)大的三維圖型庫，找到最符合數(shù)控機(jī)床本體的最佳三維模型，從而完成機(jī)床本體的三維建模工作。

2.2 加工過程的動態(tài)仿真三維建模

在數(shù)控機(jī)床的加工過程中，為了使數(shù)控仿真系統(tǒng)的動態(tài)性能實現(xiàn)最優(yōu)化發(fā)展，通過利用三維建模中的空間離散法，來促使數(shù)控機(jī)床在加工過程中的數(shù)控仿真系統(tǒng)構(gòu)建的更為精確和高效。在空間離散法的運用下，要將數(shù)控機(jī)床內(nèi)部的空間物體轉(zhuǎn)換為不同三維位置的“空間點”，并對這些“點”進(jìn)行均勻布陣，按照這些“點”分布的具體線條關(guān)系連結(jié)成三角片矩陣，從而形成了初步的三維建模。當(dāng)程序處于運行的過程中，要不斷按照真實的路徑進(jìn)行重新描寫，并對這些“點”的真實屬性進(jìn)行程序化渲染，從而保證數(shù)控仿真系統(tǒng)運作狀態(tài)的自身“分析”能力更加準(zhǔn)確無誤[4]。

在空間離散法的應(yīng)用下，對數(shù)控機(jī)床的車削和三軸銑削進(jìn)行三維建模并做出進(jìn)一步加工。首先，數(shù)控機(jī)床的車削毛坯呈現(xiàn)為圓柱形的狀態(tài)，且其多利用在打磨和加工機(jī)床的回轉(zhuǎn)表面。其次，三軸銑削的毛坯多呈現(xiàn)出長方體的形狀，其只有在毛坯體的表面進(jìn)行加工，因此只具備了獨立的加工面。通過在數(shù)控機(jī)床的毛坯體上進(jìn)行離散化和三維建模，來構(gòu)建屬于數(shù)據(jù)機(jī)床的仿真系統(tǒng)。下圖為數(shù)控機(jī)床中車削和三軸銑削毛坯的三維立體離散圖：

在該圖中，以獨立面為中心構(gòu)建三維函數(shù)軸，即X軸、Y軸與Z軸，那么在該三維函數(shù)軸基礎(chǔ)上對車削進(jìn)行空間點離散化，使其形成三點共面的狀態(tài)，作為三維建模的基本模型。與此同時，針對數(shù)控機(jī)床中的三軸銑削設(shè)立A、B、C、D四個點，以四個點形成的不同三維空間模型進(jìn)行細(xì)細(xì)劃分，比如ABD之間的三角網(wǎng)格、BCD之間的三角網(wǎng)格等，從而以網(wǎng)格為單位進(jìn)行三維建模。當(dāng)前使用的數(shù)控仿真系統(tǒng)多是建立在windows系統(tǒng)基礎(chǔ)上，那么在windows的環(huán)境下通過利用Visual、OpenGL以及C++6.0技術(shù)軟件，使數(shù)控機(jī)床的毛坯體離散化過程得到細(xì)節(jié)分析，結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和各個節(jié)點的具體數(shù)據(jù)構(gòu)建三維模型，實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床仿真系統(tǒng)的多元化建設(shè)。

2.3 粒子系統(tǒng)的建模

為了更加真實的模擬數(shù)控機(jī)床在冷卻液噴出狀態(tài)下的具體工作細(xì)節(jié)，需要立足于粒子系統(tǒng)，完成細(xì)致環(huán)節(jié)的三維建模，體現(xiàn)液體粒子的冷卻狀態(tài)與運動狀態(tài)。在粒子三維建模的過程中，要周而復(fù)始的完成以下四個環(huán)節(jié)的工作：母粒子源產(chǎn)生新粒子；準(zhǔn)確計算、復(fù)核并實時性更新新粒子的基本屬性；定位刪除死亡（淘汰）粒子；繪制粒子的具體運動線路，從而構(gòu)成源源不斷、持續(xù)運作的粒子流。在以上四個環(huán)節(jié)的循環(huán)運動下，完成了更加具體的三維建模工作，這樣在粒子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了更為清晰、細(xì)致化和高度仿真性的數(shù)控機(jī)床仿真系統(tǒng)。

結(jié)論：

綜上所述，本文以上通過圍繞三維建模的過程進(jìn)行分析，并結(jié)合三維建模技術(shù)進(jìn)行展開探討。通過結(jié)合三維建模技術(shù)對數(shù)控仿真系統(tǒng)進(jìn)行真實還原與模擬，形成的三維圖示更加具有真實感，并且形成的三維立體Flash實時性與可視性都很強(qiáng)，實現(xiàn)了數(shù)控仿真系統(tǒng)研發(fā)與運用的高效化與集約化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸寶春，徐開蕓，等人.數(shù)控仿真教學(xué)系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].中國制造業(yè)信息化，2013，19：30-33+37.

[2]張?zhí)炱?，于忠海，等?數(shù)控機(jī)床三維建模與加工仿真技術(shù)研究[J].機(jī)械工程師，2014，01：62-63.

[3]邢吉利，李翔龍，等人.數(shù)控銑削仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2015，06：170-172.

[4]唐宇鴻，高麗娜，等人.仿真系統(tǒng)中三維建模技術(shù)的研究[J].電子制作，2014，19：48-49.

作者簡介：

牛玉榮（1988—），女，漢，安徽合肥，碩士研究生，助教，主要研究方向為數(shù)控加工、三維建模與仿真。