基于OpenGL車削仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研究*

，，，

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引言

隨著數(shù)控車削加工技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控自動(dòng)編程技術(shù)初步解決了車削加工問(wèn)題，為檢查數(shù)控程序的NC代碼正確性，傳統(tǒng)方法采用的試切法，這種方法費(fèi)工費(fèi)料，甚至由于程序的錯(cuò)誤而導(dǎo)致機(jī)床的損壞。后來(lái)采用軌跡顯示方法，但這種方法僅限于平面，不能準(zhǔn)確地仿真其實(shí)際情況[1]。為此，人們通過(guò)運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)提前驗(yàn)證NC代碼的準(zhǔn)確性，從而提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約成本，避免制造風(fēng)險(xiǎn)[2-3]。OpenGL是一個(gè)開(kāi)放的三維圖形程序接口、調(diào)用方便的底層圖形庫(kù)，它獨(dú)立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，與硬件無(wú)關(guān)，以它為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序可以十分方便地在各種平臺(tái)間移植，或嵌入其他系統(tǒng)使用[4]?；贠penGL的程序框架構(gòu)造好后，用戶只需要在對(duì)應(yīng)的函數(shù)中添加程序代碼即可，可擴(kuò)展性好。針對(duì)上述問(wèn)題，提出了OpenGL車削仿真運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，在Visual Studio 2015環(huán)境下實(shí)現(xiàn)車削加工去除材料的過(guò)程。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以VS 2015為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，OpenGL為工具，根據(jù)數(shù)控車削加工的特點(diǎn)，可將軟件功能分為加工仿真準(zhǔn)備模塊與加工仿真過(guò)程模塊；其中加工仿真準(zhǔn)備模塊和加工仿真過(guò)程模塊都包含3個(gè)子模塊，如圖1。

圖1 加工仿真系統(tǒng)架構(gòu)圖

在加工仿真準(zhǔn)備模塊中包含：圖形顯示模塊，以O(shè)penGL為工具搭建仿真圖形顯示環(huán)境；NC代碼模塊，對(duì)NC代碼進(jìn)行解碼；STL模型模塊，將繪制的刀具以及機(jī)床模型的stl文件進(jìn)行解碼并顯示。

在加工仿真過(guò)程模塊中包含：工件運(yùn)動(dòng)模塊，使工件自轉(zhuǎn)，并使刀具和工件擁有獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)；刀具加工運(yùn)動(dòng)模塊，刀具軌跡會(huì)依據(jù)NC代碼進(jìn)行刀具的運(yùn)動(dòng)；毛坯設(shè)計(jì)模塊，基于幾何仿真原理，隨著刀具車削，毛坯逐漸成形。

2 加工仿真準(zhǔn)備

要使仿真系統(tǒng)進(jìn)行車削仿真需要前期準(zhǔn)備，包含OpenGL環(huán)境搭建，NC代碼解釋，與stl模型的導(dǎo)入。

2.1 圖形顯示模塊

OpenGL被定義為圖形硬件的一種軟件接口，是一個(gè)3D圖形和模型庫(kù)，具有高度的可移植性，并且具有非?？焖俣?，獨(dú)立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，與硬件無(wú)關(guān)，OpenGL是個(gè)狀態(tài)機(jī)的概念，通過(guò)創(chuàng)建OpenGL的渲染設(shè)備rc，使得OpenGL具有這些狀態(tài)功能，然而此時(shí)所有的狀態(tài)仍是未知的，就需要依次進(jìn)行設(shè)置[5]。

本文采用OpenGL固定管線技術(shù)完成模型的繪制，在固定管線中包含兩個(gè)矩陣：projection和model view，其中包含三個(gè)坐標(biāo)系：世界坐標(biāo)系、視口坐標(biāo)系、屏幕坐標(biāo)系，要使圖形顯示，就需要對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行一系列的矩陣變化。首先在世界坐標(biāo)系下繪制模型，通過(guò)模型視口矩陣(model view)對(duì)模型進(jìn)行作用，從而轉(zhuǎn)換到視口camera坐標(biāo)系下，然后將模型再投影到視口camera的范圍內(nèi)，進(jìn)而圖形才會(huì)顯示到屏幕上，投影視口的操作如同攝像機(jī)的原理，需要在攝像機(jī)拍攝范圍內(nèi)，鏡頭畫(huà)面才有模型的顯示。由于計(jì)算機(jī)屏幕上只能表現(xiàn)二維平面，要使得車削仿真系統(tǒng)顯示三維圖形，還需投影矩陣(projection)從三維物體轉(zhuǎn)到二維平面圖像間的變換，投影矩陣會(huì)把所有的3D信息投影到2D屏幕上，這樣車削仿真系統(tǒng)中的車刀與毛坯等三維圖形便可在屏幕中顯示。

2.2 NC代碼模塊

NC代碼是從零件圖紙到制成控制介質(zhì)的過(guò)程，NC代碼的格式以首字母代表特定功能，N代表的是第幾工步，G代碼是在NC裝置內(nèi)部用來(lái)處理軸的移動(dòng)、坐標(biāo)系的設(shè)定等的功能，代碼用G字母和2位數(shù)字表示；M代碼的機(jī)床運(yùn)行是由各開(kāi)關(guān)的動(dòng)作來(lái)控制的，控制主軸的旋轉(zhuǎn)、停止、刀具的更換等，用M字母和2位數(shù)字來(lái)表示等。

本文采用NC代碼實(shí)例：

N0010 G94 G90 G20

N0020 G50 X0.0 Z0.0

N0030 T00 H00 M06

N0040 G97 S443 M03

N0050 G94 G00 X30.Z10.

N0060 X28.

N0070 Z5.5

…

由于NC代碼值是數(shù)控車削加工過(guò)程的驅(qū)動(dòng)指示，在VS2015平臺(tái)不能直接識(shí)別，因此需要將NC代碼翻譯成仿真系統(tǒng)所能識(shí)別的代碼，先將NC代碼全部存儲(chǔ)到m_resource緩沖區(qū)中，針對(duì)NC代碼的特點(diǎn)，仿真系統(tǒng)只需從中提取有關(guān)運(yùn)動(dòng)與狀態(tài)信息作為刀具運(yùn)動(dòng)軌跡依據(jù)，而對(duì)于與運(yùn)動(dòng)軸相關(guān)代碼等信息用詞法檢驗(yàn)即可，不需進(jìn)行解讀，然后將存儲(chǔ)所需的NC代碼按照首字母的特性進(jìn)行匹配，以X字母為開(kāi)頭代碼為例，通過(guò)if語(yǔ)句從m_resource緩沖區(qū)找到X首字母并開(kāi)始讀入后續(xù)數(shù)字，讀到空格(‘/0’)的位置，將從X到’/0’之間所需的仿真信息按順序封裝到新的m_compete緩沖區(qū)。另外還需把所解碼的仿真信息賦值給刀具移動(dòng)變量，使得刀具運(yùn)動(dòng)依據(jù)NC代碼的內(nèi)容進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

實(shí)例代碼：

for (it = m_resource.begin()； it

{

//X部分的信息提取

int n=(*it).Find(L"X")；

if(n>=0)//找到‘X’的字母

{

int m=(*it).Find(L""，n)；

if (m<0)

{

m=(*it).Find(L'/0'，n)；//讀到這一橫行代碼的結(jié)尾

}

n=n+1；

CStringCoordinateX；

CoordinateX=(*it).Mid(n，m-n)；//用來(lái)提取G的信息

rX=_ttof(CoordinateG)；

coor.m_g=rG；

flag++；//標(biāo)記

}

…

}

2.3 stl模型模塊

stl模型文件是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)處理CG，數(shù)字幾何處理的最常見(jiàn)文件格式，其文件格式簡(jiǎn)單，是由一系列三角面片構(gòu)成，僅有頂點(diǎn)信息，并沒(méi)有光照材質(zhì)等渲染信息，所以在此系統(tǒng)中只需讀取stl模型只需讀取頂點(diǎn)數(shù)據(jù)等幾何信息，不必考慮渲染等解碼部分。

解碼stl文件，需要了解stl文件的格式信息，其中stl文件包含兩種格式：一種是ASCII格式，另一種是二進(jìn)制格式。兩者的區(qū)別在于存儲(chǔ)方式的不同。根據(jù)不同的stl文件格式，相應(yīng)解碼也有所不同。本文采用ASCII格式，在ASCII格式下，文件每行都以關(guān)鍵字為開(kāi)頭，模型中每個(gè)三角面片的信息是以facet開(kāi)頭，進(jìn)而逐行顯示三角面片的幾何信息，其中依次包含：facet normal，從三角面片指向模型外部的法矢量，outer loop以及隨后的 vertex和endloop，集合表達(dá)了三角面片的頂點(diǎn)信息。其中vertex的三行數(shù)據(jù)是三角面片的3個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)信息，三個(gè)頂點(diǎn)跟該三角面片的法向量符合右手螺旋定則，outer loop和endloop僅是頂點(diǎn)數(shù)據(jù)開(kāi)始與結(jié)束的標(biāo)記，最后文件以endfacet結(jié)尾，完成一個(gè)三角面片定義[6]。

根據(jù)stl文件的ASCII格式特點(diǎn)，可有兩種讀取方法，一種是逐行進(jìn)行讀取，另一種是按三角面片個(gè)數(shù)逐個(gè)進(jìn)行讀取。由于前者逐行讀取中，所讀每一行都需要檢查是否到了文件的endface結(jié)束語(yǔ)，影響效率，所以本文系統(tǒng)采用第二種方法：首先求出三角面片個(gè)數(shù)的總數(shù)，其中ASCII格式中每個(gè)三角面片所占的行數(shù)為七行，因此把行數(shù)讀出來(lái)除以7所得的商就是三角面片的個(gè)數(shù)，然后通過(guò)for循環(huán)操作解析每個(gè)三角面片，并且OpenGL的接口實(shí)際上是一串float的數(shù)組，與stl文件相一致，所以這里面保存了verts頂點(diǎn)坐標(biāo)信息，以及norms即法向量信息直接進(jìn)行導(dǎo)入不需做數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)調(diào)整，便可以解出模型。

參考代碼：

for (int i=0；i

{

…

vnorms[count1]=vnorms[count1+3]=vnorms[count1+6]=atof(x)；

count1++；

vnorms[count1]=vnorms[count1+3]=vnorms[count1+6]=atof(y)；

count1++；

vnorms[count1]=vnorms[count1+3]=vnorms[count1+6]=atof(z)；

count1+=7；

…

}

3 加工仿真過(guò)程

通過(guò)仿真系統(tǒng)的前期準(zhǔn)備，就可以實(shí)現(xiàn)車削加工仿真，由于數(shù)控加工的過(guò)程是數(shù)控機(jī)床在NC代碼的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)刀具對(duì)使用夾具固定在工作臺(tái)上的工件，進(jìn)行切削加工的過(guò)程，針對(duì)其特點(diǎn)，在仿真系統(tǒng)中需要包含刀具運(yùn)動(dòng)，工件以及夾具自轉(zhuǎn)，毛坯切除的功能[7]。

3.1 刀具運(yùn)動(dòng)模塊

圖2 車刀運(yùn)動(dòng)判別

車削的毛坯多為回轉(zhuǎn)體棒料零件，并且刀具通常只是X、Z方向上的二維移動(dòng)，因此仿真可根據(jù)存儲(chǔ)到m_compete緩沖區(qū)中的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)代碼，將刀具的起始點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)為原點(diǎn)坐標(biāo)，并進(jìn)行X方向和Z方向起始點(diǎn)和終點(diǎn)的距離的判斷，如圖2。以車刀從第n的位置車削第n-1的位置為例，如果起始點(diǎn)X的值大于終點(diǎn)X的值，則車刀先徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。然后通過(guò)Z值判別，起始點(diǎn)Z的值大于終點(diǎn)Y的值，則車刀再完成徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，通過(guò)刀具X和Z方向的運(yùn)動(dòng)，從而完成進(jìn)刀運(yùn)動(dòng)；退刀反之。

具體的實(shí)現(xiàn)命令如：

//車刀徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)

if(X

{

m_X=m_X-V；//車刀徑向進(jìn)給

m_Z=m_Z；//車刀軸向不變

velocityflag=1；//進(jìn)給標(biāo)記

}

3.2 工件運(yùn)動(dòng)模塊

在仿真系統(tǒng)中，刀具運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，工件與夾具也要進(jìn)行自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因?yàn)镺penGL是個(gè)狀態(tài)機(jī)，旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、平移其運(yùn)動(dòng)操作都會(huì)影響視全局所有元素的狀態(tài)，所以需要通過(guò)OpenGL中矩陣的壓棧出棧的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具與工件之間的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。

在OpenGL中所有的運(yùn)動(dòng)操作都是通過(guò)矩陣棧的棧頂來(lái)影響圖形的狀態(tài)。如圖3，將開(kāi)始狀態(tài)定為狀態(tài)1，在變換之前調(diào)用giPushMatrix()壓棧，就會(huì)把當(dāng)前狀態(tài)1壓入第二層，并且棧頂會(huì)有狀態(tài)2，并且棧頂?shù)木仃嚑顟B(tài)2是第二層狀態(tài)1的一份拷貝，所有的內(nèi)容是相同的，此時(shí)所有的矩陣操作都是在狀態(tài)2中完成，通過(guò)一系列的矩陣對(duì)所操作的圖形有所改變，而且并不會(huì)影響全局元素的狀態(tài)，變換之后，使用glPopMatrix出棧，將上面操作過(guò)的狀態(tài)2去掉，之前的狀態(tài)1又放到棧頂，恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)。在本文中，通過(guò)壓棧出棧操作進(jìn)行刀具運(yùn)動(dòng)，從而在刀具的運(yùn)動(dòng)同時(shí)，不影響工件與夾具的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

工件以及夾具的運(yùn)動(dòng)主要用glRotatef(GLfloat angle， GLfloat x， GLfloat y， GLfloat z)函數(shù)進(jìn)行自轉(zhuǎn)，x、y、z表示旋轉(zhuǎn)軸，angle代表旋轉(zhuǎn)角度，在本文中旋轉(zhuǎn)軸為z軸，旋轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間而曾大，然后通過(guò)if判斷要是轉(zhuǎn)過(guò)一周，角度則從0°再開(kāi)始繼續(xù)增加，如此，工件與夾具便在加工仿真中一直自轉(zhuǎn)而不受刀具移動(dòng)的干擾。

圖3 壓棧出棧圖

3.3 毛坯設(shè)計(jì)模塊

由于OpenGL中沒(méi)有實(shí)體建模的功能，所以本文毛坯的實(shí)體建模通過(guò)曲面繪制進(jìn)行組合，gluCylinder圓柱面，和gluDisk圓盤(pán)面來(lái)實(shí)現(xiàn)毛坯的加工仿真。

圖4 毛坯設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)毛坯形狀隨切削加工的進(jìn)行而發(fā)生形狀實(shí)時(shí)改變，本文采用幾何仿真，將毛坯形狀根據(jù)離散法來(lái)滿足仿真要求，即把毛坯的圓柱離散成同心、同底、同高但半徑不同的圓柱體，車削毛坯時(shí)，圓柱的地面半徑與最外側(cè)的底面半徑遞增關(guān)系如圖4所示。在加工部分，大圓柱以車刀加工終點(diǎn)位置作為起始點(diǎn)，隨著車刀的軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，大圓柱的高隨之減小，小圓柱以車刀加工起始點(diǎn)位置作為起始點(diǎn)，并隨著車刀軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，小圓柱體高隨之增大，效果可看成是從大圓柱剝離出小圓柱體，隨著刀具的運(yùn)動(dòng)，大圓柱和小圓柱的半徑發(fā)生實(shí)時(shí)改變，以第n次車刀車削為例，在第n次車刀進(jìn)行車削時(shí)，大圓半徑為第n-1次車削加工后小圓柱體半徑；小圓半徑為第n次車削加工時(shí)的小圓柱體半徑，同時(shí)兩圓柱面交際面用圓盤(pán)作底面，形成封閉圖形，兩個(gè)圓柱的高通過(guò)刀具的位置改變而發(fā)生變化，底面圓盤(pán)根據(jù)刀具的軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)，便可實(shí)現(xiàn)其毛坯的加工仿真效果。

代碼所示：

gluCylinder(quadratic，(*it_chip).RadiuolnStart，(*it_chip).RadiuolnStart，ld-jd，32，1)；//大圓柱

gluCylinder(quadratic，(*it_chip).RadiuoOutStart，(*it_chip).RadiuoOutStart，jd，32，1)；//小圓柱

glTranslatef(0，0，jd=pDoc->m_piseljd)；//移動(dòng)刀具加工的兩圓柱底面

gluDisk(quadratic，(*it_chip).RadiuolnStart，(*it_chip).RadiuoOutStart，32，1)；//形成加工時(shí)兩圓柱底面

…

4 軟件實(shí)現(xiàn)

在菜單項(xiàng)點(diǎn)擊NC代碼導(dǎo)入，選擇所需的NC代碼導(dǎo)入到系統(tǒng)中，再單擊stl模型，分別將夾具模型與車刀模型添加到系統(tǒng)，最后選擇仿真開(kāi)始，便可實(shí)現(xiàn)車削運(yùn)動(dòng)仿真模擬，軟件實(shí)現(xiàn)效果如圖5。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行效果

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)數(shù)控車削的形狀特點(diǎn)及傳統(tǒng)落后的加工工藝，以Visual Studio 2015為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用OpenGL 三維圖形標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，采用離散法實(shí)現(xiàn)毛坯切除，開(kāi)發(fā)數(shù)控車削動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了虛擬車削加工過(guò)程的可視化，直觀地顯示了刀具路徑、工件的轉(zhuǎn)動(dòng)、材料去除等過(guò)程。實(shí)驗(yàn)表明，仿真效果達(dá)到了預(yù)期要求，具有良好的實(shí)時(shí)性； 為車削加工提供了保障和可行性；以新的角度詮釋了OpenGL環(huán)境的搭建，同時(shí)讀取stl方法以及離散法毛坯去除對(duì)于同類虛擬仿真加工的擴(kuò)展，具有一定的借鑒意義。

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