数控车床加工的三维模型建立及动态仿真.pdf

第33卷 第3期 2002年5月 太原理工大学学报 JOURNAL OF TA IYUAN UN I V ERSITY OF TECHNOLOGY Vol 33 No 3 M ay2002 文章编号 100729432 2002 0320267203 数控车床加工的三维模型建立及动态仿真 王时英 吕 明 太原理工大学机械工程学院 摘 要 在分析数控车床加工特点的基础上 建立了其三维加工模型 并在微机上利用 OpenGL技术实现了数控车床加工过程的三维动态仿真 该仿真系统具有形象 直观等优点 可以 广泛应用于科研 生产及教学工作中 关键词 数控车床 三维图形库 三维动态仿真 中图分类号 TP391 721 文献标识码 A 数控车床所使用的数控程序 无论是由自动编 程生成的还是由手工编制的 都难免会出现一些问 题 所以数控程序在投入运行之前 一般要通过试切 来验证数控程序的正确性 传统的试切方法既耗材 且费力 利用计算机仿真技术模拟实际的数控加工 过程 形象 直观 可以替代或减少试切环节 从而缩 短制造周期 降低生产成本 因而被广泛采用 同时 三维动态仿真还具有信息量大且与人们的日常观察 习惯一致的优点 因此 备受青睐 笔者在分析了数 控车床的运动特性基础上 建立了工件的三维实体 模型 并利用OpenGL技术 在微机上实现了数控 车床加工的三维动态仿真 在科研和教学应用中取 得了良好的效果 1 数控车床加工工件的成形原理 数控车床加工过程是典型的回转体成形过程 工件绕主轴作旋转运动 刀架沿车床纵向导轨和横 向导轨作直线运动 形成刀具的运动轨迹 从而在工 件上加工出要求的回转面 数控程序正是控制刀架 的运动轨迹 实现零件的各种表面加工 其原理如图 1所示 在仿真加工过程中 车刀刀尖的Z坐标同工件 被加工回转表面所处Z坐标 回转体轴线 相对应 刀尖所处的X坐标取绝对值就是被加工工件在该 处的半径值 仿真程序通过将数控程序中的加工信 息翻译并进行插补运算 得到加工过程任意时刻的 X Z坐标信息 利用它们改变工件上对应点的显示 坐标位置 就可实现动态变化的加工过程 即实现了 动态加工过程的仿真 图1 数控机床的加工原理示意图 值得一提的是 此处的坐标系是数控车床的坐 标系 即数控编程时使用的坐标系 而仿真运算时要 使用OpenGL坐标系 它们的规定是不一样的 它 们之间的转换由仿真程序自动处理 2 工件的OpenGL模型设计 OpenGL在实现实体模型的显示时采用多个空 间三角形逼近三维实体的方法 为了模拟工件在加 工过程中的形状变化 必须将工件的连续表面离散 化 即将工件表面也用空间三角形来逼近 要满足视 觉上没有不连续的感觉 则应将空间三角形分得越 小越好 但考虑计算机的运行速度 将模型的X轴 方向 此轴为OpenGL的系统坐标 下同 上分成 200等份 再将圆周方向分成60等份 共分12 000 个空间四边形 将四边形的一条对角线连接起来 就 可实现用24 000个连续空间三角形逼近被加工零 件 如图2所示 基金项目 山西省自然科学基金资助项目 991050 山西省教育厅教学研究课题资助项目 作者简介 王时英 男 1964年5月生 硕士 副教授 研究方向 机械制造及控制自动化 太原 030024 收稿日期 2001208221 图2 OpenGL算法中的工件模型 按图2形成连续填充三角形序列为 1 2 3 2 3 4 3 4 5 4 5 6 5 6 7 6 7 8 7 8 9 8 9 10 依此类推 图中坐标系是 OpenGL系统规定的坐标系 各个顶点的三维坐标 值保存在一个结构体数组中 三维模型的加工仿真 就是依靠该数组中信息的改变而实现的 另外 由于要实现光照和颜色的填充 所以必须 算出各个三角形平面的法向量 如图3所示 图3 程序中向量的计算 图3中A B C三个点是三角形的3个顶点 即 模型中的3个象素点 其坐标分别为A ax ay az B bx by bz C cx cy cz 向量p即所求三角形平面 的法向量 具体算法如下 c bx ax i by ay j bz az k b cx ax i cy ay j cz az k 则 p c b bx ax i by ay j bz az k cx ax i cy ay j cz az k bx ax cx ax i i bx ax cy ay i j bx ax cz az i k by ay cx ax j i by ay cy ay j j by ay cz az j k bz az cx ax k i bz az cy ay k j bz az cz az k k by ay cz az bz az cy ay i bz az cx ax bx ax cz az j bx ax cy ay by ay cx ax k 3 OpenGL技术简介 OpenGL是一个具有强大三维图形功能的A P I 函数库 它本身是一种与硬件 系统相独立的编程接 口 可以在不同的硬件平台上实现 且已被集成在许 多操作系统中 OpenGL目前已成为高性能图形处 理的标准 在计算机市场占主导地位的几家大公司 如M icrosoft SGI I BM SUN HP 等公司都采用了 OpenGL作为自己的图形标准 M icrosoft公司在其 W indow s应用程序开发工具V isual C 2 0以上 版本中提供了OpenGL的静态库 因此 普通微机 用户就可以利用这一开发工具 借助这些OpenGL 函数对整个图形进行着色渲染 从而可方便地绘出 逼真客观世界的三维景象 本文就是利用V isual C 6 0实现了数控车床加工的三维动态仿真 4 三维动态仿真的实现原理 411 三维场景中建立仿真模型 如图4所示为在三维场景中建立了三爪卡盘 工件和回转刀架的实体模型 其中三爪和卡盘体是 分离的 以便实现工件夹紧的动态过程 工件采用上 述的网格模型 通过仿真程序修改网格节点坐标 实 现工件的动态加工效果 刀架是根据选定的加工刀 具自动生成 并根据换刀指令旋转 实现数控转位刀 架的换刀过程 412 设置视点 透视方式 光照条件和颜色 视点位置 glT ranslatef 0 0 0 0 1 0 方向 为OpenGL系统的默认Z轴负向 取景范围 glV iewport 0 0 b h 其中 0 0 为OpenGL的原点坐标 设置在卡盘的左端 b为取 景宽度 h为取景高度 b h由程序根据工件长度动 态改变 以确保加工系统全部显示出来 光照条件设置 glL ightfv GLL IGHT0 GLAMB IEN T mlightAmb glL ightfv GLL IGHT0 GLD IFFU SE mlightD if glL ightfv GLL IGHT0 GLSPECULAR mlightSpe glL ightfv GLL IGHT0 GLPOSIT I ON mlightPos 其中 光源位置为 m2lightPos 0 0f 1 0f 0 7f 0 0f 光源颜色设置 m2lightAmb 0 5f 0 5f 0 5f 1 0f m2lightD if 0 5f 0 5f 0 5f 1 0f m2lightSpe 0 5f 0 5f 0 5f 1 0f 862太 原 理 工 大 学 学 报 第33卷 以上均为浅灰色 413 动态仿真的实现 首先 将数控程序段进行解释 得到加工的轮廓 起点和终点信息 再按程序执行的节拍进行插补运 算 得到当前的刀具运动坐标 以此坐标修改工件轮 廓坐标矩阵 最后调用OpenGL的相关函数 更新 显示窗口 从而实现动态仿真过程 5 结 论 本程序已实现了数控机床加工过程的完全仿 真 其主要功能有 数控代码输入 毛坯的输入 数控 代码调试 三维仿真工件的加工过程 由于利用了 OpenGL技术 实现了三维动态仿真 可以观察到加 工成形的工件实体轮廓 形象真实 最大限度地提高 了数控程序的调试速度 因此有较高的应用价值 图 4为加工螺纹某一时刻的显示界面 图4 模拟加工三维实体模型 参 考 文 献 1 王永章 机床的数字控制技术 M 哈尔滨 哈尔滨工业大学出版社 1995 12247 2 乔林 程序设计OpenGL M 北京 清华大学出版社 2000 44264 3 D i mensionalM odel and Dynam ic Si mulation of NC LatheMachin ing Wang Shiying LuM ing College of M echenical Eng ineering of TU T Abstract The 32di mensionalmodel of NC lathe machining is established based on analysis of itsmachining characteristics and its dynam ic si mulation process is completed on them icrocomput2 er platform by use of OpenGL technology The si mulation system w ill be applicated in scientific research manufactories and teaching by its auto2visual figures Key words numerically controlled lathe OpenGL 3D dynam ic si mulation 编辑 庞富祥 上接第266页 Comprehensive Analyzing of Dynam ic Characteristics in Turbine generator Rotor System Peng Zejun Yang Zhaojian College of M echanical Eng ineering of TU T Abstract This paper presents a survey of dynam ic characteristics of turbine generator units in faults such as interference of foundation rub2i