基于Open GL的五轴数控铣削仿真

基 于 Op e n G L的 五 轴 数 控 铣 削 仿 真 口晏升辉 口张海鸥 口王桂兰 口周火金 1 华 中科技大学 数字制造装备与技术国家重点实验室 武汉4 3 0 0 7 4 2 华 中科技大学 材料成形与模具技术国家重点实验室武汉4 3 0 0 7 4 摘要 在 U G 中进行 多轴加工后处理 时 由于选项设置和机床数据 文件 配置不 当 会 导致 生成 的 G代码 程序 存在 错 误 为了及 时发现程序 中的错误 利 用 O p e n G L三维图形接 口 在 V i s u a l C 开发 环境 下实现 了五轴 G代码程序 的离线 和在线仿真功能 集成到 自行开发的等 离子熔积铣 削复合机床 上位机软件 中 并利用仿真功能进行 了铝合金整体叶轮 的 铣 削加 工 试 验 关键词 五轴铣削0 p e n G L整体 叶轮数控仿真 中图分类号 T H1 6 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 2 0 2 0 0 4 5 0 3 Ab s t r a c t D u r i n g p o s t p r o c e s s i n g o f mu l t i a x i s ma c h i n i n g i n UG d u e t o i mp r o p e r s e t t i n g o f o p t i o n s a n d ma c h i n g d a t a fi l e t h e g e n e r a t e d G c o d e p r o g r a m ma y h a v e s o me e r r o r s I n o r d e r t o d e t e c t t h e p r o g r a m e rro r s i n t i me Op e n GL 3 D g r a p h i c s i n t e r f a c e c a n b e u s e d t o a c h i e v e o f f l i n e a n d o n l i n e s i mu l a t i o n f o r 5 ax i s G c o d e p r o g r a ms u n d e r Vi s u a 1 C d e v e l o p me n t e n v i r o n me n t a n d i n t e gra t e i t i n t o t h e s e l f d e v e l o p e d s o f t wa r e i n u p p e r c o mp u t e r for c o mp l e x p l a s ma d e p o s i t i o n mi l l i n g ma c h i n e An d a t e s t mi l l i n g o f i n t e gra l a l u mi n u m a l l o y i mp e l l e r h a s b e e n c o mp l e t e d b y e x p l o i t a t i o n o f t h e s i mu l a t i o n f u n c t i o n Ke y W o r d s 5 a x i s M i l l i n g 0p e n GL I n t e g r a l W h e e l CNC S i mu l a t i o n 在 数 控 加 工 过 程 中 是 否 发 生 过 切 欠 切 所 选 择 的 刀 具 走 刀 路 线 进 退 刀 方 式 是 否 合 理 零 件 与 刀 具 刀 具 与 夹 具 刀 具 与 工 作 台 是 否 干 涉 和 碰 撞 等 编 程 人 员 往 往 事 先 很 难 预 料 结 果 可 能 导 致 工 件 不 符 合 要 求 出 现 废 品 有 时 还 会 损 坏 机 床 刀 具 特 别 是 在 多 轴 加 工 中 NC 代 码 的 错 误 率 也 越 来 越 高 采 用 传 统 的 试 切 法 不 仅 消 耗 大 量 人 力 物 力 成 本 高 而 且 效 率 低 而 采 用 计 算 机 仿 真 技 术 能 快 速 检 验 所 生 成 的 G 代 码 程 序 的 正 确 性 和 合 理 性 确 保 加 工 过 程 顺 利 进 行 大 大 提 高 加 工 效 率 O p e n GL是 一 个 与 硬 件 无 关 的 三 维 图 形 编 程 接 口 可 以 在 多 种 操 作 系 统 平 台 上 运 行 具 有 高 度 的 可 移 植 性 并 且 具 有 非 常 快 的 渲 染 速 度 广 泛 应 用 于 游 戏 医 学 影 像 地 理 信 息 气 象 模 拟 等 领 域 是 高 性 能 图 形 和 交 互 性 场 景 处 理 的 行 业 标 准 2 3 笔 者 在 自行 开 发 的 五 轴 熔 积 铣 削 复 合 数 控 机 床 的 上 位 机 控 制 软 件 中 集 成 进 了 G 代 码 仿 真 功 能 该 复 合 机 床 是 针 对 熔 积 铣 削 复 合 快 速 成 形 专 利 技 术 研 发 的 不 仅 具 有 一 般 加 工 中 心 的 功 能 而 且 还 可 以 进 行 金 属 零 件 的 高 效 率 精 确 直 接 制 造 能 通 过 G 代 码 程 序 在 熔 积 工 位 和 铣 削 工 位 之 间 自 由切 换 五 轴G 代 码 程 序 般 是 利 用UG C AT I A Ma s t e r CAM 等 C AD CAM 软 件 的 C AM 模 块 进 行 轨 迹 规 国家 8 6 3 高技术研究发展计划项目 编号 2 0 0 7 A A 0 4 Z 1 4 2 收稿 日期 2 0 1 1 年 9月 机械制造5 0 卷 第5 7 0期 划 然 后 进 行 后 处 理 生 成 的 为 了 避 免 后 处 理 得 到 的 G 代 码 程 序 在 实 际 加 工 过 程 中 出 现 欠 切 过 切 撞 刀 等 现 象 有 必 要 对 G 代 码 程 序 进 行 仿 真 检 验 其 在 实 际 加 工 过 程 中 的 正 确 性 鉴 于 此 本 文 运 用 O p e n GL开 发 了 Vi s u a l C 开 发 环 境 下 的 五 轴 G 代 码 程 序 的 离 线 和 在 线 仿 真 软 件 1 五轴 G 代码仿真软件开发 1 1 G 代 码 处 理 流 程 五 轴 G 代 码 程 序 的 仿 真 过 程 实 质 上 就 是 将 G 代 码 程 序 转 换 成 刀 轨 的 过 程 首 先 逐 行 处 理 G代 码 程 序 从 中 提 取 准 备 功 能 指 令 和 坐 标 轴 信 息 然 后 经 过 坐 标 转 换 得 到 刀 具 相 对 于 工 件 坐 标 系 的 坐 标 并 进 行 轨 迹 可 视 化 T F 发 的 数 控 系 统 功 能 指 令 包 括 GO 0 G0 1 G0 2 G O 3等 准 备 功 能 G 指 令 坐 标 轴 包 括 l Z A C 在 铣 削 过 程 中 一 般 会 用 到 快 速 定 位 GO 0 直 线 插 补 GO 1 和 圆 弧 插 S b G O 2 G0 3 种 运 动 模 式 由 于 本 数 控 系 统 中 未 提 供 空 间 任 意 平 面 上 的 圆 弧 插 补 功 能 圆 弧 插 补 作 用 在 用 户 所 指 定 的 标 准 平 面 上 例 如 G1 7 G1 8 G1 9分 别 为 Y Y Z插 补 平 面 所 以 GO 2 G 0 3只 用 在 三 轴 铣 削 中 对 于 三 轴 以 上 的铣 削 例 如 空 间 曲 面 的 加 工 采 用 空 间 小 线 段 拟 合 曲线 为 了 统 一 处 理 G 代 码 程 序 根 据 插 补 模 式 对 程 序 行 进 行 不 同 的 处 理 在 GO 0和 GO 1插 补 模 式 下 提 取 2 0 1 2 2 坐 标 位 置 信 息 并 进 行 相 应 的 坐 标 变 换 便 可 得 到 刀 具 相 对 于 工 件 坐 标 系 的 y Z 坐 标 而 在 圆 弧 插 补 模 式 下 由 于 Op e n GL没 有 绘 制 圆 弧 的 函 数 因 此 需 要 对 圆 弧 进 行 细 分 用 直 线 段 逼 近 为 使 仿 真 结 果 更 直 观 将 G0 o和 其 它 插 补 模 式 用 不 同 的 颜 色 区 分 G 代 码 程 序 的 具 体 处 理 流 程 如 图 1 所 示 1 2 坐 标 变 换 在 五 轴 铣 削 过 程 中 工 件 除 了 在 y z三 个 坐 标 方 向 上 的 平 动 外 还 要 绕 轴 和 Z轴 进 行 旋 转 为 了 使 仿 真 的 结 果 反 映 加 工 零 件 的 形 貌 G 代 码 仿 真 关 键 是 要 计 算 出 刀 具 相 对 于 工 件 坐 标 系 的 坐 标 值 在 三 轴 铣 削 中 G 代 码 程 序 中 y Z坐 标 值 即 为 刀 具 相 对 于 工 件 坐 标 系 的 坐 标 而 在 五 轴 铣 削 当 中 需 要 对 X Y Z坐 标 进 行 齐 次 坐 标 变 换 假 设 工 件 不 动 使 刀 具 分 别 绕 A C 轴 旋 转 相 应 的 角 度 变 换 后 得 到 的 一 系 列 点 即 为 刀 具 的 加 工 轨 迹 如 图 2 a 所 示 假 设 轴 和 C轴 转 过 的 角 度 分 别 为 A 和 C 图 中 所 示 的 回 转 方 向 为 A C轴 的 正 方 向 工 件 坐 标 系 所 处 位 置 如 实 线 所 示 当前 的 y Z坐 标 即 程 序 中 的指 令 坐 标 并 不 是 刀 具 相 对 于 工 件 坐 标 系 的 坐 标 如 图 2 b 所 示 进 行 坐 标 变 换 假 设 回 转 工 作 台 静 止 不 动 使 刀 具 先 绕 A 轴 回 转 中 心 线 D 0 转 过 一 2 0 1 2 2 A 角 度 从 位 置 1变 换 到 位 置 2 然 后 再 绕 C 轴 回 转 中 心 线 转 过 一 C 角 度 从 位 置 2变 换 到 位 置 3 得 到 变 换 后 的 位 置 变 换 公 式 为 T2 1 O 0 O 0 c os A s i nA ds i nA 0 s i n A c o s A d c o s A d 0 O O 1 C O S C s i n C 0 0 I I s i n C C O S C 0 0 1 l 0 0 l O l l 0 0 0 1 l 1 2 式 中 d为 工 件 坐 标 系 与 A 轴 回 转 中 心 的 垂 直 距 离 该 参 数 在 加 工 前 设 置 工 件 坐 标 系 时 一 并 设 置 所 以 变 换 后 的 刀 具 坐 标 Y Z 1 T Y 1 1 3 刀 轨 描 绘 实 现 6 刀 轨 描 绘 是 一 个 将 刀 尖 相 对 于 工 件 坐 标 系 的 坐 标 描 绘 到 屏 幕 上 的 过 程 实 质 上 是 将 若 干 条 直 线 段 依 次 相 连 的 过 程 故 设 计 单 向链 表 存 储 线 段 端 点 坐 标 值 链 表 节 点 的 数 据 结 构 如 下 并 声 明 三 个 指 针 变 量 分 别 指 向 链 表 的 头 节 点 尾 节 点 和 当 前 插 入 节 点 s t r u e t V e r t flo a t x flo a t y fl o a t z l s t r u c t Ve r t L i s t Ve r t v COLORREF c o l o r Ve r t L i s t n e x t l Ve r t L i s t h e a d l e a r p 仿 真 过 程 中 每 读 取 一 行 G 代 码 指 令 根 据 插 补 模 式 进 行 相 应 的 处 理 G O 0和 C O1模 式 下 提 取 坐 标 值 并 进 行 坐 标 变 换 得 到 的 坐 标 为 线 段 的 端 点 并 插 入 到 链 表 中 GO 2模 式 下 需 要 将 圆 弧 细 分 成 若 干 直 线 机械制造5 0 卷 第5 7 0 期 t l 幡 聋 强 麟 霸 阐 I 叠嘲 l 懑 蘑 l 譬 i 圈 骚 剃 阐 l 隧 豳j 圈 露 一 8 i lI 圈 i i 器 醺 姆转 图 3撞刀损坏的叶片 图 4错误 G代码仿真 图 5仿 真结果 图 6整体叶轮效果图 段 计 算得 到l线段 的端 点 坐标 并依 次插 入链 表 中 每 向 链 表 中 插 入 一 个 节 点 便 进 行 窗 口重 绘 刷 新 刀 轨 仿 真 实 现 代 码 如 下 所 示 g l B e g i n G L UN E S T R I P 1 p h e a d 一 n e x t w h i l e p N U L L 1 m p GL D C S e t Ma t e r i a l C o l o r p 一 c o l o r g l Ve r t e x 3 f G L d o u b l e p v X G L d o u b l e p 一 v Y GL d o u b l e p 一 v z P P 一 n e x t 2 实验结果 整 体 叶 轮 为 典 型 复 杂 零 件 加 工 面 有 叶 片 流 道 和 过 渡 圆 角 其 加 工 是 一 个 相 当 复 杂 的 过 程 工 序 繁 多 要 进 行 粗 铣 半 精 铣 和 精 铣 等 工 艺 过 程 本 文 利 用 自行 开 发 的 五 轴 铣 削 复 合 数 控 铣 床 进 行 了 铝 合 金 整 体 叶 轮 加 工 实 验 利 用 UGNX 7 O 的 CAM 模 块 进 行 刀 轨 规 划 并 生 成 G 代 码 程 序 为 了 验 证 G 代 码 程 序 的 正 确 性 利 用 Op e n GL开 发 的 仿 真 模 块 对 G 代 码 程 序 进 行 仿 真 确 保 进 刀 和 退 刀 不 会 干 涉 并 能 定 位 错 误 刀 轨 对 应 的 代 码 段 如 图 3所 示 为 没 有 该 仿 真 功 能 时 叶 轮 第 个 流 道 半 精 加 工 时 的 撞 刀 损 坏 叶 片 图 4为 用 该 仿 真 模 块 得 到 的 出错 G 代 码 程 序 仿 真 图 虚 线 表 示 快 速 定 位 模 式 GO 0 实 线 表 示 其 它 插 补 模 式 借 助 该 仿 真 功 能 有 效 保 证 了 加 工 程 序 的 正 确 性 并 最 终 加 工 出 铝 合 金 整 体 叶 轮 如 图 5所 示 为 复 合 机 床 集 成 了仿 真 功 能 的 上 位 机 控 制 软 件 界 面 图 中 显 示 了 叶 轮 叶 片 整 体 半 精 铣 的 刀 轨 效 果 图 图 6所 示 为 铝 合 金 整 体 叶 轮 加 工 完 成 后 的 效 果 图 3结论 本 文 利 用 O p e n GL三 维 图 形 接 口 开 发 了五 轴 G 代 码 程 序 仿 真 功 能 快 捷 方 便 地 验 证 刀 轨 的 正 确 性 确 保 加 工 过 程 能 够 顺 利 进 行 降 低 复 杂 零 件 加 工 的 废 品 率 提 高 加 工 效 率 具 有 一 定 的 工 程 实 际 意 义 利 用