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1　系統總體結構設計

本文所研制仿真系統總體結構如圖 1所示,系統主要由程序代碼編輯、加工過程和動畫仿真兩大模塊組成. 代碼檢查器檢查錯誤,并通過編譯得出可執行數據,從而得到刀具軌跡,以此來驅動加工過程. 動畫仿真模塊由人機交互得到的加工條件等信息,并生成和顯示虛擬加工環境. 動畫仿真是整個系統的核心模塊.

2　數控仿真系統具體實現

2. 1　數控代碼編輯模塊

數控代碼編輯模塊提供一個文本編輯器,可以用來創建和打開數控代碼文件,其數控代碼文件沒有設立專門的擴展名,而是用文本文件的擴展名,這樣可以在別處編輯,而后在此打開. 編輯器內提供一些簡單的文本編輯功能,如復制、粘貼、剪切、撤銷等. 此外編輯器也具有提示功能,當代碼被更改和尚未存儲時,再打開或新建另一個代碼文件時,自動提示用戶保存文檔,文本編輯器內還有快捷菜單,方便了操作. 編輯器對數控代碼的長度可以說是沒有限制的. 應用程序界面如圖 2所示.

2. 2　程序代碼檢查編譯模塊

數控加工具有加工內容具體和嚴密的特點,所以在編制數控程序時需要分析考慮的內容較多,例如數控系統的基本功能,數控程序的結構,數控指令的作用、應用格式,零件圖紙的技術特性,幾何形狀、尺寸及工藝要求等.

2. 2. 1　語法檢查

語法檢查主要是檢查一些不符合要求的非法字符及參數錯誤或者拼寫錯誤. 對于系統不能識別的指令同樣給出提示.

2. 2. 2　數控代碼的轉換

數控代碼在編輯好后存盤, 并通過了錯誤檢查,此時計算機并不能識別,需要將其轉化為相應的內容以供程序來識別[ 3 ]. 對于發現的錯誤給出相應的提示,包括: 錯誤的詳細信息、錯誤所在編輯其中的位置. 用鼠標雙擊改錯誤信息,可到達相應的行. 具體實現采用的方法是: 建立一組結構體來記錄數控指令的相關信息,按照數控指令的格式,把此序列按程序段和程序的格式來存儲. 即一個程序是由幾個程序段序列組成,程序段則是由數控指令序列組成.結構體如下:

2. 3　動畫仿真模塊

2. 3. 1　Ｏ ｐ ｅ ｎ Ｇ Ｌ簡介

科學可視化、計算機動畫和虛擬現實是近年來的熱門話題,而這些熱門話題中的核心技術都是三維真實感圖形顯示. 當前三維圖形顯示在各個領域內都有廣泛的應用. Ｏ ｐ ｅ ｎ Ｇ Ｌ是目前比較完善的三維圖形標準,它是Ｓ Ｇ Ｉ 公司推出的. Ｏ ｐ ｅ ｎ Ｇ Ｌ被嚴格定義為“一種到圖形硬件的軟件接口”. 從本質上說,它是一個*可移植并且速度很快的 3 Ｄ圖形和建模庫. Ｏ ｐ ｅ ｎ Ｇ Ｌ不是像Ｃ或Ｃ++ 那樣的編程語言,它更像一種運行時庫,提供一些預封裝的函數.

2. 3. 2　軸的模型的建立

在進行三維動畫顯示之前,我們必須對軸的模型加以確定,因為車削時需要改變軸的尺寸,因此必須用一種方法來記錄軸上面的尺寸. 用下面的結構體來表達軸上的尺寸信息:

程序實現刀具切削軸的過程如下: 從轉換后的數控指令里讀出數據,進行插補,將插補后的點存入一個數組中來控制刀具移動路線. 同時根據刀具在其預定軌跡的某一個位置來確定軸被刀具切削掉的部分,進而改變軸上面的片的坐標,這樣軸的尺寸就被改變了.

2. 4　仿真顯示模塊

加工仿真就是利用計算機圖形技術,讓計算機模擬真實的加工過程,通過動畫的形式形象、直觀地模擬數控加工的切削過程. 零件仿真畫面在屏幕切分窗口的顯示區域顯示. 用戶可以調節切分窗口大小,旋轉圖像觀看加工工件. 通過仿真結果的可視化顯示,可以發現錯誤,修改工藝文件,優化加工方案. 根據計算機動畫原理,每秒顯示 25幅以上的切削加工場景,整個加工過程的演示就是連續的.用Ｏ ｐ ｅ ｎ Ｇ Ｌ的雙緩存( Ｄ ｏ ｕ ｂ ｌ ｅ Ｂ ｕ ｆ ｆ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ) 技術可以方便地實現刀具相對運動過程的動畫仿真. 雙緩存提供兩個顏色緩存,在一個緩存中顯示幀時,在另一個緩存中繪制幀. 在繪圖時,數控加工仿真系統根據插補計算得到的刀位軌跡值,在屏幕上實時地顯示刀具的變化情況. 對于每一個計算出的插值點,刀具就進給一步,系統即刷新一次,此時在后臺緩存進行建模及對模型進行變換,在前臺緩存顯示由后臺緩存已計算好的畫面,如此反復,終動態顯示切削加工過程. 另外還利用 Ｏ ｐ ｅ ｎ Ｇ Ｌ的顯示列表技術和局部刷新技術防止場景的顫動,增強切削場景的顯示效果.

分析數控車床加工的特點: 數控車床的毛坯通常為棒料,為回轉體零件,而且刀具做的只是Ｘ方向和Ｚ方向上的二維運動. 因此在本系統的仿真算法中,首先將毛坯進行細分為單位厚度的小圓柱單元,小圓柱單元的厚度根據仿真所需的精度和顯示效果來決定[ 4]小圓柱單元的具體的數據結構為:

讀入經過程序處理模塊得到的仿真驅動信息,即刀具運動信息,得到車刀刀尖處的位置( Ｘ ｔ ,Ｚ ｔ) ,根據Ｚ ｔ確定刀具經過的小圓柱單元在工件數組中的位置,也就是確定哪個單元體被切削. 然后比較該單元體的直徑和刀尖點的Ｘ ｔ坐標,確定該單元體是否被切削.具體的實現命令如:

對工件數組進行遍歷,根據工件數組中數據繪制相應的單元體,也就顯示了加工后的工件.

2. 5　動畫的實現

三維動畫仿真中,本系統采用Ｏ ｐ ｅ ｎ Ｇ Ｌ雙緩沖區實現動畫仿真. 使用雙緩沖實現動畫仿真可以避免程序在運行時產生閃爍,從而使動畫看上去更加連續. 動畫時增加了光照,看上去更具真實感. 雙緩存動畫技術就是多頁面切換技術,這種技術稱為“頁面共振”技術. 對于某些圖形系統,顯示模式允許有一個以上的顯示頁面,其中一頁被定義成主顯示頁面,其余頁面作為圖形顯示的緩存頁. 在主顯示頁顯示的同時,下一幅圖形可放置在工作頁面上,然后再把工作頁切換成主顯示頁,如此反復進行,每次用新圖形代替舊圖形,從而形成動態變化過程.

圖形顯示模塊主要負責刀具、夾具和主軸的繪制工作,而數據處理則是負責插補運算和刀具切削軸的計算,實現了數據和顯示分離,具有較好的模塊性. 仿真效果如圖 3所示.

2. 6　切削仿真過程實現

為了得到連續、動態的切削效果,屏幕畫面必須不斷刷新. 由于是可旋轉的三維圖像,每次刷新時僅將切削處重畫是不行的,必須將整根軸重畫.但如果將整根軸*重畫,計算量大、耗時長、效率低,為此,利用了顯示表對切削過程的模擬進行優化. 在上面提到的軸節點中,有一Ｇ ｌ ｕ ｎ ｉ ｔ 類型屬性量ｉ ｎ ｄ ｅ ｘ ,即是該節點的顯示表. 這樣,該節軸在沒有變化之前,程序里實際上只畫了一次,即將繪圖命令執行結果存儲在緩存中,以后每次顯示時只需執行ｇ ｌ Ｃ ａ ｌ ｌ Ｌ ｉ ｓ ｔ ( ｉ ｎ ｄ ｅ ｘ ) 即可. 由于采用了面向對象的列表結構,整根軸的顯示可以轉化為列表的遍歷,依次調用每個節點的顯示表,迅速完成圖形顯示. 而且,復雜的切削過程也轉化為對列表和各個節點的操作,如在某段柱體上切削圓弧只需在柱節點前插入一圓弧節點,同時將原柱體分為 2段, 1個節點分為 2個,前面的節點代表圓弧未曾涉及的部分,長度由 Ｂ3到Ｅ3( 如圖 4所示) .

該節軸只需繪制一次,將繪制結果存入該節點的顯示列表即可,后面的節點涉及被圓弧覆蓋的部分,長度由Ｂ2到Ｅ2. 隨著切削的進行,每次屏幕刷新前只需將被覆蓋柱與圓弧進行重畫,生成該節點新的顯示表,軸的其他各節顯示表不變. 隨著圓弧不斷變長,即圓弧節點屬性Ｅ ｎ ｄ( Ｅ) 值變大,被覆蓋柱節點不斷變短,即其屬性 Ｂ ｅ ｇ ｉ ｎ( Ｂ2) 值變大,直至柱節點的 Ｂ ｅ ｇ ｉ ｎ( Ｂ2) 等于Ａ ｉ ｍ Ｅ ｎ ｄ ,刪除該柱節點,圓弧即加工完畢.

采用面向對象的方法,使抽象、復雜的切削過程具體化、簡單化、對象化,將切削動作轉化為對 2個或數個相關節點的操作,不僅提高了編程效率,增強了系統的可維護性,而且大大提高了系統的可靠性.

3　結語

Ｏ ｐ ｅ ｎ Ｇ Ｌ技術以其強大的性能為三維仿真系統開發提供了有力的工具. 面向對象的設計方法更側重于用計算機語言對現實世界進行抽象歸納、描述,而不是對過程、數據的處理,因而使得整個設計過程更加簡潔、可靠. 基于上述思想,我們開發出三維數控機床仿真系統,該系統以某型數控車床為藍本,可三維、動態仿真其所有常用指令,且集顯示窗口、操作面板、信息提示和指令輸入于一體,具有良好的界面和的仿真效果,該系統在Ｗｉ ｎ ｄ ｏ ｗ ｓ 98環境下用Ｖ ｉ ｓ ｕ ａ ｌ Ｃ++6. 0實現.經驗證,該系統具有良好的界面和交互性; 較好地實現了數控程序進行正確性檢查; 可以同步顯示加工代碼和工件切削狀態,以驗證加工代碼編寫的正確性; 可以判斷諸如刀具與夾具干涉等錯誤;在顯示過程中還可以旋轉、放大、縮小對象,使操作者可以從任何角度清楚地觀察刀具切削的過程.

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