一种基于OpenGL的数控铣削加工仿真平台开发探讨

周天涛

(湖北工业大学 机械学院，湖北 武汉 430068)

引言

在20余年间，数控机床的设计和制造技术有较大提高，主要表现在三大方面：培训一批设计、制造、使用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进元部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、五面或五轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机床的水平差距很大。数控加工过程仿真技术应该为数控加工领域计算机仿真技术应用的一个充分利用与重要体现。每一个数控加工仿真平台都可以实现数控加工过程的虚拟变现，通过具体的参数模型和虚拟环境使加工过程形象的变现出来。数控铣床仿真模型的组建本来就是组建相应的机床加工轨迹的运动模型与几何特征，换而言之，就是利用计算机软件把数控铣床的典型结构以及运动的轨迹，通过几何表达式、解析方案转化成具体的数字化模型。只有将加工过程通过较完备的机床模型以一定形式展现出来，才能使技术人员和操作者预先对数控机床结构、运动路径以及加工特点等掌握得较为清楚。所以，必须将数控铣床与具体的单元模型有机结合，才能在设计的具体模型中做到统一性和个体独立性。本文就数控铣床加工进行仿真平台建设进行探讨。

一、数控铣床的主要结构及分析

(一)数控铣床的基本组成

在全国制造业中的实际加工部分，相对各类比较常见的复杂平面和壳体、曲面类一系列零件最常见的是通过数控铣床来加工完成。数控铣床非常重要的是由主运动系统、支承件和进给传动系统与一些具有特性的零部件、刀具和ATC(自动交换)装置与APC(工件自动交换)装置及一系列辅助装置等组成。数控加工仿真平台中的核心基本就是数控铣床过程，是实施精密加工制造中的执行机构，所以数控仿真加工系统就是以数控铣床的主要结构围绕着运动单元来从事模拟开发的一系列工作的。

(二)数控铣床的结构特点及其运动分析

根据零部件曲面的数控加工走刀特点，应该采纳三轴及以上的多轴数控机床中实施目标任务。

三轴数控铣床基本结构与各轴运动路线见图1所示，通过主轴来带动铣床刀具的运动，工作台承载毛坯件运动并实现进给。主轴部分及其相应传动机构是数控铣削机床的主运动部件；工作台、滑台以及相应的传动机构是数控铣削机床的进给运动部件；主运动部件和进给运动部件是实施数控铣削加工的执行单元。完整体现在相互个体独立运行的三个坐标轴中，x轴与y轴双向运动可以在操作台上得以实施，任而z向运动可以在主轴上得以实施。铣床结构和传动机构限制对各轴运动行程，加工工件最大尺寸也受到其相应的限制。

图1 三数轴数控铣床运动和结构运行图

二、建模工具的选择及其分析

经前期调研及综合分析，将采用OpenGL结合Pro/E软件实现建模，以达到最终的开发目标，即实现相对完整真实的虚拟铣床模型。

(一)OpenGL开发工具应用

OpenGL作为简单部件的三维模型环境下的开发应用工具，包含了实用glut(工具库)、glu(实用库) 与aux(辅助库)三类数据函数库用来实施图形的简单绘制功能。根据OpenGL函数的前缀名应该命名为glut，是在实用函数库总体有43个之多的函数。 其中OpenGL辅助库得到可以运用的函数共有31个之多，aux是辅助库函数名的前缀。以上一系列函数可以通过输出输入处理、窗口管理和绘制某些抽象简便的三维物体。在很多实际运用的数据库中含有30多个数据库函数，其中数据函数名的前缀一般是glut。采用对OpenGL函数封装用来提出采用核心数据库的函数，得到方便glut中的复杂特殊的编程工作，可以让开发人员得到一系列比较方便通用的用法，可实现一些比较复杂的操作，如纹理贴图辅助功能、坐标轴互换和投影方向变换、计算投影矩阵、绘制二次曲面工具等等。

(二)Pro/E软件应用

采用Pro/E软件进行复杂模型的建立，就能达到模型特性的相关数据文件，例如模型几何参数之间的信息、材质特性信息、法向量相关信息有比较好的封装结果，其可视结构清晰，可读性强。在类是Pro/E产生的数据模型应该可以经过数据系统应用文件数据格式互通软件3D Exploration达到实施转换输出的目的。类是于比较简便模型单元就能在OpenGL实施绘画，因此在繁琐部分(如恍刀)中互助数据建模就能经过Pro/E来达到目的。Wavefront GBl文件在通常只能定义建模对象中几何参数与其余相关联系，同时只能让结构简便通俗，非常适应3D文件数据格式互相转换。3D Exploration与Pro/E都有*.obj格式的文件，可以作为结合点与相关点。

三、仿真平台模型建立

(一)机床几何模型的建立

数控铣床作为一般加工操作平台，他的主体是比较复杂的，所以仿真系统之中把它简明化为某些内在联系的模块，从而达到实施其基本几何参数数据形式的模型建立。他的建模过程简化的来说一个为经过比较完美的对应子模块的建模基础上的，根据他的逻辑前后次序把每一个模块单元操作过程有序装配在一起，最终成为完整无缺的模型。因此对这种简单扼要的装配体模型的建造，因此在关键部分搞清楚每一个零部件相互的每一个层级关系与在装配上的前后次序等目标。他的互相制约条件就程序了装配体之间的每一个内部中每一个子部件相互相对的位移与方位关系，他的运动模型在同一时刻也受到限制。

在仿真建模中需要体现出机床主要零部件之间几何关系，同时需要相应的层次之间关系特征表现出来。其中数控铣床中间的主体部分包含有机床的床体、侧立柱、主轴承装备控制箱、电子电器系统控制部件、加工操作台及进给机构、主轴等一系列主要机构部件。其中床体是机床的基础，其余一些列的模块应是建构在此系列基础之上的。其中机床在z轴方向运行支撑与运动轨迹是通过立柱来提供，电器控制系统也安装在立柱主轴箱内，主轴的电机动力传递给机床的z轴部分。x、y轴应当建立在操作台之上，经过其这两轴来实施x、y双方向之间的运动轨迹和加工传动。在操作台上的x轴做同向运动的时候，y轴方向保持不变(y向不受影响)，也有的时候在y轴方向运行时，因此x轴方向同时在随y轴方向运行，两者体现出叠加前后关联。

OpenGL中间具有3类绘制图形的库函数，其中体现出规范模块的建模数据函数，把其中适应基础的主体机构函数建模。用户在操作时只需要在相应窗口输入数值，系统会把数值代入到封装好的关系函数中。为了更加的直观，特别是以辅助数据库来构造矩形实体模块来说明，特别是用函数auxSolidBox (GLdouble width、height、depth)来实施OpenGL辅助数据库里面的此功能。其中矩形模块的深度(z轴)、高度(y轴)、长度(x轴)的取值可以分开特此定向了函数的三个轴方向的参数值，依据每个用户所设定的参数值来监控生成模型的大小。依据每一个模型设定位置的原理，对参与储存的多个模型，同时也配合关系的需求时，应该要明确两个模型的相互对应位置，事实上却是需要明确二者之间模型建立过程中的中心的各轴间距。根据建立模型的中间的轴线间距参考值，将以下每一个模型的间距位移变动设定唯一参数值，并可以使该模型的建立轴中间位移至符合需要的位置实施模型的绘制编译，得以两模块的位置关系。特别是矩形每一个单元在建立模型时，通常采用其模型的中心轴来明确其对应原点来定其范围，例如在对模型达不到进行位置操作与附视角位移的波动，特别是中间的尺寸将遵守场所位置的设定，模型建立同时会显示在每一个场所中间。相对在差异形状模型互相的参与对应，同时可以使其之间间距位移约束来取得相对的位移参数，在特殊需求时，还必须满足对模拟的模型进行相应的位置交换，得以达到实现整体模型的建立。其中两个矩形模块互相的配合从动关系以图2模型得到了非常好的表现，依次类似，不同形状的模块所建立的模型中心也会不同。例如球体位于球心位置，而圆锥体位于下平面的中心位置。

图2 一般矩形单元建模直角坐标关系图[5]

经过对在铣床主体结构之间结构关系的研究，知道在运用OpenGL 模型绘制图形的过程与堆校操作的函数值，经过建立之间相应的加工仿真模型操作台——数控铣床的模型展开图，如图3所示。在建立模型时只需要建立起相互之间的结构关系、运动关系、各系统控制件之间的内部联系，其他可以做简化处理。

图3 机床主体模型

(二)毛坯模型的建立

在三坐标数控铣削加工过程中，一般存在着以下几种特点：一是仅对毛坯的上表面进行加工；二是刀具的轴线Z 与毛坯的上表面只有一个交点;三是加工零件上表面所有的点，均是由加工过程中毛坯表面上不同高度的点对应的数值来表达的外在形状；四是对于三坐标的数控加工机床而言，仅有Z 方向的工件尺寸数值跟随刀具走过工件上表面而做相应的变化。结合以上四方面的特点来建立合理的毛坯模型。建立毛坯模型时重点毛坯的上表面。设想用网格划分毛坯上表面，用离散的均匀点阵来表达，点阵中每个点的X、Y方向按等距排列， Z方向由曲面的变化情况来定。点阵在X、Y方向的增量由加工精度来定。将点阵中的各点依次连接，形成三角面片，全部的三角面片连在一起就成了毛坯模型表面。上述的结构模型可采用把工件划分为细小的立方体体素,立方体的长宽相等，而每个小长方体的高度，实质就是工件的Z坐标值，高度的集合就是工件的上表面。所有的立方体集合用空间阵列方式来表示就成为实体。刀具切削工件的过程，实际上则是各个长方体上的高度Z在发生相应的变化的过程。

建立毛坯是通过Z-map结构来实现的。Z-map结构建立毛坯不仅方法简单，占用的存储空间小，而且可以很好地满足数控仿真加工的要求。但是Z-map结构在系统中生成的毛坯并非真实的实体模型，而是由五个片体组成的空心壳体(底面不用显示)。如图4所示，为Z-map结构方法基本原理图。

图4 Z-map结构方法基本原理图 [5]

(三)建立模型及加工刀具选择

切削加工的实质是刀具沿着规定的轨迹运动对坯料实施切削的过程。刀具是数控铣削加工不可或缺的工艺装备。刀具类型和尺寸的选择要考虑被加工材料的尺寸、机械加工性能等。建模选用Pro/E设计软件来辅助进行。在实际加工中，平面的铣削一般采用立铣刀，曲面零件的粗加工带圆角的立铣刀，对于曲面零件的精加工采用球刀。从技术层面来看，球头铣刀，如图5所示。在曲面的数控加工理论中有比较成熟的应用。对于自由曲面的铣削过程中，为了保证加工质量，减少接刀痕，切削的行距应该选取得密些，球头加工效率不高，但其加工表面的精度是比较高的。因此，一般会用在曲面的精加工上。对于复杂曲面的数控加工刀路越多，加工时间也越长。球头铣刀作为仿真加工刀具，它的球头切削刃参数化设计比较复杂，由许多个参数来共同控制完成。对于在仿真系统中，建立起与球头铣刀实物形状一致的模型是仿真的重要组成部分，如图7所示。

图5 球头铣刀实物

图6 球头铣刀模型

球头铣刀的结构特征和尺寸特征在利用Pro/E进行建模时，必须体现出来，具体要求如下:

(1)结构方面的特征：刀刃形状，前刀面、后刀面，刀具几何角度、排屑槽等；

(2)尺寸特征：刀具直径、切削刃长度、刀杆长度、切削刃深度等。

铣刀模型设计的结果是要通过OpenGL运行环境下显示出来的，其相关过程如图6所示。

图7 文件输出精度设置

利用Pro/E绘制的模型输出文件的格式可以为*.obj，为了使绘制的铣刀模型与软件的系统相适应，需要按照系统要求对其进行格式转换。模型在导入软件时需要有一个基准，该基准与后续模型输出时的模型坐标系最好保持一致，因此基准的一般选当前坐标系位置或典型的面，以便模型坐标对比系统的设计。此软件具有面片划分功能，在模型文件输出前系统还要对精度控制的相关参数进行比对，使模型表面输出的数据点具有一定的精度，如图7所示。*.obj文件包含的几何模型等信息不能直接被系统识别，需要通过3D软件进行格式的转换，最终以*.cpp的文件形式输出。模型坐标的设置模式有两种：一是根据模型几何相关信息数据的实际输出*.obj文件坐标系。二是将各几何模型的坐标值以网格方式进行处理，坐标数值用0至1的数字表示。在输出的时候，铣刀模型则以几何模型的形式呈现，如图8所示。这样，模型曲面是由一定数量的点、线群为骨架，由三角面片连接骨架构成的表面结构。文件在输出时还将会保存其模型的材质，以及表面法向量的信息。

图8 模型输出状态图

基于3D Exploration生成的文件给用户提供的是一个函数信息列表，在函数列表中给软件提供模型生成有关的几何信息、材质、坐标位置等，模型就可以生成，可以达到模拟仿真的通用效能。至于模型的信息，系统在生成文件时对其进行了封装。生成的*.cpp文件模型作为一个模块在系统中会有单独的区域进行存储，系统工程可以根据需要随时调用。系统还可以根据实际需要对模型的比例、显示方位等做出适当的调节，以便于输出的模型能更大程度的满足用户需求。在渲染函数中调用显示的列表便可在系统的视图窗口中显示模型。

四、小结

根据通用数控铣床的基本特点，选用OpenGL和Pro/E建模软件作为三维环境开发工具，根据系统开发环境和建模工具特点，实现单元建模的有效综合，完成数控铣床仿真模型的建立。