基于OpenGL的虛擬數控車床加工仿真系統設計及應用

肖元昭 岳 磊

基于OpenGL的虛擬數控車床加工仿真系統設計及應用

肖元昭 岳 磊

（鄭州輕工業學院，河南 鄭州 450000）

隨著社會的不斷發展，各種新型科技的不斷創新和研發，在工業行業的應用越來越廣泛。隨著虛擬數控車床技術的廣泛使用，在此基礎上，通過借助Visual C++6.0的平臺，對虛擬數控車床技術進行創新，由此研發了基于OpenGL的虛擬數控車床加工仿真系統。本文主要對基于OpenGL的虛擬數控車床加工仿真系統的設計及應用進行分析。

OpenGL；虛擬數控車床；加工仿真系統；三維仿真圖像

虛擬仿真系統模擬數控車床的加工操作，實現高效的人機結合，在不同加工任務及加工條件下，可以完成不同的轉速、進給速度及NC代碼的動態仿真［1］。因此，本文以某機床生產的GSK 928TC型號的數控機床作為本次的研究實例，分析基于OpenGL的虛擬數控車床加工仿真系統的設計。

1 基于OpenGL的虛擬數控車床加工仿真系統結構

基于OpenGL的虛擬數控車床加工仿真系統的整體結構如圖1所示。該結構主要包括以下模塊。①面板模擬模塊，主要用于人機交互的接口，通過點擊操作面板中的按鈕控制機床的各項功能，包括轉速的調節、刀具的架位及卡盤等，同時，還能完成NC代碼的創建、保存等多項操作［2］。②NC代碼解釋模塊，通過設置該模塊，實現加工程序的譯碼。通過對NC代碼中的功能性數值進行識別，并傳遞給控制變量，從而實現刀具軌跡的計算，完成車刀的相應實時動作。③刀具選擇模塊，該模塊主要是根據不同的生產加工零件需求，對刀具進行重新選擇安裝，生產出多樣性的零件結構，為模擬加工做準備。④切削計算模塊，根據車床刀具運行軌跡與具體位置，判斷毛坯與車床刀具之間的干涉情況。⑤毛皮創建模塊，該模塊主要用于對毛坯的創建和安裝。根據具體的加工要求，設定毛坯參數，之后完成創建，并安裝在三爪卡盤上等待加工。⑥圖形顯示模塊，該模塊主要是為了在運作過程中的三維圖像，根據三維模型的成像數據［3］，使用OpenGL程序，將三維圖像顯示在計算機的主屏幕上。

圖1 基于OpenGL的虛擬數控車床加工仿真系統整體結構

2 基于OpenGL的虛擬數控車床加工仿真系統的應用

基于OpenGL的虛擬數控車床加工仿真系統運作流程如圖2所示。毛坯的創建及車道的安裝可以在屏幕上實時顯示，同時對毛坯的參數，以及車刀的位置坐標具體變量進行初始化。通過對已存在的NC代碼完成手動輸入或者載入，即可實現車削仿真[4]。NC代碼解釋模板可以完成對車刀具體運作軌跡的計算，借助切削計算模板，完成對刀尖坐標的計算，有效判斷是否與毛坯出現干涉情況，之后完成切削量的計算，實時改變毛坯的形狀，最后通過借助OpenGL程序，顯示仿真程序的三維圖像。

圖2 基于OpenGL的虛擬數控車床加工仿真系統運作流程

3 基于OpenGL的虛擬數控車床加工仿真系統的優化

3.1 系統建模與優化

虛擬數控車床加工仿真系統的三維圖像，可以按照文件的形式進行保存，借助第三方軟件作為保存一大OpenGL-CPP數據點，經由OpenGL得以顯示，完成數據讀取全過程的模型創建［5］。該流程雖然在一定程度上實現了較好的渲染效果，提高了數據保存的實用性，但也浪費了一定的后臺運行資源，影響了系統的整體使用性能。通過借助OpenGL本身所提供的三維模型，可以將幾何模型進行簡化、組合，直接對組合體進行計算，進而通過函數系統具體繪制成三角形或者多邊形平面圖形，也可使用函數繪制圓形或者圓柱形的圖案面。最后，將繪制的模型通過幾何數值轉換成模型的空間位置設置，組成系統性整體，通過圖像反映可視區域。在此基礎上，可以使仿真系統更加真實，更具實用操作性。而此種方法的優點是后臺計算量較小，車床的刀具位置坐標也顯示得更加精準，確保了加工的精準性［6］。

3.2 譯碼

對于虛擬數控設備，其行為控制實質NC代碼及控制面板指令對設備各運行部件的控制。因此NC代碼解釋模塊的設置必不可少。該模板在完成代碼編輯之后，譯碼工作與車床仿真工序同步進行。譯碼的主要執行步驟是首先讀取系統第一行代碼，然后對每一行代碼中的功能值進行識別判斷，最后傳遞功能值，直至代碼翻譯程序完畢。依照上述程序完成全部NC代碼。

4 結語

該種設計滿足了基于OpenGL的數控車床虛擬加工仿真系統，并且該系統在運行過程中具備更好的性能，在具體應用過程中具有一定的時效性，達到了數控車床仿真系統所預期的效果。系統的控制界面及車床刀具的設計更好地體現了該系統的交互作用，也通過切削計算使該系統的后臺計算速度明顯提升。因此，基于OpenGL的虛擬數控車床加工仿真系統具備良好的實際推廣價值。

［1］李國良，王培俊，侯磊，等.基于OpenGL的虛擬數控車床加工仿真系統研究［J］.機械設計與制造，2011（11）：168-170.

［2］侯磊.基于OpenGL與VC++的虛擬數控車床加工仿真研究［D］.成都：西南交通大學，2011.

［3］侯磊，王培俊，李國良，等.基于OpenGL與VC++的虛擬數控車床加工仿真研究［J］.機械工程與自動化，2011（4）：4-6.

［4］許朝陽，黃筱調.基于OpenGL的數控成形銑齒加工過程仿真的研究［J］.機械設計與制造，2011（7）：72-74.

［5］孫萌，姜海鵬.數控車床模擬加工系統模型實現方法研究［J］.中國教育技術裝備，2011（3）：86-87.

［6］李夢梅.基于OpenGL的數控車削仿真軟件的實現［J］.電子世界，2014（10）：166.

Design and Application of Virtual NC Lathe Machining Simulation System Based on OpenGL

Xiao Yuanzhao Yue Lei
（Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou Henan 450000）

With the continuous development of society,a variety of new technology innovation and research and development,industrial applications in more and more widely.With the wide use of virtual NC lathe technology,on the basis of this,by means of Visual C++6.0 platform,the innovation of the virtual CNC lathe technology,the development of virtual NC lathe machining simulation system based on OpenGL.This paper mainly analyzed the design and application of virtual NC lathe machining simulation system based on OpenGL.

OpenGL；virtual NC lathe；processing simulation system；3D simulation image

TP391.9；TG519.1

A

1003-5168（2017）10-0071-02

2017-09-01

肖元昭（1985-），男，本科，助理實驗師，研究方向：機械制造工程；岳磊（1986-），男，本科，助理實驗師，研究方向：機械制造工程。