一種基于OpenGL的數控銑削加工仿真平臺開發探討

周天濤

(湖北工業大學 機械學院，湖北 武漢 430068)

引言

在20余年間，數控機床的設計和制造技術有較大提高，主要表現在三大方面：培訓一批設計、制造、使用和維護的人才；通過合作生產先進數控機床，使設計、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進技術的差距；通過利用國外先進元部件、數控系統配套，開始能自行設計及制造高速、高性能、五面或五軸聯動加工的數控機床，供應國內市場的需求，但對關鍵技術的試驗、消化、掌握及創新卻較差。至今許多重要功能部件、自動化刀具、數控系統依靠國外技術支撐，不能獨立發展，基本上處于從仿制走向自行開發階段，與日本數控機床的水平差距很大。數控加工過程仿真技術應該為數控加工領域計算機仿真技術應用的一個充分利用與重要體現。每一個數控加工仿真平臺都可以實現數控加工過程的虛擬變現，通過具體的參數模型和虛擬環境使加工過程形象的變現出來。數控銑床仿真模型的組建本來就是組建相應的機床加工軌跡的運動模型與幾何特征，換而言之，就是利用計算機軟件把數控銑床的典型結構以及運動的軌跡，通過幾何表達式、解析方案轉化成具體的數字化模型。只有將加工過程通過較完備的機床模型以一定形式展現出來，才能使技術人員和操作者預先對數控機床結構、運動路徑以及加工特點等掌握得較為清楚。所以，必須將數控銑床與具體的單元模型有機結合，才能在設計的具體模型中做到統一性和個體獨立性。本文就數控銑床加工進行仿真平臺建設進行探討。

一、數控銑床的主要結構及分析

(一)數控銑床的基本組成

在全國制造業中的實際加工部分，相對各類比較常見的復雜平面和殼體、曲面類一系列零件最常見的是通過數控銑床來加工完成。數控銑床非常重要的是由主運動系統、支承件和進給傳動系統與一些具有特性的零部件、刀具和ATC(自動交換)裝置與APC(工件自動交換)裝置及一系列輔助裝置等組成。數控加工仿真平臺中的核心基本就是數控銑床過程，是實施精密加工制造中的執行機構，所以數控仿真加工系統就是以數控銑床的主要結構圍繞著運動單元來從事模擬開發的一系列工作的。

(二)數控銑床的結構特點及其運動分析

根據零部件曲面的數控加工走刀特點，應該采納三軸及以上的多軸數控機床中實施目標任務。

三軸數控銑床基本結構與各軸運動路線見圖1所示，通過主軸來帶動銑床刀具的運動，工作臺承載毛坯件運動并實現進給。主軸部分及其相應傳動機構是數控銑削機床的主運動部件；工作臺、滑臺以及相應的傳動機構是數控銑削機床的進給運動部件；主運動部件和進給運動部件是實施數控銑削加工的執行單元。完整體現在相互個體獨立運行的三個坐標軸中，x軸與y軸雙向運動可以在操作臺上得以實施，任而z向運動可以在主軸上得以實施。銑床結構和傳動機構限制對各軸運動行程，加工工件最大尺寸也受到其相應的限制。

圖1 三數軸數控銑床運動和結構運行圖

二、建模工具的選擇及其分析

經前期調研及綜合分析，將采用OpenGL結合Pro/E軟件實現建模，以達到最終的開發目標，即實現相對完整真實的虛擬銑床模型。

(一)OpenGL開發工具應用

OpenGL作為簡單部件的三維模型環境下的開發應用工具，包含了實用glut(工具庫)、glu(實用庫) 與aux(輔助庫)三類數據函數庫用來實施圖形的簡單繪制功能。根據OpenGL函數的前綴名應該命名為glut，是在實用函數庫總體有43個之多的函數。 其中OpenGL輔助庫得到可以運用的函數共有31個之多，aux是輔助庫函數名的前綴。以上一系列函數可以通過輸出輸入處理、窗口管理和繪制某些抽象簡便的三維物體。在很多實際運用的數據庫中含有30多個數據庫函數，其中數據函數名的前綴一般是glut。采用對OpenGL函數封裝用來提出采用核心數據庫的函數，得到方便glut中的復雜特殊的編程工作，可以讓開發人員得到一系列比較方便通用的用法，可實現一些比較復雜的操作，如紋理貼圖輔助功能、坐標軸互換和投影方向變換、計算投影矩陣、繪制二次曲面工具等等。

(二)Pro/E軟件應用

采用Pro/E軟件進行復雜模型的建立，就能達到模型特性的相關數據文件，例如模型幾何參數之間的信息、材質特性信息、法向量相關信息有比較好的封裝結果，其可視結構清晰，可讀性強。在類是Pro/E產生的數據模型應該可以經過數據系統應用文件數據格式互通軟件3D Exploration達到實施轉換輸出的目的。類是于比較簡便模型單元就能在OpenGL實施繪畫，因此在繁瑣部分(如恍刀)中互助數據建模就能經過Pro/E來達到目的。Wavefront GBl文件在通常只能定義建模對象中幾何參數與其余相關聯系，同時只能讓結構簡便通俗，非常適應3D文件數據格式互相轉換。3D Exploration與Pro/E都有*.obj格式的文件，可以作為結合點與相關點。

三、仿真平臺模型建立

(一)機床幾何模型的建立

數控銑床作為一般加工操作平臺，他的主體是比較復雜的，所以仿真系統之中把它簡明化為某些內在聯系的模塊，從而達到實施其基本幾何參數數據形式的模型建立。他的建模過程簡化的來說一個為經過比較完美的對應子模塊的建模基礎上的，根據他的邏輯前后次序把每一個模塊單元操作過程有序裝配在一起，最終成為完整無缺的模型。因此對這種簡單扼要的裝配體模型的建造，因此在關鍵部分搞清楚每一個零部件相互的每一個層級關系與在裝配上的前后次序等目標。他的互相制約條件就程序了裝配體之間的每一個內部中每一個子部件相互相對的位移與方位關系，他的運動模型在同一時刻也受到限制。

在仿真建模中需要體現出機床主要零部件之間幾何關系，同時需要相應的層次之間關系特征表現出來。其中數控銑床中間的主體部分包含有機床的床體、側立柱、主軸承裝備控制箱、電子電器系統控制部件、加工操作臺及進給機構、主軸等一系列主要機構部件。其中床體是機床的基礎，其余一些列的模塊應是建構在此系列基礎之上的。其中機床在z軸方向運行支撐與運動軌跡是通過立柱來提供，電器控制系統也安裝在立柱主軸箱內，主軸的電機動力傳遞給機床的z軸部分。x、y軸應當建立在操作臺之上，經過其這兩軸來實施x、y雙方向之間的運動軌跡和加工傳動。在操作臺上的x軸做同向運動的時候，y軸方向保持不變(y向不受影響)，也有的時候在y軸方向運行時，因此x軸方向同時在隨y軸方向運行，兩者體現出疊加前后關聯。

OpenGL中間具有3類繪制圖形的庫函數，其中體現出規范模塊的建模數據函數，把其中適應基礎的主體機構函數建模。用戶在操作時只需要在相應窗口輸入數值，系統會把數值代入到封裝好的關系函數中。為了更加的直觀，特別是以輔助數據庫來構造矩形實體模塊來說明，特別是用函數auxSolidBox (GLdouble width、height、depth)來實施OpenGL輔助數據庫里面的此功能。其中矩形模塊的深度(z軸)、高度(y軸)、長度(x軸)的取值可以分開特此定向了函數的三個軸方向的參數值，依據每個用戶所設定的參數值來監控生成模型的大小。依據每一個模型設定位置的原理，對參與儲存的多個模型，同時也配合關系的需求時，應該要明確兩個模型的相互對應位置，事實上卻是需要明確二者之間模型建立過程中的中心的各軸間距。根據建立模型的中間的軸線間距參考值，將以下每一個模型的間距位移變動設定唯一參數值，并可以使該模型的建立軸中間位移至符合需要的位置實施模型的繪制編譯，得以兩模塊的位置關系。特別是矩形每一個單元在建立模型時，通常采用其模型的中心軸來明確其對應原點來定其范圍，例如在對模型達不到進行位置操作與附視角位移的波動，特別是中間的尺寸將遵守場所位置的設定，模型建立同時會顯示在每一個場所中間。相對在差異形狀模型互相的參與對應，同時可以使其之間間距位移約束來取得相對的位移參數，在特殊需求時，還必須滿足對模擬的模型進行相應的位置交換，得以達到實現整體模型的建立。其中兩個矩形模塊互相的配合從動關系以圖2模型得到了非常好的表現，依次類似，不同形狀的模塊所建立的模型中心也會不同。例如球體位于球心位置，而圓錐體位于下平面的中心位置。

圖2 一般矩形單元建模直角坐標關系圖[5]

經過對在銑床主體結構之間結構關系的研究，知道在運用OpenGL 模型繪制圖形的過程與堆校操作的函數值，經過建立之間相應的加工仿真模型操作臺——數控銑床的模型展開圖，如圖3所示。在建立模型時只需要建立起相互之間的結構關系、運動關系、各系統控制件之間的內部聯系，其他可以做簡化處理。

圖3 機床主體模型

(二)毛坯模型的建立

在三坐標數控銑削加工過程中，一般存在著以下幾種特點：一是僅對毛坯的上表面進行加工；二是刀具的軸線Z 與毛坯的上表面只有一個交點;三是加工零件上表面所有的點，均是由加工過程中毛坯表面上不同高度的點對應的數值來表達的外在形狀；四是對于三坐標的數控加工機床而言，僅有Z 方向的工件尺寸數值跟隨刀具走過工件上表面而做相應的變化。結合以上四方面的特點來建立合理的毛坯模型。建立毛坯模型時重點毛坯的上表面。設想用網格劃分毛坯上表面，用離散的均勻點陣來表達，點陣中每個點的X、Y方向按等距排列， Z方向由曲面的變化情況來定。點陣在X、Y方向的增量由加工精度來定。將點陣中的各點依次連接，形成三角面片，全部的三角面片連在一起就成了毛坯模型表面。上述的結構模型可采用把工件劃分為細小的立方體體素,立方體的長寬相等，而每個小長方體的高度，實質就是工件的Z坐標值，高度的集合就是工件的上表面。所有的立方體集合用空間陣列方式來表示就成為實體。刀具切削工件的過程，實際上則是各個長方體上的高度Z在發生相應的變化的過程。

建立毛坯是通過Z-map結構來實現的。Z-map結構建立毛坯不僅方法簡單，占用的存儲空間小，而且可以很好地滿足數控仿真加工的要求。但是Z-map結構在系統中生成的毛坯并非真實的實體模型，而是由五個片體組成的空心殼體(底面不用顯示)。如圖4所示，為Z-map結構方法基本原理圖。

圖4 Z-map結構方法基本原理圖 [5]

(三)建立模型及加工刀具選擇

切削加工的實質是刀具沿著規定的軌跡運動對坯料實施切削的過程。刀具是數控銑削加工不可或缺的工藝裝備。刀具類型和尺寸的選擇要考慮被加工材料的尺寸、機械加工性能等。建模選用Pro/E設計軟件來輔助進行。在實際加工中，平面的銑削一般采用立銑刀，曲面零件的粗加工帶圓角的立銑刀，對于曲面零件的精加工采用球刀。從技術層面來看，球頭銑刀，如圖5所示。在曲面的數控加工理論中有比較成熟的應用。對于自由曲面的銑削過程中，為了保證加工質量，減少接刀痕，切削的行距應該選取得密些，球頭加工效率不高，但其加工表面的精度是比較高的。因此，一般會用在曲面的精加工上。對于復雜曲面的數控加工刀路越多，加工時間也越長。球頭銑刀作為仿真加工刀具，它的球頭切削刃參數化設計比較復雜，由許多個參數來共同控制完成。對于在仿真系統中，建立起與球頭銑刀實物形狀一致的模型是仿真的重要組成部分，如圖7所示。

圖5 球頭銑刀實物

圖6 球頭銑刀模型

球頭銑刀的結構特征和尺寸特征在利用Pro/E進行建模時，必須體現出來，具體要求如下:

(1)結構方面的特征：刀刃形狀，前刀面、后刀面，刀具幾何角度、排屑槽等；

(2)尺寸特征：刀具直徑、切削刃長度、刀桿長度、切削刃深度等。

銑刀模型設計的結果是要通過OpenGL運行環境下顯示出來的，其相關過程如圖6所示。

圖7 文件輸出精度設置

利用Pro/E繪制的模型輸出文件的格式可以為*.obj，為了使繪制的銑刀模型與軟件的系統相適應，需要按照系統要求對其進行格式轉換。模型在導入軟件時需要有一個基準，該基準與后續模型輸出時的模型坐標系最好保持一致，因此基準的一般選當前坐標系位置或典型的面，以便模型坐標對比系統的設計。此軟件具有面片劃分功能，在模型文件輸出前系統還要對精度控制的相關參數進行比對，使模型表面輸出的數據點具有一定的精度，如圖7所示。*.obj文件包含的幾何模型等信息不能直接被系統識別，需要通過3D軟件進行格式的轉換，最終以*.cpp的文件形式輸出。模型坐標的設置模式有兩種：一是根據模型幾何相關信息數據的實際輸出*.obj文件坐標系。二是將各幾何模型的坐標值以網格方式進行處理，坐標數值用0至1的數字表示。在輸出的時候，銑刀模型則以幾何模型的形式呈現，如圖8所示。這樣，模型曲面是由一定數量的點、線群為骨架，由三角面片連接骨架構成的表面結構。文件在輸出時還將會保存其模型的材質，以及表面法向量的信息。

圖8 模型輸出狀態圖

基于3D Exploration生成的文件給用戶提供的是一個函數信息列表，在函數列表中給軟件提供模型生成有關的幾何信息、材質、坐標位置等，模型就可以生成，可以達到模擬仿真的通用效能。至于模型的信息，系統在生成文件時對其進行了封裝。生成的*.cpp文件模型作為一個模塊在系統中會有單獨的區域進行存儲，系統工程可以根據需要隨時調用。系統還可以根據實際需要對模型的比例、顯示方位等做出適當的調節，以便于輸出的模型能更大程度的滿足用戶需求。在渲染函數中調用顯示的列表便可在系統的視圖窗口中顯示模型。

四、小結

根據通用數控銑床的基本特點，選用OpenGL和Pro/E建模軟件作為三維環境開發工具，根據系統開發環境和建模工具特點，實現單元建模的有效綜合，完成數控銑床仿真模型的建立。