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摘要：本文基于对虚拟数控加工过程及相关技术的深入研究，在Visual C ++平台上利用OpenGL技术建立虚拟数控铣削加工环境，在系统中应用模块化思想建立了系统的总体结构，详细设计了系统中各功能模块，并对系统的主要实现算法和仿真过程实现等关键技术进行了具体描述。所构建的仿真系统适用于职业教育教学与培训，实践中取得了良好的效果。
关键词：虚拟数控铣床；建模；仿真
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2012） 23-0000-04
职业教育以岗位需求和职业能力为本位，突出实践技能的训练。目前很多学校都投入购置了数控设备，虽然数控机床的数量增加了很多，但仍不能满足实训教学的需要；学生从理论学习转入实际操作缺少中间过渡环节，实训的危险性增加；实训教师在现场指导多名学生同时操作时，环境嘈杂，且很多学生围着一台机床，教学效果不好；数控机床结构复杂紧凑，学生在学习过程中观察了解机床的工作状态和工作原理及机床的机构时，观察角度受到限制等等。而计算机仿真系统将抽象的知识直观化，实习现场情景化，有效解决了以上难题，目前已出现了一些相关研究，但面向职业教育的、高交互的数控仿真实训软件目前还很少见到，开展该领域的研究有着较大的研究和应用价值。
虚拟数控技术是以计算机仿真和数控加工技术为基础，集计算机图形学、人工智能、并行工程、网络技术、多媒体技术和虚拟现实等技术为一体，在虚拟的条件下，对数控设备的工作过程和环境进行全面的仿真。系统以实际的数控铣床及其工作过程为研究对象，以Visual C++6.0作为系统开发的软件平台，采用OpenGL技术，在Windows XP操作系统下，在构建了一套场景化高交互的数控铣床仿真实训系统基础上，重点讨论了其构建方法、实现过程及相关技术。
1 虚拟数控铣削加工系统总体设计
1.1 总体设计思想
本虚拟数控铣削系统由两大部分构成，即虚拟加工环境和虚拟加工过程。虚拟加工环境由铣床、工件、刀具和夹具构成，采用比较底层的OpenGL技术进行特征造型实现；虚拟加工过程包括数控程序译码、三维动画仿真、碰撞干涉检查、加工精度仿真四个模块。仿真过程对数控程序进行翻译，产生刀具位置数据，并以此驱动机床运动部件和刀架运动刀具对工件进行虚拟切削，同时检查是否有碰撞、干涉。数控程序译码模块负责把手工输入或通过文件导入的NC代码翻译成数控机床的执行动作。三维动画仿真模块主要完成加工过程中的动画，使加工过程的仿真与实际加工更相似。碰撞干涉检查是虚拟数控技术的最主要功能之一，完成加工工程碰撞干涉检查，检查NC代码的正确性。加工精度仿真则是进行加工过程中的精度分析，完成虚拟加工中比较高级的功能。
系统采用了模块化的设计思想，把数控铣床的仿真过程分成各个功能相对比较独立的子模块，通过先单独完成各个子模块设计和功能，最后把各个子模块连接起来组成一个完整的数控车削仿真系统。如图1所示。
1.2 仿真环境模型的建立
我们所要建立的虚拟数控铣削加工系统的目标是：在一个统一的仿真界面中实现三维场景的布置、加工过程的动态仿真及控制，同时能够显示仿真过程中的一些加工信息。本系统的虚拟操作面板是模仿实际的数控系统Siemens802D的操作面板制作的，虚拟面板上实现了回原点、手动、点动、自动、单段和MDA等主要功能按钮的功能，系统设置了刀具库，可以修改、删除、添加刀具，还能够根据加工需要自定义刀具。系统能够根据菜单操作来实现视图的转换，工件尺寸测量和DNC传送功能。系统还根据中职学生的学习特点增设了切削深度设置和仿真速度设置两个菜单。
本仿真系统界面如图2所示。
机床模型的建立首先要根据系统设计要求进行功能抽象，合理创建功能模块。其次是根据设计要求合理选择一组模块，产生机床拼装方案。本文考虑三轴数控铣床的运动关系，抽象出机床主轴、床身、X向工作台、Y向工作台、Z向工作台，而与仿真无关的部件如液压、照明等装置则不予考虑，简化了仿真模型，如图3 所示本系统所建立的数控铣床几何模型，主轴可以旋转，工作台之间可以相互运动，还提供多方位角度观察机床工作过程。
2 系统关键技术实现方法
2.1 三维几何模型的构建
建模技术是将现实世界中的物体及其属性转化为计算机内部数字化表达的原理和方法。虚拟数控铣削加工系统中的核心问题是加工过程中的图形模拟加工过程以及加工后零件的检验效果，几何建模是建立仿真系统的中心工作，选取的几何模型是否恰当对整个系统工程的效率和性能起着决定性的作用。
数控加工仿真中，建模主要集中在三个部分，即毛坯体建模、工件体建模和刀具体建模。其中毛坯体是加工对象，工件是加工目标，刀具是加工工具。
加工仿真就是模拟实际过程中刀具体沿着刀具轨迹切削运动的过程，计算刀具运动产生的包络体与毛坯体的布尔差，从而实现切削过程的仿真模拟。在这个过程中随着毛坯体不断被切削，不断接近工件体，完成加工任务。加工仿真的的几何建模包括了定性的图形显示与定量的数据测量两个方面，按几何模型的复杂程度可分为线框模型、表面模型、实体模型、基于图像空间模型和离散矢量模型。本仿真系统中毛坯体模型的获取及构造步骤如下：
（1）定义毛坯。毛坯可以由用户定义或者由文件读取获得。用户自定义需由用户给出毛坯长宽高尺寸，同时指定中心点相对工作台中心的位置。文件读取由磁盘中读入已经构造好的毛坯体模型数据文件。毛坯安装界面如图4所示。
（2）网格离散点的确立。毛坯离散点构成了求交计算和仿真显示的主体。数控铣床三轴加工中的刀轴方向一般是平行于Z轴方向，对于毛坯求其在XOY平面投影的包围盒，然后根据加工仿真的精度要求定义离散精度，将包围盒按离散精度分割为均匀分布的网格点阵。 （3）非均匀离散网格点的确立。实际加工中对精度要求很高，如果单纯按照精度均匀划分网格，对计算量和内存的需求很大，因此通过添加非均匀离散网格点来提高优化模型对零件毛坯表达的真实性。基于以上建模思想，提出本系统毛坯体的数据结构如下：
其中的IndexTable结构是来记录非均匀网格点的与之对应Z_MAP点位置对应关系。具体的数据机构如下：
2.2 虚拟数控铣削求交算法的实现
在加工仿真过程中，刀具每走过一个刀位点，就会在空间形成一段刀具扫描体。相应的毛坯体就需要和刀具扫描体进行一定的几何求交运算，然后用所得的毛坯体数据代替原毛坯体数据，更新毛坯。而求交算法的速度对于仿真系统十分关键。本系统只进行2轴到3轴的实体切削，所以只需研究刀轴平行于Z轴刀具运动包络体与Z向矢量的求交算法，下面是本系统中球头刀所采用的求交算法：
2.3 数控系统代码分析编译
NC代码编译模块的功能是从NC代码中直接提取有关的加工指令和状态，以驱动加工模型实现加工动作，编译模块的工作原理如图 5所示。首先扫描NC代码检查存在的词法与语法错误，然后依次读入代码进行译码、计算刀具轨迹，作坐标变换和刀补计算，最后得到驱动加工中心各轴位移的数据、工步信息及有关状态信息，从而驱动加工过程仿真，Nc代码一般采用典型的上下文无关文法。
3 结束语
本文利用Visual C ++及OpenGL技术，构建了高交互性的数控生产实训平台，实现了虚拟数控铣床操作全过程仿真和加工运行的全环境仿真。并对开发过程所涉及到的设计原理、相关技术和方法进行了较为详细的讨沦，为操作复杂并具有高危险性的数控类虚拟仿真实训软件的研制进行了有益探索。所开发的软件仿真具有较强的交互性，方便了教师教学和学生学习，节约了耗材设备，降低了实训教学的不安全性，教学中应用效果良好，期望能进一步深入研究，以实现更加智能化的实训软件的构建。
参考文献：
[1]张滢，刘冀伟，杨者青.NC车削加工仿真体系结构研究及实例设计[J].制造技术与机床2004.10：18-20.
[2]崔蔚，徐铁钢，韩卫华.虚拟培训技术及其系统开发[J].成都信息工程学院学报，2003.18（4）：361-365.
[3]黄明吉.虚拟数控技术及应用[M].北京：化学工业出版社，2005，06.
[4]赵骥，朱名铨，罗琦.虚拟生产线框架及其系统开发[J].中国工程机械.2000，11（6）：671-674.
[5]傅建平，巫修海.虚拟制造技术及其应用研究.机床与液压，2004，6：6-8.
[6]王小彬，王太勇，李宏伟，汪文津，范胜波.虚拟制造中数控加工过程三维仿真技术的研究.机床与液压，2004，6：13-15.
[7]刘晓辉.面向虚拟制造的数控加工仿真系统关键技术研究.[哈尔滨工程大学硕士论文].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2004.
[8]Janness Slomp， Boppana .Chowdary， Nallan C .Suresh. Design of virtual manufacturing cell：amathematical programming approach. Robotics and Computer –Integrated Manufacturing.2005（7）：273-288
[9]S.K.Ong， M.A.Mannan. Virtual reality simulations and animations in a web-based interactive manufacturing engineering module. Computers&Education.2004（43）：361-382
[10]T.S.Mujber，T.Szecsi，M.S.J.Hashmi. Virtual reality applications in manufacturing process Simulation. Journal of Materials Processing Technology. 2004（155-156）：（1834-1838）
*本项目为基金项目：辽宁省职业教育信息化建设基金项目（LN01）
[作者简介]
周文，沈阳市装备制造工程学校，高级讲师。
关键词：虚拟数控铣床；建模；仿真
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2012） 23-0000-04
职业教育以岗位需求和职业能力为本位，突出实践技能的训练。目前很多学校都投入购置了数控设备，虽然数控机床的数量增加了很多，但仍不能满足实训教学的需要；学生从理论学习转入实际操作缺少中间过渡环节，实训的危险性增加；实训教师在现场指导多名学生同时操作时，环境嘈杂，且很多学生围着一台机床，教学效果不好；数控机床结构复杂紧凑，学生在学习过程中观察了解机床的工作状态和工作原理及机床的机构时，观察角度受到限制等等。而计算机仿真系统将抽象的知识直观化，实习现场情景化，有效解决了以上难题，目前已出现了一些相关研究，但面向职业教育的、高交互的数控仿真实训软件目前还很少见到，开展该领域的研究有着较大的研究和应用价值。
虚拟数控技术是以计算机仿真和数控加工技术为基础，集计算机图形学、人工智能、并行工程、网络技术、多媒体技术和虚拟现实等技术为一体，在虚拟的条件下，对数控设备的工作过程和环境进行全面的仿真。系统以实际的数控铣床及其工作过程为研究对象，以Visual C++6.0作为系统开发的软件平台，采用OpenGL技术，在Windows XP操作系统下，在构建了一套场景化高交互的数控铣床仿真实训系统基础上，重点讨论了其构建方法、实现过程及相关技术。
1 虚拟数控铣削加工系统总体设计
1.1 总体设计思想
本虚拟数控铣削系统由两大部分构成，即虚拟加工环境和虚拟加工过程。虚拟加工环境由铣床、工件、刀具和夹具构成，采用比较底层的OpenGL技术进行特征造型实现；虚拟加工过程包括数控程序译码、三维动画仿真、碰撞干涉检查、加工精度仿真四个模块。仿真过程对数控程序进行翻译，产生刀具位置数据，并以此驱动机床运动部件和刀架运动刀具对工件进行虚拟切削，同时检查是否有碰撞、干涉。数控程序译码模块负责把手工输入或通过文件导入的NC代码翻译成数控机床的执行动作。三维动画仿真模块主要完成加工过程中的动画，使加工过程的仿真与实际加工更相似。碰撞干涉检查是虚拟数控技术的最主要功能之一，完成加工工程碰撞干涉检查，检查NC代码的正确性。加工精度仿真则是进行加工过程中的精度分析，完成虚拟加工中比较高级的功能。
系统采用了模块化的设计思想，把数控铣床的仿真过程分成各个功能相对比较独立的子模块，通过先单独完成各个子模块设计和功能，最后把各个子模块连接起来组成一个完整的数控车削仿真系统。如图1所示。
1.2 仿真环境模型的建立
我们所要建立的虚拟数控铣削加工系统的目标是：在一个统一的仿真界面中实现三维场景的布置、加工过程的动态仿真及控制，同时能够显示仿真过程中的一些加工信息。本系统的虚拟操作面板是模仿实际的数控系统Siemens802D的操作面板制作的，虚拟面板上实现了回原点、手动、点动、自动、单段和MDA等主要功能按钮的功能，系统设置了刀具库，可以修改、删除、添加刀具，还能够根据加工需要自定义刀具。系统能够根据菜单操作来实现视图的转换，工件尺寸测量和DNC传送功能。系统还根据中职学生的学习特点增设了切削深度设置和仿真速度设置两个菜单。
本仿真系统界面如图2所示。
机床模型的建立首先要根据系统设计要求进行功能抽象，合理创建功能模块。其次是根据设计要求合理选择一组模块，产生机床拼装方案。本文考虑三轴数控铣床的运动关系，抽象出机床主轴、床身、X向工作台、Y向工作台、Z向工作台，而与仿真无关的部件如液压、照明等装置则不予考虑，简化了仿真模型，如图3 所示本系统所建立的数控铣床几何模型，主轴可以旋转，工作台之间可以相互运动，还提供多方位角度观察机床工作过程。
2 系统关键技术实现方法
2.1 三维几何模型的构建
建模技术是将现实世界中的物体及其属性转化为计算机内部数字化表达的原理和方法。虚拟数控铣削加工系统中的核心问题是加工过程中的图形模拟加工过程以及加工后零件的检验效果，几何建模是建立仿真系统的中心工作，选取的几何模型是否恰当对整个系统工程的效率和性能起着决定性的作用。
数控加工仿真中，建模主要集中在三个部分，即毛坯体建模、工件体建模和刀具体建模。其中毛坯体是加工对象，工件是加工目标，刀具是加工工具。
加工仿真就是模拟实际过程中刀具体沿着刀具轨迹切削运动的过程，计算刀具运动产生的包络体与毛坯体的布尔差，从而实现切削过程的仿真模拟。在这个过程中随着毛坯体不断被切削，不断接近工件体，完成加工任务。加工仿真的的几何建模包括了定性的图形显示与定量的数据测量两个方面，按几何模型的复杂程度可分为线框模型、表面模型、实体模型、基于图像空间模型和离散矢量模型。本仿真系统中毛坯体模型的获取及构造步骤如下：
（1）定义毛坯。毛坯可以由用户定义或者由文件读取获得。用户自定义需由用户给出毛坯长宽高尺寸，同时指定中心点相对工作台中心的位置。文件读取由磁盘中读入已经构造好的毛坯体模型数据文件。毛坯安装界面如图4所示。
（2）网格离散点的确立。毛坯离散点构成了求交计算和仿真显示的主体。数控铣床三轴加工中的刀轴方向一般是平行于Z轴方向，对于毛坯求其在XOY平面投影的包围盒，然后根据加工仿真的精度要求定义离散精度，将包围盒按离散精度分割为均匀分布的网格点阵。 （3）非均匀离散网格点的确立。实际加工中对精度要求很高，如果单纯按照精度均匀划分网格，对计算量和内存的需求很大，因此通过添加非均匀离散网格点来提高优化模型对零件毛坯表达的真实性。基于以上建模思想，提出本系统毛坯体的数据结构如下：
其中的IndexTable结构是来记录非均匀网格点的与之对应Z_MAP点位置对应关系。具体的数据机构如下：
2.2 虚拟数控铣削求交算法的实现
在加工仿真过程中，刀具每走过一个刀位点，就会在空间形成一段刀具扫描体。相应的毛坯体就需要和刀具扫描体进行一定的几何求交运算，然后用所得的毛坯体数据代替原毛坯体数据，更新毛坯。而求交算法的速度对于仿真系统十分关键。本系统只进行2轴到3轴的实体切削，所以只需研究刀轴平行于Z轴刀具运动包络体与Z向矢量的求交算法，下面是本系统中球头刀所采用的求交算法：
2.3 数控系统代码分析编译
NC代码编译模块的功能是从NC代码中直接提取有关的加工指令和状态，以驱动加工模型实现加工动作，编译模块的工作原理如图 5所示。首先扫描NC代码检查存在的词法与语法错误，然后依次读入代码进行译码、计算刀具轨迹，作坐标变换和刀补计算，最后得到驱动加工中心各轴位移的数据、工步信息及有关状态信息，从而驱动加工过程仿真，Nc代码一般采用典型的上下文无关文法。
3 结束语
本文利用Visual C ++及OpenGL技术，构建了高交互性的数控生产实训平台，实现了虚拟数控铣床操作全过程仿真和加工运行的全环境仿真。并对开发过程所涉及到的设计原理、相关技术和方法进行了较为详细的讨沦，为操作复杂并具有高危险性的数控类虚拟仿真实训软件的研制进行了有益探索。所开发的软件仿真具有较强的交互性，方便了教师教学和学生学习，节约了耗材设备，降低了实训教学的不安全性，教学中应用效果良好，期望能进一步深入研究，以实现更加智能化的实训软件的构建。
参考文献：
[1]张滢，刘冀伟，杨者青.NC车削加工仿真体系结构研究及实例设计[J].制造技术与机床2004.10：18-20.
[2]崔蔚，徐铁钢，韩卫华.虚拟培训技术及其系统开发[J].成都信息工程学院学报，2003.18（4）：361-365.
[3]黄明吉.虚拟数控技术及应用[M].北京：化学工业出版社，2005，06.
[4]赵骥，朱名铨，罗琦.虚拟生产线框架及其系统开发[J].中国工程机械.2000，11（6）：671-674.
[5]傅建平，巫修海.虚拟制造技术及其应用研究.机床与液压，2004，6：6-8.
[6]王小彬，王太勇，李宏伟，汪文津，范胜波.虚拟制造中数控加工过程三维仿真技术的研究.机床与液压，2004，6：13-15.
[7]刘晓辉.面向虚拟制造的数控加工仿真系统关键技术研究.[哈尔滨工程大学硕士论文].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2004.
[8]Janness Slomp， Boppana .Chowdary， Nallan C .Suresh. Design of virtual manufacturing cell：amathematical programming approach. Robotics and Computer –Integrated Manufacturing.2005（7）：273-288
[9]S.K.Ong， M.A.Mannan. Virtual reality simulations and animations in a web-based interactive manufacturing engineering module. Computers&Education.2004（43）：361-382
[10]T.S.Mujber，T.Szecsi，M.S.J.Hashmi. Virtual reality applications in manufacturing process Simulation. Journal of Materials Processing Technology. 2004（155-156）：（1834-1838）
*本项目为基金项目：辽宁省职业教育信息化建设基金项目（LN01）
[作者简介]
周文，沈阳市装备制造工程学校，高级讲师。