1 引言
數(shù)控加工過程隱含在數(shù)控程序中，數(shù)控程序中的錯誤不容易發(fā)現(xiàn)，目前常采用計算機圖形模擬刀具軌跡顯示法和機床試切法對數(shù)控程序進行校驗，但兩者都有缺點。計算機圖形模擬刀具軌跡顯示法缺少真實感，刀具與工件的干涉和過切難以發(fā)現(xiàn)；試切法成本高，周期長。 虛擬加工技術(shù)是指數(shù)控機床在虛擬環(huán)境中的映射，它集制造技術(shù)、機床數(shù)控理論、計算機輔助設計（cad）、計算機輔助制造（cam）和建模與仿真技術(shù)于一體。人能夠憑直覺感知計算機產(chǎn)生的三維仿真模型的虛擬環(huán)境，在設計新的方案或更改方案時，就能夠在真實制造運行之前進行數(shù)控機床的虛擬設計，在虛擬環(huán)境中進行零件的數(shù)控加工，并對數(shù)控程序加以檢驗，檢查數(shù)控加工過程中可能出現(xiàn)的碰撞、干涉危險，分析零件的可加工性和工序的合理性。虛擬加工技術(shù)的采用可縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在國內(nèi)虛擬機床技術(shù)研究的基礎上，筆者對數(shù)控加工過程的可視化進行了研究，總結(jié)出一套虛擬加工技術(shù)的初步實施方案。本系統(tǒng)以windows98為開發(fā)平臺，采用visual c++軟件及三維圖形軟件標準接口opengl為工具，初步設計了整個虛擬加工的過程。我們所設計的系統(tǒng)采用特征造型方式，即用零件、刀具和夾具產(chǎn)品模型來構(gòu)造加工過程，將加工過程視為一個四維時空，即空間三維和時間維。 系統(tǒng)主要由以下幾個模塊組成（見圖1）： 虛擬加工環(huán)境：虛擬加工環(huán)境由機床、工件、刀具和夾具構(gòu)成，采用opengl和autocad對機床、夾具、刀具和工件進行特征造型。 虛擬加工過程：此模塊包括數(shù)控程序譯碼、三維動畫仿真、碰撞干涉檢查、加工精度分析、加工工時統(tǒng)計分析五個模塊。數(shù)控加工過程仿真包括幾何仿真和物理仿真兩個部分。幾何仿真將刀具與零件視為剛體，不考慮切削參數(shù)、切削力及其它因素對切削加工的影響，只是對數(shù)控程序進行翻譯，產(chǎn)生刀具位置數(shù)據(jù)，并以此數(shù)據(jù)驅(qū)動機床運動部件和刀架運動，刀具對工件進行虛擬切削，同時檢查是否有碰撞、干涉。物理仿真包括加工精度分析，切削過程的熱變形，切削力作用下的系統(tǒng)彈性變形、夾緊變形，以及機床的動態(tài)、靜態(tài)分析等。 3 系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)控加工過程仿真包括加工環(huán)境數(shù)據(jù)描述、圖形消隱和動畫顯示等各個部分。下面將對幾個主要部分的實現(xiàn)進行討論。 加工環(huán)境的數(shù)據(jù)描述 雙刀架數(shù)控車床實現(xiàn)多刀同時進行加工，加工環(huán)境復雜，這要求有功能強、效率高的圖形工具對其進行描述。opengl在三維真實感圖形制作中的性能，使它已成為新一代工業(yè)標準的三維計算機圖形軟件接口。利用它可以方便地對加工環(huán)境進行描述。
opengl的圖形庫除了提供基本的幾何要素（點、線、多邊形、圖象、位圖）的繪制函數(shù)外，也提供了繪制復雜的三維物體（如球、錐、多面體）以及復雜曲線曲面（如bezier,nurbs）繪制函數(shù)，在此基礎上設計者可以建立起復雜的三維模型，并可以設置光照模型及材質(zhì)屬性以生成更逼真的圖象。對于加工環(huán)境中較復雜的三維圖形部分，則采用autocad，再通過相關(guān)軟件將其轉(zhuǎn)換為opengl的數(shù)據(jù)格式。 opengl的顯示列表是一個非常有用的工具，它是一系列可反復執(zhí)行的命令的高速緩存。這些opengl命令對所有命令的執(zhí)行只存儲其zui終結(jié)果，因此可以避免在繪圖過程中因反復執(zhí)行相同命令而浪費大量時間。opengl用如下語句將省略號替代的部分定義為一個顯示列表： glnewlist （listindex,mode）:......glendlist（）; 例如對數(shù)控機床的四方刀架（見圖2），若在計算機中畫幾把相同的刀具，由于每繪制一把刀具都需要大量的計算而浪費時間。如使用顯示列表，opengl只需繪制一把刀具，就會繪制其他主體結(jié)構(gòu)相似的刀具，因而節(jié)省了時間。 圖形消隱 圖形消隱的目的是找出并消除要顯示的物體中不可見的部分，以增強圖形的真實性。opengl本身提供了這一功能，即通過深度檢驗。屏幕上每個像素的深度，即觀察點與像素的距離保存在深度緩沖區(qū)（z-buffer）中，可根據(jù)像素與觀察點的距離，用較近的像素覆蓋較遠的像素，達到曲面消隱的目的。現(xiàn)在很多微機用戶添裝了opengl圖形加速卡，極大的提高了消隱的能力。 動畫的實現(xiàn) 電腦動畫的生成通常有兩種生成方式，一種是逐幀動畫，另一種是實時動畫。逐幀動畫就是當計算機每生成一幅畫面，就及時地將它記錄下來，zui后再將所有畫面連續(xù)地插放出來，它的優(yōu)點是顯示速度較快，但不能根據(jù)用戶的要求交互改變，應用范圍比較小。實時動畫是一邊計算一邊在計算機終端上直接產(chǎn)生動畫，優(yōu)點是交互能力強，可以根據(jù)用戶的要求實時改變畫面，但對計算機的圖形處理能力提出了更高的要求。根據(jù)以上的分析，結(jié)合所做課題交互性的要求，我們采用實時動畫方式。opengl中實現(xiàn)動畫是用雙緩存區(qū)實現(xiàn)的，即前臺顯示緩沖區(qū)和后臺顯示緩沖區(qū)。當后臺緩沖區(qū)執(zhí)行當前的繪制命令時，在前臺顯示緩沖區(qū)中進行圖形顯示，這樣就增強了雙刀架數(shù)控車床加工過程三維動畫顯示的連續(xù)性和運動感。
圖2 虛擬數(shù)控加工過程仿真
圖2所示是一個雙刀架數(shù)控加工過程仿真，由圖可清楚看到金屬光滑表面在加工過程中所形成的高光帶，光源所形成場景中的各個物體的陰影及物體表面每個像素的亮度值都單獨計算所形成的層次感，使仿真程度更加逼真。 4 系統(tǒng)的特點 易移植性：本系統(tǒng)雖然是在windows98平臺上開發(fā)的，但采用opengl生成圖形，它獨立于窗口系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)，因此十分方便的在各種平臺間移值。 自定義性：由于本系統(tǒng)采用交互式設計，允許用戶按自己特定的要求選擇或修改加工環(huán)境結(jié)構(gòu)，因此極大限度的滿足用戶的需求。 真實性：由于采用實體造型，結(jié)合光照、紋理、顏色等一系列特殊處理，使得仿真加工環(huán)境更接近真實。 易開發(fā)性：opengl的使用，使系統(tǒng)圖形的編程量減少，無須掌握大量的圖形學知識，而可以集中精力掌握困難的算法問題。 5 總結(jié)雙刀架數(shù)控車床，由于采用多刀加工，加工過程復雜，此仿真系統(tǒng)的開發(fā)具有實用價值，不僅可以提高生產(chǎn)效率，也為虛擬數(shù)控機床技術(shù)的應用和發(fā)展起著推動作用。