基于OpenGL车削仿真系统的开发与研究*

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(贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳 550025)

0 引言

随着数控车削加工技术的发展，数控自动编程技术初步解决了车削加工问题，为检查数控程序的NC代码正确性，传统方法采用的试切法，这种方法费工费料，甚至由于程序的错误而导致机床的损坏。后来采用轨迹显示方法，但这种方法仅限于平面，不能准确地仿真其实际情况[1]。为此，人们通过运用计算机仿真技术提前验证NC代码的准确性，从而提高了生产效率，节约成本，避免制造风险[2-3]。OpenGL是一个开放的三维图形程序接口、调用方便的底层图形库，它独立于窗口系统和操作系统，与硬件无关，以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植，或嵌入其他系统使用[4]。基于OpenGL的程序框架构造好后，用户只需要在对应的函数中添加程序代码即可，可扩展性好。针对上述问题，提出了OpenGL车削仿真运动系统，在Visual Studio 2015环境下实现车削加工去除材料的过程。

1 系统总体框架设计

该系统以VS 2015为开发平台，OpenGL为工具，根据数控车削加工的特点，可将软件功能分为加工仿真准备模块与加工仿真过程模块；其中加工仿真准备模块和加工仿真过程模块都包含3个子模块，如图1。

图1 加工仿真系统架构图

在加工仿真准备模块中包含：图形显示模块，以OpenGL为工具搭建仿真图形显示环境；NC代码模块，对NC代码进行解码；STL模型模块，将绘制的刀具以及机床模型的stl文件进行解码并显示。

在加工仿真过程模块中包含：工件运动模块，使工件自转，并使刀具和工件拥有独立的运动；刀具加工运动模块，刀具轨迹会依据NC代码进行刀具的运动；毛坯设计模块，基于几何仿真原理，随着刀具车削，毛坯逐渐成形。

2 加工仿真准备

要使仿真系统进行车削仿真需要前期准备，包含OpenGL环境搭建，NC代码解释，与stl模型的导入。

2.1 图形显示模块

OpenGL被定义为图形硬件的一种软件接口，是一个3D图形和模型库，具有高度的可移植性，并且具有非常快速度，独立于窗口系统和操作系统，与硬件无关，OpenGL是个状态机的概念，通过创建OpenGL的渲染设备rc，使得OpenGL具有这些状态功能，然而此时所有的状态仍是未知的，就需要依次进行设置[5]。

本文采用OpenGL固定管线技术完成模型的绘制，在固定管线中包含两个矩阵：projection和model view，其中包含三个坐标系：世界坐标系、视口坐标系、屏幕坐标系，要使图形显示，就需要对坐标系进行一系列的矩阵变化。首先在世界坐标系下绘制模型，通过模型视口矩阵(model view)对模型进行作用，从而转换到视口camera坐标系下，然后将模型再投影到视口camera的范围内，进而图形才会显示到屏幕上，投影视口的操作如同摄像机的原理，需要在摄像机拍摄范围内，镜头画面才有模型的显示。由于计算机屏幕上只能表现二维平面，要使得车削仿真系统显示三维图形，还需投影矩阵(projection)从三维物体转到二维平面图像间的变换，投影矩阵会把所有的3D信息投影到2D屏幕上，这样车削仿真系统中的车刀与毛坯等三维图形便可在屏幕中显示。

2.2 NC代码模块

NC代码是从零件图纸到制成控制介质的过程，NC代码的格式以首字母代表特定功能，N代表的是第几工步，G代码是在NC装置内部用来处理轴的移动、坐标系的设定等的功能，代码用G字母和2位数字表示；M代码的机床运行是由各开关的动作来控制的，控制主轴的旋转、停止、刀具的更换等，用M字母和2位数字来表示等。

本文采用NC代码实例：

N0010 G94 G90 G20

N0020 G50 X0.0 Z0.0

N0030 T00 H00 M06

N0040 G97 S443 M03

N0050 G94 G00 X30.Z10.

N0060 X28.

N0070 Z5.5

…

由于NC代码值是数控车削加工过程的驱动指示，在VS2015平台不能直接识别，因此需要将NC代码翻译成仿真系统所能识别的代码，先将NC代码全部存储到m_resource缓冲区中，针对NC代码的特点，仿真系统只需从中提取有关运动与状态信息作为刀具运动轨迹依据，而对于与运动轴相关代码等信息用词法检验即可，不需进行解读，然后将存储所需的NC代码按照首字母的特性进行匹配，以X字母为开头代码为例，通过if语句从m_resource缓冲区找到X首字母并开始读入后续数字，读到空格(‘/0’)的位置，将从X到’/0’之间所需的仿真信息按顺序封装到新的m_compete缓冲区。另外还需把所解码的仿真信息赋值给刀具移动变量，使得刀具运动依据NC代码的内容进行运动仿真。

实例代码：

for (it = m_resource.begin()； it

{

//X部分的信息提取

int n=(*it).Find(L"X")；

if(n>=0)//找到‘X’的字母

{

int m=(*it).Find(L""，n)；

if (m<0)

{

m=(*it).Find(L'/0'，n)；//读到这一横行代码的结尾

}

n=n+1；

CStringCoordinateX；

CoordinateX=(*it).Mid(n，m-n)；//用来提取G的信息

rX=_ttof(CoordinateG)；

coor.m_g=rG；

flag++；//标记

}

…

}

2.3 stl模型模块

stl模型文件是计算机图形学处理CG，数字几何处理的最常见文件格式，其文件格式简单，是由一系列三角面片构成，仅有顶点信息，并没有光照材质等渲染信息，所以在此系统中只需读取stl模型只需读取顶点数据等几何信息，不必考虑渲染等解码部分。

解码stl文件，需要了解stl文件的格式信息，其中stl文件包含两种格式：一种是ASCII格式，另一种是二进制格式。两者的区别在于存储方式的不同。根据不同的stl文件格式，相应解码也有所不同。本文采用ASCII格式，在ASCII格式下，文件每行都以关键字为开头，模型中每个三角面片的信息是以facet开头，进而逐行显示三角面片的几何信息，其中依次包含：facet normal，从三角面片指向模型外部的法矢量，outer loop以及随后的 vertex和endloop，集合表达了三角面片的顶点信息。其中vertex的三行数据是三角面片的3个顶点坐标信息，三个顶点跟该三角面片的法向量符合右手螺旋定则，outer loop和endloop仅是顶点数据开始与结束的标记，最后文件以endfacet结尾，完成一个三角面片定义[6]。

根据stl文件的ASCII格式特点，可有两种读取方法，一种是逐行进行读取，另一种是按三角面片个数逐个进行读取。由于前者逐行读取中，所读每一行都需要检查是否到了文件的endface结束语，影响效率，所以本文系统采用第二种方法：首先求出三角面片个数的总数，其中ASCII格式中每个三角面片所占的行数为七行，因此把行数读出来除以7所得的商就是三角面片的个数，然后通过for循环操作解析每个三角面片，并且OpenGL的接口实际上是一串float的数组，与stl文件相一致，所以这里面保存了verts顶点坐标信息，以及norms即法向量信息直接进行导入不需做数据结构调整，便可以解出模型。

参考代码：

for (int i=0；i

{

…

vnorms[count1]=vnorms[count1+3]=vnorms[count1+6]=atof(x)；

count1++；

vnorms[count1]=vnorms[count1+3]=vnorms[count1+6]=atof(y)；

count1++；

vnorms[count1]=vnorms[count1+3]=vnorms[count1+6]=atof(z)；

count1+=7；

…

}

3 加工仿真过程

通过仿真系统的前期准备，就可以实现车削加工仿真，由于数控加工的过程是数控机床在NC代码的驱动下带动刀具对使用夹具固定在工作台上的工件，进行切削加工的过程，针对其特点，在仿真系统中需要包含刀具运动，工件以及夹具自转，毛坯切除的功能[7]。

3.1 刀具运动模块

图2 车刀运动判别

车削的毛坯多为回转体棒料零件，并且刀具通常只是X、Z方向上的二维移动，因此仿真可根据存储到m_compete缓冲区中的关键运动代码，将刀具的起始点坐标设为原点坐标，并进行X方向和Z方向起始点和终点的距离的判断，如图2。以车刀从第n的位置车削第n-1的位置为例，如果起始点X的值大于终点X的值，则车刀先径向进给运动。然后通过Z值判别，起始点Z的值大于终点Y的值，则车刀再完成径向进给运动，通过刀具X和Z方向的运动，从而完成进刀运动；退刀反之。

具体的实现命令如：

//车刀径向进给运动

if(X

{

m_X=m_X-V；//车刀径向进给

m_Z=m_Z；//车刀轴向不变

velocityflag=1；//进给标记

}

3.2 工件运动模块

在仿真系统中，刀具运动的同时，工件与夹具也要进行自转运动，因为OpenGL是个状态机，旋转、移动、平移其运动操作都会影响视全局所有元素的状态，所以需要通过OpenGL中矩阵的压栈出栈的功能来实现刀具与工件之间的独立运动。

在OpenGL中所有的运动操作都是通过矩阵栈的栈顶来影响图形的状态。如图3，将开始状态定为状态1，在变换之前调用giPushMatrix()压栈，就会把当前状态1压入第二层，并且栈顶会有状态2，并且栈顶的矩阵状态2是第二层状态1的一份拷贝，所有的内容是相同的，此时所有的矩阵操作都是在状态2中完成，通过一系列的矩阵对所操作的图形有所改变，而且并不会影响全局元素的状态，变换之后，使用glPopMatrix出栈，将上面操作过的状态2去掉，之前的状态1又放到栈顶，恢复原来的状态。在本文中，通过压栈出栈操作进行刀具运动，从而在刀具的运动同时，不影响工件与夹具的自转运动状态。

工件以及夹具的运动主要用glRotatef(GLfloat angle， GLfloat x， GLfloat y， GLfloat z)函数进行自转，x、y、z表示旋转轴，angle代表旋转角度，在本文中旋转轴为z轴，旋转角度随时间而曾大，然后通过if判断要是转过一周，角度则从0°再开始继续增加，如此，工件与夹具便在加工仿真中一直自转而不受刀具移动的干扰。

图3 压栈出栈图

3.3 毛坯设计模块

由于OpenGL中没有实体建模的功能，所以本文毛坯的实体建模通过曲面绘制进行组合，gluCylinder圆柱面，和gluDisk圆盘面来实现毛坯的加工仿真。

图4 毛坯设计

为实现毛坯形状随切削加工的进行而发生形状实时改变，本文采用几何仿真，将毛坯形状根据离散法来满足仿真要求，即把毛坯的圆柱离散成同心、同底、同高但半径不同的圆柱体，车削毛坯时，圆柱的地面半径与最外侧的底面半径递增关系如图4所示。在加工部分，大圆柱以车刀加工终点位置作为起始点，随着车刀的轴向进给运动，大圆柱的高随之减小，小圆柱以车刀加工起始点位置作为起始点，并随着车刀轴向进给运动，小圆柱体高随之增大，效果可看成是从大圆柱剥离出小圆柱体，随着刀具的运动，大圆柱和小圆柱的半径发生实时改变，以第n次车刀车削为例，在第n次车刀进行车削时，大圆半径为第n-1次车削加工后小圆柱体半径；小圆半径为第n次车削加工时的小圆柱体半径，同时两圆柱面交际面用圆盘作底面，形成封闭图形，两个圆柱的高通过刀具的位置改变而发生变化，底面圆盘根据刀具的轴向进给运动而移动，便可实现其毛坯的加工仿真效果。

代码所示：

gluCylinder(quadratic，(*it_chip).RadiuolnStart，(*it_chip).RadiuolnStart，ld-jd，32，1)；//大圆柱

gluCylinder(quadratic，(*it_chip).RadiuoOutStart，(*it_chip).RadiuoOutStart，jd，32，1)；//小圆柱

glTranslatef(0，0，jd=pDoc->m_piseljd)；//移动刀具加工的两圆柱底面

gluDisk(quadratic，(*it_chip).RadiuolnStart，(*it_chip).RadiuoOutStart，32，1)；//形成加工时两圆柱底面

…

4 软件实现

在菜单项点击NC代码导入，选择所需的NC代码导入到系统中，再单击stl模型，分别将夹具模型与车刀模型添加到系统，最后选择仿真开始，便可实现车削运动仿真模拟，软件实现效果如图5。

图5 系统运行效果

5 结束语

针对数控车削的形状特点及传统落后的加工工艺，以Visual Studio 2015为开发平台，使用OpenGL 三维图形标准库，采用离散法实现毛坯切除，开发数控车削动态运动仿真系统，实现了虚拟车削加工过程的可视化，直观地显示了刀具路径、工件的转动、材料去除等过程。实验表明，仿真效果达到了预期要求，具有良好的实时性； 为车削加工提供了保障和可行性；以新的角度诠释了OpenGL环境的搭建，同时读取stl方法以及离散法毛坯去除对于同类虚拟仿真加工的扩展，具有一定的借鉴意义。

[1] 周静.数控仿真三维建模及实现[D].南京：南京理工大学，2005.

[2] TANG T D，BOHEZ E L J，KOOMSAP P.The sweep plane algorithm for global collision detection with workpiece geometry update for five-axis NC machining[J].Computer-Aided Design，2007，39(11)：1012-1024.

[3] 李春雷.虚拟数控车削加工误差建模技术研究[J].机械工程与自动化，2011(4)：35-36.

[4] CHEN M，GONG Y，ZHAN L，et al.Research on technology of three-dimension Roam based on OpenGL[C]// International Conference on Computer Application and System Modeling，2010，14：562-564.

[5] WANG Y，SUN L X，FAN J C.Application of OpenGL in NC turning simulation[J].Advanced Materials Research，2012，505：282-286.

[6] 严梽铭，钟艳如.基于VC++和OpenGL的STL文件读取显示[J].计算机系统应用，2009(3)：172-175

[7] 董大勇.虚拟制造中的数控铣削仿真加工技术[J].金属加工(冷加工)，2015(15)：58-59.

[8] 牛书涛，库祥臣.基于Visual C++与OpenGL的数控车削加工仿真系统研究[J].机电一体化，2012，18(3)：35-39.