车床虚拟加工系统实现方法研究
引言虚拟制造(Virtual Manufacturing VM)技术是虚拟
显示技术与计算机仿真技术在制造领域的综合发展和
应用。VM 的实质是“计算中的制造”，即在计算机中
借助建模与仿真技术及时地完成制造全过程的模拟和
示范，并预测评价产品性能和产品的可制造性。数控
(NC)车削程序的编制过程与工艺过程相似，都具有经
验性和动态性，在程序编制过程中经常发生错误。为
此，在数控机床上加工零件之前一般要进行数控程序
(NC 代码)校验，并进行首件试切。但这种传统的试切
方法来检验刀具路径既费时又费力。随着数控编程技
术的发展，人们采用视觉检查 NC 刀具轨迹的二维线
框图，这种方法主要依赖于程序员对易错区选择的判
断和对该区域复杂的刀具轨迹线框图的理解程度，一
般的用户无法判断其正确性。通过数控加工三维几何
仿真能够使 NC 编程人员和机床操作者通过图形显示
进行干涉和碰撞检查，校验数控程序，故可以大大减
少上述情况的发生，提高数控编程效率和质量。
１ 系统总体结构
由于OpenGL适用于多种硬件平台及操作系统，其
图形库能够制作出高质量的三维图形和高质量的动画
效果。因而整个虚拟加工的３Ｄ显示引擎选用ＯｐｅｎＧＬ来
实现。考虑到Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋功能强大，开发出的系统执
行效率高，且便于控制ＯｐｅｎＧＬ，因而选用Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋
作为整个虚拟加工系统的开发工具。通过对数控车床
及其加工过程进行仿真，动态显示产品加工过程和结
果，以实现产品零件的虚拟加工，并验证ＮＣ程序的正
确性。
图１为系统的设计流程图。
２ 系统功能实现
２．１ ＮＣ程序编译
由于虚拟加工系统主要用于工业培训及ＮＣ代码的
正确性检查，故要求系统能够在加工之前通知操作人
员ＮＣ程序中是否存在语法错误，上下程序段间的逻辑
关系是否正确等，故选用编译方式而不是解释方式来
对NC程序进行编码。根据编译原理的思想,构造出
NC程序编译模块，对NC程序进行语法和词法检查。
比如检查地址符字母是否大写，上下程序段之间的逻
辑关系是否正确，圆弧的终点、圆心、半径值等是否
匹配，子程序调用时子程序号是否正确，程序开始字
符，程序号，程序主体，程序结束代码和程序结束字
符等是否完整等等。通过词法和语法检查指出错误发
生的位置，给出错误的原因。使得虚拟加工系统能够
辅助用户学习NC程序的编制。
２．２虚拟车床本体的搭建
在数控加工几何仿真系统中，首先要建立虚拟加
工环境，实现虚拟数控机床。由于机床是由许多零部
件组成，结构较为复杂，用OpenGL函数进行造型工作
量太大，故先在ＣＡＤ软件Ｐｒｏ／Ｅ中造型出数控机床各个
零部件，将其导出成标准的三维数据格式ＳＴＬ，在程序
中直接读取ＳＴＬ文件，并将其装配起来。在绘制机床时
利用了ＯｐｅｎＧＬ显示列表技术，将每个零部件都生成一
个ＯｐｅｎＧＬ的显示列表，这样可以大幅度提高重绘效率，
满足实时绘制的要求。图２为虚拟车床的效果图。
２．３ 数控加工过程仿真实现
数控车床的毛坯常用棒料或铸锻件，加工余量较
大，但加工的零件形状较为简单，一般都是回转体零
件。为了避免材料切除过程中毛坯与刀具运动形成扫
掠体之间耗时的布尔运算，将毛坯沿 Z 向进行离散，
将毛坯离散成单位高度的小圆柱，每个小圆柱称为一
个薄片，每个薄片的厚度根据精度和显示效果的要求
来确定，精度越高，切的越薄。每个薄片的数据结构
如下:
struct PieceCylinder
{
double m_dZSt;///////起始 Z 坐标
double m_dZEd;//////结束 Z 坐标
double m_dROutSt;////外圆起点半径值
double m_dROutEd;///外圆终点半径值
double m_dInSt;///内圆起点半径值
double m_dInEd;////内圆终点半径值
BOOL m_bIsDelete;//////该部分薄片是否被切除
PiesCylinder* m_pNext;/////下一个薄片数据
};
由于车削加工的回转体常常有内孔，车削时也可
能进行镗孔和钻孔操作，因而每个薄片不但要记录所
在位置的外圆半径，还要记录内孔的半径。为了光滑
的显示加工的复杂回转面，如圆弧面、双曲面等，每
个薄片在 Z 轴方向分为起点和终点。其起点和终点处
外圆、内孔的半径根据加工中的刀路轨迹单独计算和
存储。
在车削加工过程中，一方面工件绕其自身的回转
轴高速旋转，另一方面刀具在工件的轴平面内沿 X 轴、
Z 轴运动，并逐渐从工件上切除多元的材料，加工出
所需的外形，每一步刀具所扫掠出的均是一个多边形。
根据每一步的插补指令，求解出该步刀具所扫掠出的
多边形。将刀具扫掠出的多边形和离散后的工件模型
求交，并相应修改工件上所有和刀具扫掠多边形相交
部分的半径值。将修改半径后的工件重新绘制出来，
即可完成仿真过程的实时绘制。
３ 运行实例
为了验证系统的仿真效果，进行了两个加工实例
研究。由于固定循环的实现比较有代表性，故这里选
用固定循环来进行研究。程序O1234是G71外圆粗车固
定循环里面包含G70的精车循环，程序O1235是G72端
面车削固定循环，图3为G71精车后的效果图。图4为
G72粗车过程中截图。
O1234
S1200M3
T0101
G50X100Z50
G0X80Z5
G71U3R0.2
G71P00Q60U0.2W0.1F200
N00G0X6Z1
N10G1X10Z-3
N20G1W-15
N30G2U30W-15R15
N40G1W-30
N50G3U30W-15R15
N50G1U10W-10
N60G1W-70
N70G0X100Z50
G0X30Z5
G70P10Q60
G0X120Z20
M30
O1235;G72横向切削复合循环
S1200M3
T0101
G50X50Z50
G0X32Z5
G72U2R0.2
G72P10Q50U0.2W0.1F200;呼叫子程序
N10G0X80Z-80
N20G1X60Z-70F100
N30W8
N40G3X30W15R15
N50G1X18Z2
N60G0X100Z50
G0X30Z5
G70P10Q50
G0X100Z50
M30
４ 结论
详细介绍了车床虚拟加工系统的一种实现方法，
并采用这种方法实现了车床虚拟加工系统。该虚拟加
工系统可广泛应用于真实加工前进行仿真试切，在工
业培训、数控教学等行业中，具有广泛的应用前景。
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