CN103543694A - 一种基于嵌入式智能终端的数控车削加工仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种基于嵌入式智能终端的数控车削加工仿真方法，基于三角网格离散法对毛坯棒料进行建模时，采用顶点平移算法计算出毛坯三角网格模型所有离散顶点坐标，大大提高系统运算速度；在车削仿真过程中，对于圆弧插补运算，通过在相邻两插补点之间再做一次插补运算，由中间插补点计算下一插补点，保证加工仿真效率的同时，大大减小了插补点的径向误差，从而提高仿真精度。

Description

一种基于嵌入式智能终端的数控车削加工仿真方法

技术领域

本发明涉及一种数控车床加工仿真方法，具体是指一种基于嵌入式智能终端的数控车削加工仿真方法。

背景技术

数控车床加工仿真，是指基于计算机图形学的基本原理，应用真实感图形，对数控车削加工过程运用动画技术进行动态模拟，验证数控程序的正确性。

数控加工仿真需要解决的技术问题主要有毛坯模型的建立、数控程序的解释译码，三维动态加工仿真。毛坯建模方法的好坏以及数控程序解释译码的运算效率直接影响三维动态加工模块的效果和精度。

就数控加工仿真技术来看，其研究取得一系列的成果。邬再新等采用细分薄片法对毛坯进行建模，利用单位厚度小圆柱体组合成整个毛坯体，并且采用逐点比较法来进行圆弧插补，从而实现车床加工仿真的实现。刘艳香采用扩展的Z-map结构来表示工件实体，避免了加工过程中刀具与毛坯的复杂布尔运算，从而提高仿真效率。张天其等针对车床加工仿真建模时首先将毛坯外表面离散成均匀的离散点，然后以圆心为公共顶点，与离散点组成三角网格，最终得到三角网格模型的毛坯。Dani Tost提出用有限元网格模型表示工件和刀具模型，结合布尔运算进行3D切削仿真。Seung Ryol Maeng提出利用Z-map模型来表示刀具加工毛坯的表面，通过直接计算刀具与毛坯的交点来快速计算刀具的直线和圆弧运动，从而提高效率和可靠性。在插补运算方面，有研究者提出在两个相邻插补点中点再做一次插补，改进后的算法产生的径向误差减小，并且提高系统的稳定性。本发明在这些研究的基础上，根据数控车床加工的特征，提出了一种基于嵌入式数控智能终端的数控车床加工仿真方法，将仿真模块集成到具体的数控系统中，以提高仿真精度和效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于嵌入式智能终端的数控车削加工仿真方法，实现和提高数控车削加工仿真的精度和实时性。本发明提供的技术方案如下：

数控车削加工仿真步骤依次为：

(1)毛坯建模，采用三角网格离散法，在满足离散精度的条件下，提出一种顶点平移算法计算整个毛坯表面离散点的坐标信息，同时计算其法向量，利用这些信息绘制出毛坯棒料三角网格模型。

(2)NC数控程序解释译码，读取NC代码文本文件，进行词法和语法分析，提取驱动刀具运动的信息以及相关辅助功能信息进行存储，并且传递到仿真模块驱动刀具运动。

(3)车削加工仿真动态实现，根据第(2)步中得到的刀具驱动数据信息，对其进行插补计算，使得数据点密集化。根据刀具刀尖的坐标值，计算出小圆柱体标号，并且根据刀尖径向坐标值更新单位圆柱体数据，修改毛坯模型，在终端重绘毛坯，实现车削动态仿真加工。

本发明优点如下：本发明一种基于嵌入式智能终端的数控车削加工仿真方法，将仿真模块集成到实际数控系统中。采用三角网格离散法对毛坯棒料进行建模，避免了复杂的布尔运算，同时利用顶点平移算法来计算整个毛坯表面网格顶点坐标值，避免了大量耗时的三角函数计算，大大提高仿真系统的运算速度，快速对数控代码进行解释译码得到刀具的驱动数据信息，然后传递到仿真模块，通过对解释译码出的数据信息进行直线插补和圆弧插补运算，使得数据点密集化，同时在圆弧插补中，改进扩展DDA圆弧插补算法，在相邻插补点之间再做一次插补运算，由此计算下一插补点，从而减小插补点径向误差，以提高仿真精度和效率。

附图说明

图1本发明整体仿真总结构图

图2本发明改进的扩展DDA圆弧插补算法示意图

图3本发明车削动态加工流程图

具体实施方式

为实现发明目的，使技术方案和特点更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例，对本发明作进一步说明：

附图1是本发明的数控车削加工仿真整体结构图。

流程包括毛坯建模、NC数控程序解释译码和车削加工仿真实现过程，具体步骤如下：

毛坯建模过程

第一步：毛坯棒料三角网格化

将长度为L和半径为R的毛坯棒料轴向离散成m个小圆柱体，再沿着径向n等份，按照一定规则连接成三角网格模型，并且有：

其中scale为实际毛坯尺寸到OpenGL ES2.0空间尺寸的一个缩放比例，Δθ为每等份所占角度值。

第二步：计算三角片顶点坐标值

传统算法计算顶点坐标时，毛坯三角网格模型表面上每个顶点都要经过复杂三角函数计算，计算量大，降低系统的运算速度。本发明提出一种简单的顶点平移算法，避免大量耗时的三角函数计算量，提高运算速度。步骤如下：

(1)计算小圆柱体底面顶点坐标值

底面中心点坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=0\\ y_0=0\\ z_0=0\end{array}\right.$

底面顶点坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=-r*\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\Δ\θ})\\ y_i=r*\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\Δ\θ})\\ z_i=0\end{array}\right.$

其中θ为当前顶点的上一顶点角度，以此类推计算出整个底面所有顶点坐标值。

(2)将底面顶点沿着轴向平移d得到圆柱顶面顶点坐标值，则有：

顶面中心点坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0^{\′}=x_0\\ y_0^{\′}=y_0\\ z_0^{\′}=z_0+d\end{array}\right.$

顶面顶点坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i^{\′}=x_i\\ y_i^{\′}=y_i\\ z_i^{\′}=z_i+d\end{array}\right.$

通过此平移算法就可快速计算出整个毛坯三角网格顶点坐标值，可避免大量耗时的三角函数的运算。

第三步：绘制毛坯模型

通过调用OpenGL-ES2.0API接口函数GLES20.glDrawArrays(GLES20.GL_TRIANGLE_FAN，0，vCount)读取上诉三角网格顶点坐标信息，并且结合法向量和纹理坐标，在终端上绘制出毛坯三角网格模型。

NC数控程序解释译码过程

第一步：词法和语法分析

通过FileInputStream文件输入流打开以*.txt格式存储的NC数控程序代码，遍历整个代码进行词法分析和语法，检测是否有错误，如有错误提示错误所处位置。

第二步：处理分支模块

readLine读取一行程序段，substring截取出功能字。根据不同功能字进入相应功能字分支处理模块。

第三步：提取刀具驱动信息进行存储

进入分支处理模块后，对于G功能字模块进一步判断为何种G功能字(如G00，G01等)，接着提取出坐标信息存储；对于F、M等辅助功能字直接提取功能字中的数据信息存储。

第四步：判断程序是否处理结束

判断数控程序是否读取处理完，处理结束则将上述存储的数据信息转化成预先定义的格式发送到仿真模块作为刀具的驱动信息，否则返回第二步中继续读取下一行进行分支处理。

车削加工仿真过程

数控车削加工中，NC代码提供的数据信息不能完全满足车床加工仿真的要求。为了动态模拟出零件的加工过程，必须对NC代码提供的坐标数据进行插补，利用已知的坐标信息，计算出满足加工仿真要求的若干插补点。

传统扩展DDA圆弧插补算法中(如图2所示)，以割线代替切线进给，通过三角形相似原理由上以插补点计算下一插补点，在计算坐标增量Δx和Δy时，忽略了

因素，产生的径向误差较大。

本发明在此基础上，在相邻两个插补点之间再做一次插补，以中间插补点为基础计算出下一插补点的坐标增量，避免忽略上述因素。具体算法流程如下：

第一步：在交点E处再做一次插补，计算其坐标值。

传统扩展DDA圆弧插补算法中，令插补点A_i坐标为(x_i，y_i)，根据三角形ΔOPA_i，则有：

$\left\{\begin{array}{c}\sin \mathrm{\α}=\frac{\mathrm{OP}}{{\mathrm{OA}}_i}=\frac{x_i}{R}\\ \cos \mathrm{\α}=\frac{A_{i}P}{{\mathrm{OA}}_i}=\frac{y_i}{R}\end{array}\right.$

在三角形ΔOEF中插补点E点坐标值为：

将其展开得到E点坐标用A_i表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_E=x_i\cos \mathrm{\θ}+y_i\sin \mathrm{\θ}\\ y_E=y_i\cos \mathrm{\θ}-x_i\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

第二步：由E点计算插补点A′_i+1坐标增量Δx和Δy。

在附图2中可以看出A′_i+1坐标增量Δx和Δy为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}=x_{i+1}-x_i=l\cos \mathrm{\β}\\ \mathrm{\Δy}=y_{i+1}-y_i=-l\sin \mathrm{\β}\end{array}\right.$

再根据E点坐标，可以得到Δx和Δy用E表示为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}=\frac{l}{R}{y}_E\\ \mathrm{\Δy}=-\frac{l}{R}{x}_E\end{array}\right.$

第三步：计算下一插补点A′_i+1坐标值。

在第二步中对三角函数进行二阶近似，则有

$\left\{\begin{array}{c}\sin \mathrm{\θ}\≈\mathrm{\θ}\\ \cos \mathrm{\θ}\≈1-\frac{{\mathrm{\θ}}^2}{2}\end{array}\right.$

将上式带入Δx，同时令l＝Vλ_t，

得到：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}=\frac{l}{R}{y}_E\\ =\frac{l}{R}(y_i\cos \mathrm{\θ}-x_i\sin \mathrm{\θ})\\ =\frac{l}{R}[y_i(1-\frac{{\mathrm{\θ}}^2}{2})-x_i\mathrm{\θ}]\\ =\frac{l}{R}[(1-\frac{l^2}{{8R}^2})y_i-\frac{1}{2R}{x}_i]\\ =\frac{V}{R}{\mathrm{\λ}}_t[(1-\frac{V^2{\mathrm{\λ}}_t^2}{{8R}^2})y_i-\frac{V}{2R}{\mathrm{\λ}}_t{x}_i]\end{array}$

令 ${\mathrm{\λ}}_d=\frac{V}{R}{\mathrm{\λ}}_t,$ 则有：

$\mathrm{\Δx}={\mathrm{\λ}}_d((1-\frac{{{\mathrm{\λ}}_d}^2}{8})y_i-\frac{{\mathrm{\λ}}_d}{2}{x}_i)$

同理可得到Δy：

$\mathrm{\Δy}={-\mathrm{\λ}}_d((1-\frac{{{\mathrm{\λ}}_d}^2}{8})x_i+\frac{{\mathrm{\λ}}_d}{2}{y}_i)$

求得Δx和Δy的值后，就可以算出本次采样周期刀具应该到达的坐标位置x_i+1和y_i+1的值，即

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{i+1}=x_i+\mathrm{\Δx}\\ y_{i+1}=y_i+\mathrm{\Δy}\end{array}\right.$

最终指令驱动刀具按照上述算法对零件毛坯进行切削加工，附图3为车削动态加工流程图。

Claims (3)

1.本发明的目的在于提供一种基于嵌入式智能终端的数控车削加工仿真方法，其特征是：采用三角网格离散法建模，并且利用平移算法计算网格顶点坐标数据，避免大量复杂三角函数计算，提高建模速度；改进圆弧插补算法，在相邻两插补点之间E点再做一次插补计算，提取刀具驱动信息，对毛坯体进行切削，大大提高数控车削加工仿真的精度，包含如下几个步骤：

(1)毛坯建模过程

第一步：毛坯棒料三角网格化；

第二步：计算三角片顶点坐标值；

1)计算小圆柱体底面顶点坐标值；

2)将1)中的底面顶点坐标沿着轴向平移d，计算圆柱顶面顶点坐标值；

平移后的顶面中心点坐标以及顶面顶点坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0^{\′}=x_0\\ y_0^{\′}=y_0\\ z_0^{\′}=z_0+d\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{x}_i^{\′}=x_i\\ y_i^{\′}=y_i\\ z_i^{\′}=z_i+d\end{array}\right.$

第三步：绘制毛坯模型；

(2)车削加工仿真过程

第一步：在交点E处再做一次插补计算，计算其坐标值；

x_E＝Rsinβ＝Rsin(α+θ)

＝x_icosθ+y_isinθ

y_E＝Rcosβ＝Rcos(α+θ)

＝y_icosθ-x_isinθ

第二步：由E点计算插补点A′_i+1坐标增量Δx和Δy；

$\mathrm{\Δx}={\mathrm{\λ}}_d((1-\frac{{{\mathrm{\λ}}_d}^2}{8})y_i-\frac{{\mathrm{\λ}}_d}{2}{x}_i)$

$\mathrm{\Δy}={-\mathrm{\λ}}_d((1-\frac{{{\mathrm{\λ}}_d}^2}{8})x_i+\frac{{\mathrm{\λ}}_d}{2}{y}_i)$

2.根据权利要求1所述一种基于嵌入式智能终端的数控车削加工仿真方法，其特征是：所述毛坯建模过程(1)第二步中计算三角片顶点坐标值，包括：

第一步：计算小圆柱体底面顶点坐标值

底面中心点坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=0\\ y_0=0\\ z_0=0\end{array}\right.$

底面顶点坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=-r*\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\Δ\θ})\\ y_i=r*\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\Δ\θ})\\ z_i=0\end{array}\right.$

第二步：将底面顶点沿着轴向平移d得到圆柱顶面顶点坐标值，则有：

顶面中心点坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0^{\′}=x_0\\ y_0^{\′}=y_0\\ z_0^{\′}=z_0+d\end{array}\right.$

顶面顶点坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i^{\′}=x_i\\ y_i^{\′}=y_i\\ z_i^{\′}=z_i+d\end{array}\right.$

通过此平移算法就可快速计算出整个毛坯三角网格顶点坐标值，可避免大量三角函数的运算。

3.根据权利要求1所述一种基于嵌入式智能终端的数控车削加工仿真方法，其特征是：所述车削仿真过程(2)中，包括：

第一步：计算出的E点坐标值为；令插补点A_i坐标为(x_i，y_i)，根据三角形ΔOPA_i，则有：

$\left\{\begin{array}{c}\sin \mathrm{\α}=\frac{\mathrm{OP}}{{\mathrm{OA}}_i}=\frac{x_i}{R}\\ \cos \mathrm{\α}=\frac{A_{i}P}{{\mathrm{OA}}_i}=\frac{y_i}{R}\end{array}\right.$

在交点E点处再做一次插补，根据当前插补点A_i的坐标，并且由弧度θ、α、β的关系计算出插补点E的坐标：

x_E＝Rsinβ＝Rsin(α+θ)

＝x_icosθ+y_isinθ

y_E＝Rcosβ＝Rcos(α+θ)

＝y_icosθ-x_isinθ

第二步：由E点计算插补点A′_i+1坐标增量Δx和Δy，根据三角形ΔOEF角度与边的关系得到插补点A′_i+1的坐标：

$x_{i+1}=\frac{l}{R}{y}_E+x_i$

$y_{i+1}=y_i-\frac{l}{R}{x}_E$

于是得到插补点A′_i+1相对于插补点A_i的坐标增量：

$\mathrm{\Δx}=x_{i+1}-x_i=\frac{l}{R}{y}_E$

$\mathrm{\Δy}=y_{i+1}-y_i=-\frac{l}{R}{x}_E$

又有l＝Vλ_t，

计算出坐标增量Δx和Δy：

$\mathrm{\Δx}={\mathrm{\λ}}_d((1-\frac{{{\mathrm{\λ}}_d}^2}{8})y_i-\frac{{\mathrm{\λ}}_d}{2}{x}_i)$

$\mathrm{\Δy}={-\mathrm{\λ}}_d((1-\frac{{{\mathrm{\λ}}_d}^2}{8})x_i+\frac{{\mathrm{\λ}}_d}{2}{y}_i)$

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