摘要：本文綜合分析數(shù)控機(jī)床仿真系統(tǒng)的構(gòu)建，并結(jié)合三維建模技術(shù)進(jìn)行展開探討，采取層次化與結(jié)構(gòu)化的三維建模方法，來建立多角度、多元化和多維度的數(shù)控機(jī)床仿真系統(tǒng)。本文圍繞三維建模的過程進(jìn)行分析，具體指出了數(shù)控仿真系統(tǒng)在三維建模上的思路以及具體的建模環(huán)節(jié)，從而得出了通過三維建模技術(shù)的運(yùn)用能夠使數(shù)控仿真系統(tǒng)的構(gòu)建更加科學(xué)化和細(xì)節(jié)化的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；仿真系統(tǒng)；三維建模

0 引言

所謂數(shù)控，是數(shù)字控制的簡(jiǎn)稱，其指的是就是建立在數(shù)字化信息技術(shù)的基礎(chǔ)上，完成對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)設(shè)備以及加工設(shè)備的數(shù)字控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作和管理。而數(shù)控仿真系統(tǒng)，其就是通過在數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，完成對(duì)真實(shí)數(shù)控機(jī)床的作業(yè)的流程和操作環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬，并結(jié)合編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化操作，并在構(gòu)建數(shù)控仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提高操作人員或者編程人員的工作效率。

1 建模思路

在三維建模的過程中，其具體對(duì)象為數(shù)控機(jī)床，通過利用幾何原理、空間點(diǎn)離散原理以及數(shù)控仿真系統(tǒng)的構(gòu)建原理，來整理出如下建模思路：

第一，數(shù)控機(jī)床的本體建立三維模型。以基本硬件設(shè)備為基礎(chǔ)，從宏觀構(gòu)建到微觀零部件的角度完成建模思路的規(guī)劃，并結(jié)合旋轉(zhuǎn)模型對(duì)數(shù)控機(jī)床的真實(shí)操作狀態(tài)進(jìn)行規(guī)則化比對(duì)，從而能夠更加清晰和直觀地描述出數(shù)控機(jī)床的本體。第二，數(shù)控機(jī)床加工過程中的動(dòng)態(tài)建模。利用NC碼進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控與描寫，提取每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡和幾何定位點(diǎn)[1]。

2 建模過程

2.1 數(shù)控機(jī)床本體的三維建模

在數(shù)控機(jī)床仿真系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，通過利用三維建模中的CSG建模理念，使數(shù)控機(jī)床仿真系統(tǒng)的總體構(gòu)建趨于多層次化和多結(jié)構(gòu)化。并在三維建模的基礎(chǔ)上將復(fù)雜、繁瑣建模過程轉(zhuǎn)化為更加清晰、更加明了的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)，從而在簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上完成簡(jiǎn)單形體的建模組合，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床仿真系統(tǒng)的模型構(gòu)建。在數(shù)控機(jī)床本文的三維建模中，其具體的建模方法為[3]：

首先，以數(shù)控機(jī)床的操作規(guī)則為基本原則，以實(shí)際具體的工作狀態(tài)進(jìn)行真實(shí)模擬。在理想狀態(tài)的環(huán)境中忽略數(shù)控機(jī)床內(nèi)部的傳動(dòng)裝置與后備服務(wù)裝置，從而在最大程度的簡(jiǎn)化內(nèi)部要素的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)三維模型構(gòu)建的程序化。其次，利用三維理念對(duì)數(shù)控機(jī)床的幾何結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)分和劃分，對(duì)每種結(jié)構(gòu)的內(nèi)部構(gòu)造層層細(xì)分，在宏觀環(huán)境下對(duì)微觀因素按照相似性規(guī)則進(jìn)行詳細(xì)區(qū)分，并利用三維維度進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，降低數(shù)控機(jī)床仿真系統(tǒng)構(gòu)建的難度和復(fù)雜度。最后，通過利用三維建模數(shù)據(jù)庫(kù)中的幾何實(shí)體進(jìn)行模型構(gòu)建，將具體的立方體、圓柱體以及圓環(huán)體等做種幾何立體模型與數(shù)據(jù)庫(kù)中的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)和配對(duì)，在數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化組合。與此同時(shí)，采用方差計(jì)算的方式使組合的計(jì)算結(jié)果更加精確，立足于OpenGL軟件內(nèi)部強(qiáng)大的三維圖型庫(kù)，找到最符合數(shù)控機(jī)床本體的最佳三維模型，從而完成機(jī)床本體的三維建模工作。

2.2 加工過程的動(dòng)態(tài)仿真三維建模

在數(shù)控機(jī)床的加工過程中，為了使數(shù)控仿真系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化發(fā)展，通過利用三維建模中的空間離散法，來促使數(shù)控機(jī)床在加工過程中的數(shù)控仿真系統(tǒng)構(gòu)建的更為精確和高效。在空間離散法的運(yùn)用下，要將數(shù)控機(jī)床內(nèi)部的空間物體轉(zhuǎn)換為不同三維位置的“空間點(diǎn)”，并對(duì)這些“點(diǎn)”進(jìn)行均勻布陣，按照這些“點(diǎn)”分布的具體線條關(guān)系連結(jié)成三角片矩陣，從而形成了初步的三維建模。當(dāng)程序處于運(yùn)行的過程中，要不斷按照真實(shí)的路徑進(jìn)行重新描寫，并對(duì)這些“點(diǎn)”的真實(shí)屬性進(jìn)行程序化渲染，從而保證數(shù)控仿真系統(tǒng)運(yùn)作狀態(tài)的自身“分析”能力更加準(zhǔn)確無誤[4]。

在空間離散法的應(yīng)用下，對(duì)數(shù)控機(jī)床的車削和三軸銑削進(jìn)行三維建模并做出進(jìn)一步加工。首先，數(shù)控機(jī)床的車削毛坯呈現(xiàn)為圓柱形的狀態(tài)，且其多利用在打磨和加工機(jī)床的回轉(zhuǎn)表面。其次，三軸銑削的毛坯多呈現(xiàn)出長(zhǎng)方體的形狀，其只有在毛坯體的表面進(jìn)行加工，因此只具備了獨(dú)立的加工面。通過在數(shù)控機(jī)床的毛坯體上進(jìn)行離散化和三維建模，來構(gòu)建屬于數(shù)據(jù)機(jī)床的仿真系統(tǒng)。下圖為數(shù)控機(jī)床中車削和三軸銑削毛坯的三維立體離散圖：

在該圖中，以獨(dú)立面為中心構(gòu)建三維函數(shù)軸，即X軸、Y軸與Z軸，那么在該三維函數(shù)軸基礎(chǔ)上對(duì)車削進(jìn)行空間點(diǎn)離散化，使其形成三點(diǎn)共面的狀態(tài)，作為三維建模的基本模型。與此同時(shí)，針對(duì)數(shù)控機(jī)床中的三軸銑削設(shè)立A、B、C、D四個(gè)點(diǎn)，以四個(gè)點(diǎn)形成的不同三維空間模型進(jìn)行細(xì)細(xì)劃分，比如ABD之間的三角網(wǎng)格、BCD之間的三角網(wǎng)格等，從而以網(wǎng)格為單位進(jìn)行三維建模。當(dāng)前使用的數(shù)控仿真系統(tǒng)多是建立在windows系統(tǒng)基礎(chǔ)上，那么在windows的環(huán)境下通過利用Visual、OpenGL以及C++6.0技術(shù)軟件，使數(shù)控機(jī)床的毛坯體離散化過程得到細(xì)節(jié)分析，結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和各個(gè)節(jié)點(diǎn)的具體數(shù)據(jù)構(gòu)建三維模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床仿真系統(tǒng)的多元化建設(shè)。

2.3 粒子系統(tǒng)的建模

為了更加真實(shí)的模擬數(shù)控機(jī)床在冷卻液噴出狀態(tài)下的具體工作細(xì)節(jié)，需要立足于粒子系統(tǒng)，完成細(xì)致環(huán)節(jié)的三維建模，體現(xiàn)液體粒子的冷卻狀態(tài)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在粒子三維建模的過程中，要周而復(fù)始的完成以下四個(gè)環(huán)節(jié)的工作：母粒子源產(chǎn)生新粒子；準(zhǔn)確計(jì)算、復(fù)核并實(shí)時(shí)性更新新粒子的基本屬性；定位刪除死亡（淘汰）粒子；繪制粒子的具體運(yùn)動(dòng)線路，從而構(gòu)成源源不斷、持續(xù)運(yùn)作的粒子流。在以上四個(gè)環(huán)節(jié)的循環(huán)運(yùn)動(dòng)下，完成了更加具體的三維建模工作，這樣在粒子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了更為清晰、細(xì)致化和高度仿真性的數(shù)控機(jī)床仿真系統(tǒng)。

結(jié)論：

綜上所述，本文以上通過圍繞三維建模的過程進(jìn)行分析，并結(jié)合三維建模技術(shù)進(jìn)行展開探討。通過結(jié)合三維建模技術(shù)對(duì)數(shù)控仿真系統(tǒng)進(jìn)行真實(shí)還原與模擬，形成的三維圖示更加具有真實(shí)感，并且形成的三維立體Flash實(shí)時(shí)性與可視性都很強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控仿真系統(tǒng)研發(fā)與運(yùn)用的高效化與集約化發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：

牛玉榮（1988—），女，漢，安徽合肥，碩士研究生，助教，主要研究方向?yàn)閿?shù)控加工、三維建模與仿真。