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摘 要 立足于数控车床模拟加工系统的发展与功能、加工系统模型的实现方法进行一次探究，主要探索工件的仿真性与校园教学的结合。
关键词 数控车床；模拟加工系统；模型；OpenGL
中图分类号：G712 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2018）22-0032-03
Abstract Based on the development and function of the numerical control lathe simulation processing system and the realization method of the processing system model， this paper explores the inte-gration of the work piece simulation and campus teaching.
Key words CNC lathe； simulation machining system； model； OpenGL
1 引言
数控车床是一种高、精、尖的自动化机床，具有广泛性的加工工艺性能，而数控车床的模拟加工系统可以完成多项复杂的工件组合。数控车床模拟加工系统是一种自动化的过程，按照事先设置好的加工程序，完善好加工的路线、图形、刀具的运行轨迹、数字代码、指令代码等，自动地对被加工零件进行依次加工，其模拟实现方法对零件小且复杂的批量加工尤为重要，要求更高。这样一种实用且高精尖的加工模拟系统，操作与切割过程都是计算机来完成，及时发现与改善不足之处，检验与修改出精美的模型工件。
就目前而言，我国有相当大的一部分企业使用的数控车床都是由原普通车床改造而来的，采用这样的一种数控车床有一定的优势存在。一方面，原普通车床的这类材料、材质都比较便宜，设备需要投入的经费较少；另一方面，原来的设备资源也可以反复使用，节约了设备资源，较少消耗。此外，该车床的性能方面也可以得到一定的提升。总的来说，这样的数控系统编码格式与功能都大大满足了生产生活的要求，符合国际化的标准；但该系统还未达到时代的要求，它采用的数码管显示编码以及加工信息时，若操作或程序设置出现失误，就会导致整个工件的报废、事故的发生以及系统的瘫痪。
基于以上数控系统现状，开发数控车床模拟加工系统一类的软件可以大大避免失误的出现。在实际操作过程中，先在系统中模拟操作工程，再进行加工。以计算机作为辅助工具，用现代化的技术操作出程序运行过程中需要经历的步骤，模拟工件建立、编辑、刀削的过程，反复操练、反复修改，直到零失误、零事故才执行命令。数控车床模拟加工系统的出现无疑是对产品开发、检验、生产、效率与安全都做出新的改变与发展，想要完成模型的实现，还需要投入更多的精力与技术。
2 数控车床模拟加工系统的发展与功能
近年来，数控车床模拟加工系统的涉及面已经由企业大面积拓展到校园，学校的课程与技能培训过程中引进许多数控车床设备，培训了一批又一批有经验、有操作技能的技术人员，为数控机床的发展培养了人才，也为学生就业提供了机会。数控车床模拟加工系统仿真技术是学习的重点，利用VC 软件与OpenGL面向对象的程序设计方法开发一个可视化的仿真系统，再利用计算机软件与数控机床结合，提升模拟加工系统的运用与发展。
数控车床模拟加工系统的总体设计方案
1）数控车床模拟加工系统的总思路。总分式的结构模块化的设计是数控车床模拟加工系统的总体设计思路主要采取的设计方案之一。数控车床模拟加工系统在操作过程中，首先需要制定出一套数控系统，并使该数控系统具备与操作面板相同的操作界面，实现二者的配合；其次是充分利用面板上的所有按钮，使之功能达到最大化，在操作过程中完成画面的转换并在界面上显示出来；最后，综合性操作后，剩下的就是完成单个功能的依次运行。
OpenGL是一项跨平台、跨编程语言的专业的图形程序软件接口，对于调动底层图形库的使用是一项较为强大的功能，自该软件出现以来就被广泛运用，甚至对于其他计算机平台以及设备程序的创新与发展都有一定的借鉴意义。2D、3D是软件OpenGL目前最为广泛接受的图形API，具有较强的高视觉冲突性与可移植性。相比于其他软件编程，该软件的编程简单，但生成图像分辨率、动画效果质量高，所以多数的数控车床模拟加工会选择OpenGL中的3D图形来显示与执行。
2）数控车床模拟加工系统虚拟机床环境的搭建。VC （Microsoft Visual C ）是微软公司开发的功能较强的开发平台，经过版本的多次更新与修订，现开发出的系统执行效率高，拥有代码编写与界面设计集成交互操作、程序框架自动生成、灵活方便的管理、可开发多种程序等优点。选用VC 与OpenGL的配合效率高，是虚拟加工系统开发的一个重要工具。利用数控车床模拟加工过程的仿真性来检验产品的加工过程与结果，力求实现产品零件的虚拟加工要求。
搭建虚拟机床的环境，在设备模块设计中可以考虑省略部分伺服装置、传动装置等。在数控车床各零部件的实体造型设计中可以利用野火3.0软件来进行简易操作，选择形状较为规则的圆柱、正方体、立方体等基本几何实体来交叉计算构建机床的主要部件模型，并利用计算机虚拟出机床所需要的三维数据格式STL。通过在三维数据的运行过程中提取出相应的数据来进行结构装配，组合成一个个完整的数控车床的模拟三维图形。OpenGL在此过程中发挥的作用是在绘制机床时将每个零部件都生成并显示出所有的系统列表，从而提高虚拟搭建模型的效率，满足虚拟搭建绘制的要求。
数控车床模拟加工系统的运行环境 数控车床模拟加工系统的运行对硬件与软件的要求都非常高，对于硬件最低的要求配置都必须是4 M的内存、鼠标器、80386微机、VGA彩色显示器的搭配，版本的要求也必须是至少2.0，不同的软件平台版本也有不同的要求。此外，数控装置、伺服单元、驱动装置、冷却系统、防护系统等都是该系统的一小部分配备装置，高精尖的模拟加工系统对于运行环境的要求同樣极高。 数控车床模拟加工系统的组成与功能
1）系统四大构成板块。数控车床模拟加工系统主要由四大板块构成，如图1所示。
2）系统程序中的输入与编辑。数控车床模拟加工系统的四大板块中有三个板块对于程序的加工与引导有着不可或缺的作用，程序的输入与编辑这一板块是加工系统中核心的一道步骤，在程序画面上进行编辑并且控制面板，使得面板中展现出来的画面与后台操作的画面保持一致。系统加工与引导程序的输入工序需要反复进行插入、查询、复制、修改、删除、保存等操作，以求达到合适的输入与编辑数据。以某零件的程序输入与编辑为例进行说明。
①加工程序输入：
0
N5 G90 X35 Z65
N15 G02 X0 F1505
N25 Z55 F195
N35 G01 X15 Z57I0 K-8 F45
N45 G03 Z50 F198
N55 X22 Z35
N65 X35 Z68 F1500
N75 M01
在对加工程序的输入中有不同的要求，输入前要考虑屏幕上电源的开关设置，且必须提示“>”符号才可以进行编辑；而输入时，对于%键、LF键、数码管显示器、MON复位键等都有连贯的要求，与在数控车床控制面板上的输入过程是一致的，不同之处在于操作需要通过鼠标器来进行，用手来操作屏幕面板是无法完成该操作的。
②引导程序的输入：
%0
N5 L95
这类最简单的操作程序，与引导程序的输入方法相似但不相同，这也就表明不同的输入程序都是可以进行保存的，只需要标注不同的命名就可以完成，而%0就可以作为该程序的命名。
3）工具的选择与材料的加工。对于毛坯的装卸与材料的加工，多数采用的车削为八类器具，对刀是这八类器具中常见的一类。在屏幕上进行设置，在图形中显示出需要的三排数码管与 X、-Z等多个按钮，运用鼠标器来操作这些按钮（图2），可以显示出对刀刀尖的运行轨迹以及切出来的画面。
4）毛坯的确定与装卸。毛坯的确定模板多采用弹出式的菜单形式，毛坯的长度与直径多被询问采纳。毛坯的装卸环节要求会较高，毛坯的装上、卸下、左右移动、尺度的观察、位置的要求、三爪卡盘等都是装卸的必备过程，三爪在此过程中占有大部分比重，三爪的松开与夹紧，关系着毛坯的取下还是合适位置的选取，对于车床来说都是不可或缺的部分。
5）工件与路线的测量。屏幕上任意两点的距离都可能影响到工件的加工计算，想要顺利完成模拟加工，就要严格测量两点、两线、两物体之间的距离，也可以采取测量夹角的方式进行验证。通过实际的运行轨迹进行测量，对工序的判断更为直接，也可作为修改工件程序的重要依据。
3 数控车床模拟加工系统的模型实现方法探究
工件毛坯仿真的建立与切除 毛坯的建立与切除是数控车床模拟加工系统模型实现的重要方法之一。其建立是为了仿真结果的精准性，因为车削工件毛坯大多是回转体，而且很多用于加工回转的表面。为了加大仿真效果，就要利用现代科技VC 和OpenGL编程，将外面分成均匀的点，然后把这些点按照规律重新组合，就可以得到三角网络模型。其切去是為了展现切削成形的状态，在切去的时候，把刀具所在区域用绘图区域的背景颜色涂色，然后使用的工具和颜色是相同的，让它们同时对其背景颜色进行染色。这就是毛坯的切除。
机床运动仿真速度与位置的控制 机床运动仿真速度与位置的控制是帮助数控车床模拟加工系统模型实现的另一途径和方法。仿真速度其实就是具体指刀具的控制速度，在每次使用刀具的时候，根据刀具的使用速度延长一定的时间。这就是动态仿真，为了达到动态仿真的目的，其原理就是由对于模拟速度的控制来实现数控车床模拟加工系统的模型实现，其延长的时间与模拟的速度是呈反比的。关于位置的控制，是根据缓冲的主轴对机床主轴进行作用，根据位移使刀具移动到预定的位置，不仅能将以前的刀具位置删掉，而且能够延长时间，以此来达到移动的效果。机床运动仿真速度与位置的控制对实现数控车床模拟加工系统的模型同样有着非常好的效果。
4 结语
数控系统编码格式与功能对于现代人的生活具有重要作用，对于提高社会生产力有着积极影响，它们存在密不可分的联系。本文对于数控车床模拟加工系统的发展与功能、数控车床模拟加工系统的总思路、数控车床模拟加工系统的运行环境、数控车床模拟加工系统的组成与功能以及数控车床模拟加工系统的模型实现方法探究做了分析和叙述。尽管现在关于数控的有关技术还不够完备，但是相信只要对其不断进行研究和探索，一定能够及时发现和改正不足，让数控车床的优势发挥得更加明显。
参考文献
[1]陈言.数控车床的可用性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.
[2]孙萌，姜海鹏.数控车床模拟加工系统模型实现方法研究[J].中国教育技术装备，2011（3）：86-87.
[3]林忠，黄陈蓉.数控车床虚拟加工的仿真技术与实现[J].机械设计与制造，2008（9）：165-167.
关键词 数控车床；模拟加工系统；模型；OpenGL
中图分类号：G712 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2018）22-0032-03
Abstract Based on the development and function of the numerical control lathe simulation processing system and the realization method of the processing system model， this paper explores the inte-gration of the work piece simulation and campus teaching.
Key words CNC lathe； simulation machining system； model； OpenGL
1 引言
数控车床是一种高、精、尖的自动化机床，具有广泛性的加工工艺性能，而数控车床的模拟加工系统可以完成多项复杂的工件组合。数控车床模拟加工系统是一种自动化的过程，按照事先设置好的加工程序，完善好加工的路线、图形、刀具的运行轨迹、数字代码、指令代码等，自动地对被加工零件进行依次加工，其模拟实现方法对零件小且复杂的批量加工尤为重要，要求更高。这样一种实用且高精尖的加工模拟系统，操作与切割过程都是计算机来完成，及时发现与改善不足之处，检验与修改出精美的模型工件。
就目前而言，我国有相当大的一部分企业使用的数控车床都是由原普通车床改造而来的，采用这样的一种数控车床有一定的优势存在。一方面，原普通车床的这类材料、材质都比较便宜，设备需要投入的经费较少；另一方面，原来的设备资源也可以反复使用，节约了设备资源，较少消耗。此外，该车床的性能方面也可以得到一定的提升。总的来说，这样的数控系统编码格式与功能都大大满足了生产生活的要求，符合国际化的标准；但该系统还未达到时代的要求，它采用的数码管显示编码以及加工信息时，若操作或程序设置出现失误，就会导致整个工件的报废、事故的发生以及系统的瘫痪。
基于以上数控系统现状，开发数控车床模拟加工系统一类的软件可以大大避免失误的出现。在实际操作过程中，先在系统中模拟操作工程，再进行加工。以计算机作为辅助工具，用现代化的技术操作出程序运行过程中需要经历的步骤，模拟工件建立、编辑、刀削的过程，反复操练、反复修改，直到零失误、零事故才执行命令。数控车床模拟加工系统的出现无疑是对产品开发、检验、生产、效率与安全都做出新的改变与发展，想要完成模型的实现，还需要投入更多的精力与技术。
2 数控车床模拟加工系统的发展与功能
近年来，数控车床模拟加工系统的涉及面已经由企业大面积拓展到校园，学校的课程与技能培训过程中引进许多数控车床设备，培训了一批又一批有经验、有操作技能的技术人员，为数控机床的发展培养了人才，也为学生就业提供了机会。数控车床模拟加工系统仿真技术是学习的重点，利用VC 软件与OpenGL面向对象的程序设计方法开发一个可视化的仿真系统，再利用计算机软件与数控机床结合，提升模拟加工系统的运用与发展。
数控车床模拟加工系统的总体设计方案
1）数控车床模拟加工系统的总思路。总分式的结构模块化的设计是数控车床模拟加工系统的总体设计思路主要采取的设计方案之一。数控车床模拟加工系统在操作过程中，首先需要制定出一套数控系统，并使该数控系统具备与操作面板相同的操作界面，实现二者的配合；其次是充分利用面板上的所有按钮，使之功能达到最大化，在操作过程中完成画面的转换并在界面上显示出来；最后，综合性操作后，剩下的就是完成单个功能的依次运行。
OpenGL是一项跨平台、跨编程语言的专业的图形程序软件接口，对于调动底层图形库的使用是一项较为强大的功能，自该软件出现以来就被广泛运用，甚至对于其他计算机平台以及设备程序的创新与发展都有一定的借鉴意义。2D、3D是软件OpenGL目前最为广泛接受的图形API，具有较强的高视觉冲突性与可移植性。相比于其他软件编程，该软件的编程简单，但生成图像分辨率、动画效果质量高，所以多数的数控车床模拟加工会选择OpenGL中的3D图形来显示与执行。
2）数控车床模拟加工系统虚拟机床环境的搭建。VC （Microsoft Visual C ）是微软公司开发的功能较强的开发平台，经过版本的多次更新与修订，现开发出的系统执行效率高，拥有代码编写与界面设计集成交互操作、程序框架自动生成、灵活方便的管理、可开发多种程序等优点。选用VC 与OpenGL的配合效率高，是虚拟加工系统开发的一个重要工具。利用数控车床模拟加工过程的仿真性来检验产品的加工过程与结果，力求实现产品零件的虚拟加工要求。
搭建虚拟机床的环境，在设备模块设计中可以考虑省略部分伺服装置、传动装置等。在数控车床各零部件的实体造型设计中可以利用野火3.0软件来进行简易操作，选择形状较为规则的圆柱、正方体、立方体等基本几何实体来交叉计算构建机床的主要部件模型，并利用计算机虚拟出机床所需要的三维数据格式STL。通过在三维数据的运行过程中提取出相应的数据来进行结构装配，组合成一个个完整的数控车床的模拟三维图形。OpenGL在此过程中发挥的作用是在绘制机床时将每个零部件都生成并显示出所有的系统列表，从而提高虚拟搭建模型的效率，满足虚拟搭建绘制的要求。
数控车床模拟加工系统的运行环境 数控车床模拟加工系统的运行对硬件与软件的要求都非常高，对于硬件最低的要求配置都必须是4 M的内存、鼠标器、80386微机、VGA彩色显示器的搭配，版本的要求也必须是至少2.0，不同的软件平台版本也有不同的要求。此外，数控装置、伺服单元、驱动装置、冷却系统、防护系统等都是该系统的一小部分配备装置，高精尖的模拟加工系统对于运行环境的要求同樣极高。 数控车床模拟加工系统的组成与功能
1）系统四大构成板块。数控车床模拟加工系统主要由四大板块构成，如图1所示。
2）系统程序中的输入与编辑。数控车床模拟加工系统的四大板块中有三个板块对于程序的加工与引导有着不可或缺的作用，程序的输入与编辑这一板块是加工系统中核心的一道步骤，在程序画面上进行编辑并且控制面板，使得面板中展现出来的画面与后台操作的画面保持一致。系统加工与引导程序的输入工序需要反复进行插入、查询、复制、修改、删除、保存等操作，以求达到合适的输入与编辑数据。以某零件的程序输入与编辑为例进行说明。
①加工程序输入：
0
N5 G90 X35 Z65
N15 G02 X0 F1505
N25 Z55 F195
N35 G01 X15 Z57I0 K-8 F45
N45 G03 Z50 F198
N55 X22 Z35
N65 X35 Z68 F1500
N75 M01
在对加工程序的输入中有不同的要求，输入前要考虑屏幕上电源的开关设置，且必须提示“>”符号才可以进行编辑；而输入时，对于%键、LF键、数码管显示器、MON复位键等都有连贯的要求，与在数控车床控制面板上的输入过程是一致的，不同之处在于操作需要通过鼠标器来进行，用手来操作屏幕面板是无法完成该操作的。
②引导程序的输入：
%0
N5 L95
这类最简单的操作程序，与引导程序的输入方法相似但不相同，这也就表明不同的输入程序都是可以进行保存的，只需要标注不同的命名就可以完成，而%0就可以作为该程序的命名。
3）工具的选择与材料的加工。对于毛坯的装卸与材料的加工，多数采用的车削为八类器具，对刀是这八类器具中常见的一类。在屏幕上进行设置，在图形中显示出需要的三排数码管与 X、-Z等多个按钮，运用鼠标器来操作这些按钮（图2），可以显示出对刀刀尖的运行轨迹以及切出来的画面。
4）毛坯的确定与装卸。毛坯的确定模板多采用弹出式的菜单形式，毛坯的长度与直径多被询问采纳。毛坯的装卸环节要求会较高，毛坯的装上、卸下、左右移动、尺度的观察、位置的要求、三爪卡盘等都是装卸的必备过程，三爪在此过程中占有大部分比重，三爪的松开与夹紧，关系着毛坯的取下还是合适位置的选取，对于车床来说都是不可或缺的部分。
5）工件与路线的测量。屏幕上任意两点的距离都可能影响到工件的加工计算，想要顺利完成模拟加工，就要严格测量两点、两线、两物体之间的距离，也可以采取测量夹角的方式进行验证。通过实际的运行轨迹进行测量，对工序的判断更为直接，也可作为修改工件程序的重要依据。
3 数控车床模拟加工系统的模型实现方法探究
工件毛坯仿真的建立与切除 毛坯的建立与切除是数控车床模拟加工系统模型实现的重要方法之一。其建立是为了仿真结果的精准性，因为车削工件毛坯大多是回转体，而且很多用于加工回转的表面。为了加大仿真效果，就要利用现代科技VC 和OpenGL编程，将外面分成均匀的点，然后把这些点按照规律重新组合，就可以得到三角网络模型。其切去是為了展现切削成形的状态，在切去的时候，把刀具所在区域用绘图区域的背景颜色涂色，然后使用的工具和颜色是相同的，让它们同时对其背景颜色进行染色。这就是毛坯的切除。
机床运动仿真速度与位置的控制 机床运动仿真速度与位置的控制是帮助数控车床模拟加工系统模型实现的另一途径和方法。仿真速度其实就是具体指刀具的控制速度，在每次使用刀具的时候，根据刀具的使用速度延长一定的时间。这就是动态仿真，为了达到动态仿真的目的，其原理就是由对于模拟速度的控制来实现数控车床模拟加工系统的模型实现，其延长的时间与模拟的速度是呈反比的。关于位置的控制，是根据缓冲的主轴对机床主轴进行作用，根据位移使刀具移动到预定的位置，不仅能将以前的刀具位置删掉，而且能够延长时间，以此来达到移动的效果。机床运动仿真速度与位置的控制对实现数控车床模拟加工系统的模型同样有着非常好的效果。
4 结语
数控系统编码格式与功能对于现代人的生活具有重要作用，对于提高社会生产力有着积极影响，它们存在密不可分的联系。本文对于数控车床模拟加工系统的发展与功能、数控车床模拟加工系统的总思路、数控车床模拟加工系统的运行环境、数控车床模拟加工系统的组成与功能以及数控车床模拟加工系统的模型实现方法探究做了分析和叙述。尽管现在关于数控的有关技术还不够完备，但是相信只要对其不断进行研究和探索，一定能够及时发现和改正不足，让数控车床的优势发挥得更加明显。
参考文献
[1]陈言.数控车床的可用性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.
[2]孙萌，姜海鹏.数控车床模拟加工系统模型实现方法研究[J].中国教育技术装备，2011（3）：86-87.
[3]林忠，黄陈蓉.数控车床虚拟加工的仿真技术与实现[J].机械设计与制造，2008（9）：165-167.