面向车间的数控编程系统开发
摘要
面向车间的编程方法(WOP：Workshop Oriented Programming)是国际上90年代初兴起的一种全新的计算机数控机床编程方法。它采用直观的图形描述方式，进行零件加工过程参数的定义。具有参数的零件加工图形通过后置处理后，能自动生成加工所需的NC程序，并可以在数控系统CRT上进行加工轨迹模拟仿真等。这样，机床操作工人无需知道抽象的数控编程语言(ISO代码)，便可熟练正确地进行NC编程，大大地缩短了编程时间，提高了编程的可靠性和效率。
数控加工仿真集制造技术、机床数控理论、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、建模与仿真技术于一体。人能够凭视觉感知计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境，在设计新的方案或更改方案时能够在真实制造之前在虚拟环境中进行零件的数控加工，检查数控程序的正确性、合理性，对加工方案的优劣做出评估与优化，从而最终达到缩短产品开发周期、降低生产成本、提高产品质量和生产效率的目的。
本系统中，作者利用基于OpenGL的计算机仿真和动画技术，采用基于数控代码的仿真方法，针对已有的基于RTLinux的开放式数控系统，研究与开发了一套数控加工过程的三维动态几何仿真系统，实现了图形化编程和加工仿真的一体化。
该课题主要完成以下内容：
(1) 分析了面向车间的数控编程系统的特点，建立了友好的系统界面。
(2) 设计了一套三轴的图形交互式输入的数控编程语言，编程人员无需使用抽象的指令语言，并且免除了辅助计算和刀具轨迹运算的工作。
(3) 设计了数控程序检查器、解释器，很好地解决了从WOP到NC数控代码的转换再到生成刀具仿真轨迹的生成。
(4) 设计了NC代码编辑器，便于用户进行编程语言的选择。
(5) 深入研究了OpenGL三维图形制作技术，运用了三角面离散法和视向离散法的算法原理，对毛坯和刀具进行离散化，构建了刀具和毛坯的数学模型。
(6) 设计了仿真模块，实现了三维铣削加工的仿真。
WOP (Workshop Oriented Programming) is a new programming method for CNC machine and it's originally started in the world in the late of 90s of last century. It takes a visualized way to define the parameters for parts machining process. After postposition process, the graphics with parameters for parts machining can generate NC program automatically and the machining track can be simulated on the CNC system CTR. So the operators can program skilfully without understanding the abstract NC programming language(ISO Code). The programming time is greatly reduced, and the programming reliability and efficiency are also improved.
NC machining simulation integrates manufacturing technology, machine numerical control theory, computer aided design(CAD), computer aided manufacturing (CAM), model building and simulation. Operator can feel the virtual environment of 3D model produced by the computer with eyes. When designing a new project or changing a project, operator can machine the parts, check the accuracy and rationality of the NC program, comment on and optimize the machining method in a virtual environment before actual machining. All these are to shorten the developing cycle, reduce the production cost, improve the quality of the products and production efficiency.
In this system, the author develop a 3D dynamic geometry simulation system according to the existed opening NC system based on RTLinux by the way of NC code simulation with the computer simulation technology and cartoon technology based on OpenGL. So the integration of graphic programming and machining is realized.
The content of this paper is followed:
(1) The characteristic of WOP is analyzed and a friendly interface is established.
(2) A 3-axis and graphic interactive inputting NC programming is designed. It's unnecessary for the programmer to use the abstract instruction language, furthermore, the aided calculation and the calculation for tool track are not needed.
(3) The checker and translator for NC code are designed. They solve the problem of converting the WOP to NC code and simulation for cutter path.
(4) The NC code editor is designed to help the user to select the programming language.
(5) The author researches the 3D graphic manufacture technology base on OpenGL deeply. Blank and tool are dispersed according to the principles of triangle surface disperse method and visual disperse method. So the mathematic models of tool and blank are established.
(6) Simulation model for 3D milling is designed.
数控加工仿真集制造技术、机床数控理论、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、建模与仿真技术于一体。人能够凭视觉感知计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境，在设计新的方案或更改方案时能够在真实制造之前在虚拟环境中进行零件的数控加工，检查数控程序的正确性、合理性，对加工方案的优劣做出评估与优化，从而最终达到缩短产品开发周期、降低生产成本、提高产品质量和生产效率的目的。
本系统中，作者利用基于OpenGL的计算机仿真和动画技术，采用基于数控代码的仿真方法，针对已有的基于RTLinux的开放式数控系统，研究与开发了一套数控加工过程的三维动态几何仿真系统，实现了图形化编程和加工仿真的一体化。
该课题主要完成以下内容：
(1) 分析了面向车间的数控编程系统的特点，建立了友好的系统界面。
(2) 设计了一套三轴的图形交互式输入的数控编程语言，编程人员无需使用抽象的指令语言，并且免除了辅助计算和刀具轨迹运算的工作。
(3) 设计了数控程序检查器、解释器，很好地解决了从WOP到NC数控代码的转换再到生成刀具仿真轨迹的生成。
(4) 设计了NC代码编辑器，便于用户进行编程语言的选择。
(5) 深入研究了OpenGL三维图形制作技术，运用了三角面离散法和视向离散法的算法原理，对毛坯和刀具进行离散化，构建了刀具和毛坯的数学模型。
(6) 设计了仿真模块，实现了三维铣削加工的仿真。
WOP (Workshop Oriented Programming) is a new programming method for CNC machine and it's originally started in the world in the late of 90s of last century. It takes a visualized way to define the parameters for parts machining process. After postposition process, the graphics with parameters for parts machining can generate NC program automatically and the machining track can be simulated on the CNC system CTR. So the operators can program skilfully without understanding the abstract NC programming language(ISO Code). The programming time is greatly reduced, and the programming reliability and efficiency are also improved.
NC machining simulation integrates manufacturing technology, machine numerical control theory, computer aided design(CAD), computer aided manufacturing (CAM), model building and simulation. Operator can feel the virtual environment of 3D model produced by the computer with eyes. When designing a new project or changing a project, operator can machine the parts, check the accuracy and rationality of the NC program, comment on and optimize the machining method in a virtual environment before actual machining. All these are to shorten the developing cycle, reduce the production cost, improve the quality of the products and production efficiency.
In this system, the author develop a 3D dynamic geometry simulation system according to the existed opening NC system based on RTLinux by the way of NC code simulation with the computer simulation technology and cartoon technology based on OpenGL. So the integration of graphic programming and machining is realized.
The content of this paper is followed:
(1) The characteristic of WOP is analyzed and a friendly interface is established.
(2) A 3-axis and graphic interactive inputting NC programming is designed. It's unnecessary for the programmer to use the abstract instruction language, furthermore, the aided calculation and the calculation for tool track are not needed.
(3) The checker and translator for NC code are designed. They solve the problem of converting the WOP to NC code and simulation for cutter path.
(4) The NC code editor is designed to help the user to select the programming language.
(5) The author researches the 3D graphic manufacture technology base on OpenGL deeply. Blank and tool are dispersed according to the principles of triangle surface disperse method and visual disperse method. So the mathematic models of tool and blank are established.
(6) Simulation model for 3D milling is designed.
引文
[1] Internet:http://www.e-works.net.cn/ewkArticles/Category69/Articlell455.htm
[2] 张浩，周庆，吴启迪．回转体车削加工零件的面向车间数控编程系统．北京：计算机辅助设计与制造，1996．01
[3] 李爱平，朱志浩，张曙．面向车间的数控编程(WOP)技术．大连：组合机床与自动化加工技术，1998．1
[4] 李爱平，张曙．机床改造与CNC的职业培训．北京：工厂建设与设计，1997．5
[5] Victor Yodaiken and Michael Barabanov.RTLinux Version Two. Internet:http://www.rtlinux.org
[6] Internet:http://www.FSMLabs.com
[7] 李宋琛．Linux面向对象窗口高级编程．北京：科学出版社，2001
[8] 陈向阳，方汗．Linux实用大全．北京：科学出版社，1999
[9] 董渊，朱亚平，倪逸．Linux系统Motif／OpenGL程序开发．北京：机械工业出版社,2000．1
[10] 戴达强等．OpenGL在图形仿真系统中的应用．西安：现代电子技术，2001．9
[11] 刘雄伟编著．数控机床操作与编程培训教程．北京：机械工业出版社，2001
[12] 杜君文，邓广敏．数控技术．天津：天津大学出版社，2002．2
[13] 焦振学．微机数控技术．北京：北京理工大学出版社，2000．11
[14] 许祥泰，刘艳芳．数控加工编程实用技术．北京：机械工业出版社，2002．2
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[16] iTNC 410, User's Manual Conversational Programming , 2001.6
[17] iTNC 530, User's HEIDENHAIN Conversational Format (English) , 2002.10
[18] Touch Probe iTNC 530 User's Manual , 2002.8
[19] Basic course G3 and Upgrade course TNC 310 2000.7
[20] TNC124 User's Manual , 1999
[21] 方沂编著．数控机床编程与操作．北京：国防工业出版社，1999
[22] 李福生．数控机床程序编制．北京：机械工业出版社，1982
[23] 陈向阳，方汗．Linux实用大全．北京：科学出版社，1999
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[25] 罗学科，王东宇，徐兴建．数控代码的计算机图形仿真．沈阳：机械设计与制造，2000．3
[26] 彭海涛等．数控加工G代码程序的仿真检查．北京：航空制造技术，2001．3
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[38] 张春良等．数控铣床仿真系统．广州：机床与液压，2001．4
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[42] 余斌．基于OpenGL的数控加工仿真系统的研究与开发．四川大学硕士学位论文，2002．5
[43] 苏爱林．基于多任务并行处理技术的高性能经济型数控系统理论研究．博士毕业论文，2000
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