數控仿真系統三維建模技術研究

摘要：本文綜合分析數控機床仿真系統的構建，并結合三維建模技術進行展開探討，采取層次化與結構化的三維建模方法，來建立多角度、多元化和多維度的數控機床仿真系統。本文圍繞三維建模的過程進行分析，具體指出了數控仿真系統在三維建模上的思路以及具體的建模環節，從而得出了通過三維建模技術的運用能夠使數控仿真系統的構建更加科學化和細節化的結論。

關鍵詞：數控機床；仿真系統；三維建模

0 引言

所謂數控，是數字控制的簡稱，其指的是就是建立在數字化信息技術的基礎上，完成對機械運動設備以及加工設備的數字控制，實現自動化操作和管理。而數控仿真系統，其就是通過在數控技術的基礎上，完成對真實數控機床的作業的流程和操作環節進行模擬，并結合編程技術實現對數控機床實現全自動化操作，并在構建數控仿真系統的基礎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，其具體對象為數控機床，通過利用幾何原理、空間點離散原理以及數控仿真系統的構建原理，來整理出如下建模思路：

第一，數控機床的本體建立三維模型。以基本硬件設備為基礎，從宏觀構建到微觀零部件的角度完成建模思路的規劃，并結合旋轉模型對數控機床的真實操作狀態進行規則化比對，從而能夠更加清晰和直觀地描述出數控機床的本體。第二，數控機床加工過程中的動態建模。利用NC碼進行實施監控與描寫，提取每個時間點的運動軌跡和幾何定位點[1]。

2 建模過程

2.1 數控機床本體的三維建模

在數控機床仿真系統的構建過程中，通過利用三維建模中的CSG建模理念，使數控機床仿真系統的總體構建趨于多層次化和多結構化。并在三維建模的基礎上將復雜、繁瑣建模過程轉化為更加清晰、更加明了的簡易結構，從而在簡易結構的基礎上完成簡單形體的建模組合，實現數控機床仿真系統的模型構建。在數控機床本文的三維建模中，其具體的建模方法為[3]：

首先，以數控機床的操作規則為基本原則，以實際具體的工作狀態進行真實模擬。在理想狀態的環境中忽略數控機床內部的傳動裝置與后備服務裝置，從而在最大程度的簡化內部要素的結構，實現三維模型構建的程序化。其次，利用三維理念對數控機床的幾何結構與物理結構進行區分和劃分，對每種結構的內部構造層層細分，在宏觀環境下對微觀因素按照相似性規則進行詳細區分，并利用三維維度進行簡化處理，降低數控機床仿真系統構建的難度和復雜度。最后，通過利用三維建模數據庫中的幾何實體進行模型構建，將具體的立方體、圓柱體以及圓環體等做種幾何立體模型與數據庫中的具體數據進行比對和配對，在數控技術的基礎上實現最優化組合。與此同時，采用方差計算的方式使組合的計算結果更加精確，立足于OpenGL軟件內部強大的三維圖型庫，找到最符合數控機床本體的最佳三維模型，從而完成機床本體的三維建模工作。

2.2 加工過程的動態仿真三維建模

在數控機床的加工過程中，為了使數控仿真系統的動態性能實現最優化發展，通過利用三維建模中的空間離散法，來促使數控機床在加工過程中的數控仿真系統構建的更為精確和高效。在空間離散法的運用下，要將數控機床內部的空間物體轉換為不同三維位置的“空間點”，并對這些“點”進行均勻布陣，按照這些“點”分布的具體線條關系連結成三角片矩陣，從而形成了初步的三維建模。當程序處于運行的過程中，要不斷按照真實的路徑進行重新描寫，并對這些“點”的真實屬性進行程序化渲染，從而保證數控仿真系統運作狀態的自身“分析”能力更加準確無誤[4]。

在空間離散法的應用下，對數控機床的車削和三軸銑削進行三維建模并做出進一步加工。首先，數控機床的車削毛坯呈現為圓柱形的狀態，且其多利用在打磨和加工機床的回轉表面。其次，三軸銑削的毛坯多呈現出長方體的形狀，其只有在毛坯體的表面進行加工，因此只具備了獨立的加工面。通過在數控機床的毛坯體上進行離散化和三維建模，來構建屬于數據機床的仿真系統。下圖為數控機床中車削和三軸銑削毛坯的三維立體離散圖：

在該圖中，以獨立面為中心構建三維函數軸，即X軸、Y軸與Z軸，那么在該三維函數軸基礎上對車削進行空間點離散化，使其形成三點共面的狀態，作為三維建模的基本模型。與此同時，針對數控機床中的三軸銑削設立A、B、C、D四個點，以四個點形成的不同三維空間模型進行細細劃分，比如ABD之間的三角網格、BCD之間的三角網格等，從而以網格為單位進行三維建模。當前使用的數控仿真系統多是建立在windows系統基礎上，那么在windows的環境下通過利用Visual、OpenGL以及C++6.0技術軟件，使數控機床的毛坯體離散化過程得到細節分析，結合數據結構和各個節點的具體數據構建三維模型，實現數控機床仿真系統的多元化建設。

2.3 粒子系統的建模

為了更加真實的模擬數控機床在冷卻液噴出狀態下的具體工作細節，需要立足于粒子系統，完成細致環節的三維建模，體現液體粒子的冷卻狀態與運動狀態。在粒子三維建模的過程中，要周而復始的完成以下四個環節的工作：母粒子源產生新粒子；準確計算、復核并實時性更新新粒子的基本屬性；定位刪除死亡（淘汰）粒子；繪制粒子的具體運動線路，從而構成源源不斷、持續運作的粒子流。在以上四個環節的循環運動下，完成了更加具體的三維建模工作，這樣在粒子系統的基礎上，構建了更為清晰、細致化和高度仿真性的數控機床仿真系統。

結論：

綜上所述，本文以上通過圍繞三維建模的過程進行分析，并結合三維建模技術進行展開探討。通過結合三維建模技術對數控仿真系統進行真實還原與模擬，形成的三維圖示更加具有真實感，并且形成的三維立體Flash實時性與可視性都很強，實現了數控仿真系統研發與運用的高效化與集約化發展。

參考文獻：

[1]陸寶春，徐開蕓，等人.數控仿真教學系統的研究與開發[J].中國制造業信息化，2013，19：30-33+37.

[2]張天其，于忠海，等人.數控機床三維建模與加工仿真技術研究[J].機械工程師，2014，01：62-63.

[3]邢吉利，李翔龍，等人.數控銑削仿真系統關鍵技術的研究[J].機械設計與制造，2015，06：170-172.

[4]唐宇鴻，高麗娜，等人.仿真系統中三維建模技術的研究[J].電子制作，2014，19：48-49.

作者簡介：

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