数控仿真系统三维建模技术研究

摘要：本文综合分析数控机床仿真系统的构建，并结合三维建模技术进行展开探讨，采取层次化与结构化的三维建模方法，来建立多角度、多元化和多维度的数控机床仿真系统。本文围绕三维建模的过程进行分析，具体指出了数控仿真系统在三维建模上的思路以及具体的建模环节，从而得出了通过三维建模技术的运用能够使数控仿真系统的构建更加科学化和细节化的结论。

关键词：数控机床；仿真系统；三维建模

0 引言

所谓数控，是数字控制的简称，其指的是就是建立在数字化信息技术的基础上，完成对机械运动设备以及加工设备的数字控制，实现自动化操作和管理。而数控仿真系统，其就是通过在数控技术的基础上，完成对真实数控机床的作业的流程和操作环节进行模拟，并结合编程技术实现对数控机床实现全自动化操作，并在构建数控仿真系统的基础上提高操作人员或者编程人员的工作效率。

1 建模思路

在三维建模的过程中，其具体对象为数控机床，通过利用几何原理、空间点离散原理以及数控仿真系统的构建原理，来整理出如下建模思路：

第一，数控机床的本体建立三维模型。以基本硬件设备为基础，从宏观构建到微观零部件的角度完成建模思路的规划，并结合旋转模型对数控机床的真实操作状态进行规则化比对，从而能够更加清晰和直观地描述出数控机床的本体。第二，数控机床加工过程中的动态建模。利用NC码进行实施监控与描写，提取每个时间点的运动轨迹和几何定位点[1]。

2 建模过程

2.1 数控机床本体的三维建模

在数控机床仿真系统的构建过程中，通过利用三维建模中的CSG建模理念，使数控机床仿真系统的总体构建趋于多层次化和多结构化。并在三维建模的基础上将复杂、繁琐建模过程转化为更加清晰、更加明了的简易结构，从而在简易结构的基础上完成简单形体的建模组合，实现数控机床仿真系统的模型构建。在数控机床本文的三维建模中，其具体的建模方法为[3]：

首先，以数控机床的操作规则为基本原则，以实际具体的工作状态进行真实模拟。在理想状态的环境中忽略数控机床内部的传动装置与后备服务装置，从而在最大程度的简化内部要素的结构，实现三维模型构建的程序化。其次，利用三维理念对数控机床的几何结构与物理结构进行区分和划分，对每种结构的内部构造层层细分，在宏观环境下对微观因素按照相似性规则进行详细区分，并利用三维维度进行简化处理，降低数控机床仿真系统构建的难度和复杂度。最后，通过利用三维建模数据库中的几何实体进行模型构建，将具体的立方体、圆柱体以及圆环体等做种几何立体模型与数据库中的具体数据进行比对和配对，在数控技术的基础上实现最优化组合。与此同时，采用方差计算的方式使组合的计算结果更加精确，立足于OpenGL软件内部强大的三维图型库，找到最符合数控机床本体的最佳三维模型，从而完成机床本体的三维建模工作。

2.2 加工过程的动态仿真三维建模

在数控机床的加工过程中，为了使数控仿真系统的动态性能实现最优化发展，通过利用三维建模中的空间离散法，来促使数控机床在加工过程中的数控仿真系统构建的更为精确和高效。在空间离散法的运用下，要将数控机床内部的空间物体转换为不同三维位置的“空间点”，并对这些“点”进行均匀布阵，按照这些“点”分布的具体线条关系连结成三角片矩阵，从而形成了初步的三维建模。当程序处于运行的过程中，要不断按照真实的路径进行重新描写，并对这些“点”的真实属性进行程序化渲染，从而保证数控仿真系统运作状态的自身“分析”能力更加准确无误[4]。

在空间离散法的应用下，对数控机床的车削和三轴铣削进行三维建模并做出进一步加工。首先，数控机床的车削毛坯呈现为圆柱形的状态，且其多利用在打磨和加工机床的回转表面。其次，三轴铣削的毛坯多呈现出长方体的形状，其只有在毛坯体的表面进行加工，因此只具备了独立的加工面。通过在数控机床的毛坯体上进行离散化和三维建模，来构建属于数据机床的仿真系统。下图为数控机床中车削和三轴铣削毛坯的三维立体离散图：

在该图中，以独立面为中心构建三维函数轴，即X轴、Y轴与Z轴，那么在该三维函数轴基础上对车削进行空间点离散化，使其形成三点共面的状态，作为三维建模的基本模型。与此同时，针对数控机床中的三轴铣削设立A、B、C、D四个点，以四个点形成的不同三维空间模型进行细细划分，比如ABD之间的三角网格、BCD之间的三角网格等，从而以网格为单位进行三维建模。当前使用的数控仿真系统多是建立在windows系统基础上，那么在windows的环境下通过利用Visual、OpenGL以及C++6.0技术软件，使数控机床的毛坯体离散化过程得到细节分析，结合数据结构和各个节点的具体数据构建三维模型，实现数控机床仿真系统的多元化建设。

2.3 粒子系统的建模

为了更加真实的模拟数控机床在冷却液喷出状态下的具体工作细节，需要立足于粒子系统，完成细致环节的三维建模，体现液体粒子的冷却状态与运动状态。在粒子三维建模的过程中，要周而复始的完成以下四个环节的工作：母粒子源产生新粒子；准确计算、复核并实时性更新新粒子的基本属性；定位删除死亡（淘汰）粒子；绘制粒子的具体运动线路，从而构成源源不断、持续运作的粒子流。在以上四个环节的循环运动下，完成了更加具体的三维建模工作，这样在粒子系统的基础上，构建了更为清晰、细致化和高度仿真性的数控机床仿真系统。

结论：

综上所述，本文以上通过围绕三维建模的过程进行分析，并结合三维建模技术进行展开探讨。通过结合三维建模技术对数控仿真系统进行真实还原与模拟，形成的三维图示更加具有真实感，并且形成的三维立体Flash实时性与可视性都很强，实现了数控仿真系统研发与运用的高效化与集约化发展。

参考文献：

[1]陆宝春，徐开芸，等人.数控仿真教学系统的研究与开发[J].中国制造业信息化，2013，19：30-33+37.

[2]张天其，于忠海，等人.数控机床三维建模与加工仿真技术研究[J].机械工程师，2014，01：62-63.

[3]邢吉利，李翔龙，等人.数控铣削仿真系统关键技术的研究[J].机械设计与制造，2015，06：170-172.

[4]唐宇鸿，高丽娜，等人.仿真系统中三维建模技术的研究[J].电子制作，2014，19：48-49.

作者简介：

牛玉荣（1988—），女，汉，安徽合肥，硕士研究生，助教，主要研究方向为数控加工、三维建模与仿真。