（机械电子工程专业论文）基于vrml的数控车削加工中心虚拟培训系统的研究.pdf

摘要 数控加工过程中，无论采用什么系统进行数控程序的编制，都可能发生错误， 编程人员事先对这些错误往往很难预料，对它造成的后果亦难于预测，同时数控 设备昂贵，资源有限，给操作培训带来一定的困难。现有c a d c a m 系统自动 生成的n c 加工程序一般需要经过人工调试才能使用，调试n c 程序的传统方法 是加工木质、塑料或轨迹显示法。但是前者费工费料，代价昂贵；后者运动轨迹 的显示局限于二维，和实际加工情况相差很大，能否开发出一套相关的培训系统 是提高数控编程技术人员编程能力的关键。本论文居于此种情况，开发了一个基 于网络的虚拟制造加工环境，用于数控车床的操作培训( 一方面通过三维验证n c 代码的正确性，同时使编程人员熟悉操作环境) ，可实现在不消耗和损害现有资 源的情况下进行数控车床的培训工作，可以大大降低培训成本。 本论文主要研究和解决以下几个方面的问题： 首先，本论文在分析几种c a d 建模软件各自特点后，研究了适合于虚拟现 实的培训环境、工件毛坯和工件加工过程的快速建模技术。 第二，本论文探讨了虚拟车床的工作特点，并研究通过内部接口( j a v a s e r i p t ) 和外部接口( e a i ) 进行通信，并依此来实现了数控车床的操作、加工和越程保 护( 如正反转点动、工件的装夹、车削工件等) 。 第三，本论文对n c 代码语法、词法、语意进行了研究，并在此的基础上完 成系统n c 代码检错和翻译功能，并在界面上显示错误的n c 代码。同时亦研究 n c 文件在a p p l e t 窗口的读入和保存。 本论文还研究了系统培训指南模块人机界面的要求和客户的需求分析，设计 了培训指南模块的框架，并利用h t m l 网页的超链接，实现了机床操作学习界 面和v r m l 的交互。 本论文开发的基于v r m l 的数控车削中心虚拟培训系统可以用于初步教学 和培训。 关键词：虚拟现实：数控车床；j a v a ；v r m l 广东工业大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t w h e n m a c h i n i n g ，i tm a y m a k es o m em i s t a k e sn om a t t e rw h i c h s y s t e mi sa d o p t e d t op r o g r a mn cc o d ef o rc n cm a c h i n e i ti sv e r yd i f f i c u l tf o rp r o g r a m m e r st op r e d i c t m i s t a k e si nn cc o d e 船w e l la st h ec o n s e q u e n c ea f t e rt h ec o d ew a st r a n s f e r r e dt ot h e c o n t r o l l e r m e a n w h i l e ，i ti sr a r ef o ru sb e e a n s ec n cm a c h i n ei se x p e n s i v e ，w h i c h b r i n g sd i 伍c u l t i e sf o ro p e r a t i n ga n dt r a i n i n g t h en c c o d ec r e a t e da u t o m a t i c a l l yb v c a d j c a m s y s t e mi su s e f u lo n l yb ym a l u a ld e b u g g i n g t h et r a d i f i o n a lm e t h o do f d e b u g g i n g i sm a c h i n i n gt h ew o o do rp l a s t i c s ，s h o w i n gt h e c u t t i n gt r a j e c t o r y ，b u tt h e f o r m e rk i l l s 也et i m ea n dm a t e r i a l ；t h ed i s p l a yo ft h el a t t e r sm o v e m e n to r b i tc o n f i n e s t ob e i n gt w o d i m e n s i o n ，s oi td i f f e r sg r e a t l yw i t ha c t u a lm a c h i n i n gs i t u a t i o n i ti sa k e y f o rp r o g r a m m e r st oi m p r o v ep r o g r a m m i n g a b i l i t yw h e t h e rc o u l dd e v e l o pa s e to f r e l e v a n tt r a i n i n gs y s t e m i nt h i sp a p e rw e d e v e l o p e d av i r t u a lm a c h i n i n ge n v i r o n m e n t b a s e do nn e t w o r ka c c o r d i n gt ot h ea b o v es i t u a t i o n t l l i se n v k o n m e n ti sh s e di n o p e r a t i o nt r a i n i n gf o rc n cl a t h e ( o n ea i mi s t o v e r i f y o fn cc o d et h r o u g ht h e t h r e e d i m e n s i o n a n o 也e ri s t of a m i l i a rw i t ht h e o p e r a t i n g e n v i r o n m e n tf o r p r o g r a m m e r s ) t h et r a i n i n go fc n c l a t h ei sn o tc o n s u m i n ga n dd a m a g i n ge x i s t i n g r e s o u r c e s ，w h i c hr e d u c e s t h e t r a i n i n gc o s tg r e a t l y t l l i sp a d e rm a i n l ys t u d i e sa n ds o l v e st h ep r o b l e m 雒f e l l o w s ： f i r s t ，w es t u d yt h er a p i dm o d e l i n gt e c h n o l o g yw h i c h i ss u i t a b l ef o rt h ev i r m a l r e a l i t ye n v i r o n m e n to ft r a i n i n g ，a n d t h e w o r k p i e c e a n dm a c h i n i n gc o u r s ca f t e r a n a l y s e se a c h c h a r a c t e ro fs e v e r a lc a d m o d e l i n g s o f t w a r e s e c o n d t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ew o r k i n gc h a r a c t e ro fv i r t u a ll a t h e ，a n ds t u d i e s t h ec o m m u n i c a t i o nt h r o u g hi n n e ri n t e m a l ( j a v a s c r i p t ) a n de x t e r n a li n t e r f a c e ，w h i c h c a nb eu s e dt o o p e r a t i n g ，m a c h i n i n ga n dt h ep r o t e c t i n gb e y o n dt h em a r ko fc n c l a t h e ( i n c l u d ep o s i t i v ea n dn e g a t i v e c l i c kr o t a t i o nc o n t r o l l i n g 、i n s t a l l a t i o na n dt u r n i n g o f w o r k p i e c e ) t l l i r d t h i sp a p e rs t u d i e st h eg r a m m a r , m o r p h o l o g ya n dm e a n i n go f n c c o d e ，i n t h es a n l et i m e ，w er e a l i z e dt h ee x a m i n a t i o na n dt r a n s l a t i o no fn cc o d e ，s ot h a tt h e w r o n gi n f o r m a t i o nc a nb es h o w e do n u s e r si n t e r f a c e w ea l s os t u d yh o wn cf i l ei s r e a da n ds a v e d i na d d i t i o n ，t h i sp a p e ra l s od e s i g n st h et r a i n i n gg u i d em o d u l et h r o u g hs t u d y i n g t h ed e m a n df o rt h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n d t h ea n a l y s i so fc u s t o m e r sd e m a n d ， t h e nu t i l i z i n gt h eh y p e r l i n k i n go ft h ew e b p a g e w er e a l i z et h ei n t e r f a c ei n t e r a c t i o n b e t w e e nu s e ri n t e r f a c eo fo p e r a t i n ga n dv i 洲l n l ec n c l a t h e rv j r n l a it r a i n i n g s y s t e mb a s e do nv r m l o ft h i s p a p e r c a nb eu s e di np r e l i m i n a r yt e a c h i n ga n d t r a i n i n g k e yw o r d s ：v i 删r e a l i t y ；c n cl a t h e ；j a v a ；v r _ m l i i 第一章绪论 1 1 基于v r m l 的数控虚拟培训系统的概述 一、计算机仿真和虚拟现实技术 当计算技术尚未出现的时期，仿真只能在实物上进行，这一阶段的仿真称为 模拟仿真，其特点是：仿真是在实物上进行，因而实时性强且精度较高，但在实 施的难度和费用都较大。后来计算机被引入到仿真领域，仿真技术进入另一个阶 段，有一部分计算机代替实物。进入8 0 年代末期，计算机仿真技术发生了重大的 转变，计算机已成为一种重要的仿真工具 1 】 2 】 3 。随着计算机技术发展，特别是 近十几年来计算机的硬件和软件发展和普及，数控加工仿真技术逐渐成熟， 已经取代了传统的实施难度和费用都较大实物仿真，利用计算机仿真技术来开发 数控技术培训软件作为培训教育主流f 4 】1 5 1 。它是利用计算机显示三维实体的代码 加工过程，面板控制操作过程。学员通过培训系统训练，可以验证n c 代码正确性 和操作面板每一个按钮、旋钮的功能。它具有直观、形象、可视性和交互性强的 特点。 近几年来，计算机仿真技术在诸多方面都发生了重大的转变，计算机仿真已 经进入一个全新发展时期，它的重要性与特殊功能已越来越突, f i t 6 1 7 1 。虚拟现实 ( v z r m a lr e a l i t y ) 简称v r ，是在计算机的环境中高度逼真地模拟人在自然环境中 的视、听、动等行为的人机交互技术 8 】 9 j 1 。1 。虚拟现实技术不仅是有效地替代实 验的高效、快捷、可靠的手段，而且是解决许多现有实验条件下无法验证和探索 问题的唯一方法【l l 】 1 2 】。现代产品的日益复杂化和工作环境的多样性已经越来越 多地依靠虚拟现实技术而不是实验手段来修改和完成工程设计，甚至有些规律的 揭示也是紧紧地依赖于虚拟现实技术【”】。虚拟现实技术从根本上改变了人与计算 机的交互方式，被誉为是下一代的人机界面 14 】。虚拟现实的特征可以概括为三个 “i ”【1 5 】即：沉浸( i m m e r s i o n ) ，使投入到虚拟世界中去，产生处在虚拟世界中 的幻觉；交互( i n t e r a c t i o n ) ，用户可以与虚拟环境互动，得到反馈信息和改变 虚拟世界；想象( i m a g i n a t i o n ) ，要求用户发挥想象力，运用虚拟世界解决问题。 虚拟现实技术的三个“i ”的特征使它在航空、航天、医学等高科技领域和 教育、娱乐等方面显示出诱人的前景。随着相关的硬件、软件成本的逐渐减低以 及技术方面的不断取得新的突破，虚拟现实技术的应用将迅速扩大，数控设备加 工、操作、维护的仿真培训是虚拟现实技术的具体应用。随着数控设备越来越复 杂和昂贵，如果操作和编程失误将十分危险，这势必对操作人员、维修人员和工 艺技术人员提出了更高的要求，因此人员培训一直是数控生产活动的重要环节， 它直接关系到经济效益和安全生产。传统作法是在生产设备进行培训，这种培训 方式存在许多缺点，学员难得动手，培训效果差，培训方式被动，难于实施针对 性教学，这种传统的培训越来越难满足生产技术发展的需要。虚拟现实技术的交 互性使仿真系统可成为培训的良好工具，可以围绕虚拟设备的原型进行设备功能 操作和代码修正以及设备维护和检修。 虚拟机床通过对虚拟毛坯的加工，不仅仅能为虚拟制造提供很多关键技术 数据，同时通过真实地对数控机床加工过程的行为进行仿真可以用来对数控机床 操作人员进行培训，可以节省昂贵的数控机床资源和避免由于数控机床的走刀错 误而造成数控设备损坏的危险。 二、课题的提出及意义 数控技术是制造业实现自动化，柔性化，集成化生产的基础；数控技术应 用是提高产品质量和劳动生产率必不可少的重要手段；数控机床是国防工业现 代化的重要战略装备；是关系国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要标 志。数控机床因其高效，高功能而能成为现代机械加工生产工具的代表，要提 高我国机械行业的生产技术就必要普及数控机床。所以我国将发展数控机床列入 机械行业的重中之重。二十一世纪机械制造业竞争，其实质是数控技术的竞争。 加入世贸后，中国正在逐步变成“世界制造中心” 1 6 1 r 丌。为了增强竞争能 力，中国制造业开始广泛使用先进的数控技术。同时，劳动力市场出现数控技术 应用型人才的严重短缺，媒体不断地呼吁“高薪难聘高素质的数控技工”。数控 人才的严重短缺成为社会普遍关注的焦点问题，这已引起中央领导同志的关注， 教育部、劳动与社会保障部等政府部门正在积极采取措施，加强数控技术应用型 人才的培养。然而我国的数控机床的使用情况却存在以下的问题：操作、编程 的培训费用很高，会操作，编程的人员少，即使会操作、编程，遇有加工的需求， 特别是单件小批量生产，感到编程，调整麻烦；一旦编程和控制有错误，就会造 第一章绪论 成设备和质量事故，往往不敢用数控机床。因为这些问题的存在，使得重金购买 的数控机床长期处于利用率低的境地。因此要提高我国内的数控机床的利用率， 增加企业生产效益，对数控机床编程操作人员进行技术培训是一项重要和长期任 务。 机床数控技术是在2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种机床自动控制技术，随着技 术的不断发展，3 0 年来得到了迅速发展。在数控加工过程中，无论采用什么样的 系统进行程序的编制，都可能发生错误，编程人员事先对错误往往很难预料，尤 其对一些大数控程序，由于其复杂性和不可靠，在进行产品加工前，往往要进行 多次检查和程序调整，包括模拟零件的加工过程，检验刀位计算是否正确，加工 过程是否过切、加工过程是否有干涉和碰撞等等。 为了检验数控程序的正确性，传统上采用试切的办法，但这种方法费工费料， 代价昂贵，从而延长了产品的生产周期。后来又采取轨迹显示法，这种方法也可 以检查出一些大的错误，但其运动仅限于平面，局限性很大。 最近几年，计算机硬件和软件技术得到进一步的发展和完善，计算机仿真培 训软件相当流行，有相当一部分用于数控机床操作，编程的培训，通过降低了对 实物、实地的要求，即使编程和控制有误，也不会造成设备和质量事故等优点， 通过这样来解决数控机床厂家和企业的培训问题，同时为在校学生提供了广阔的 培训途径和实习环境。在上一节探讨了很多关于虚拟制造技术在制造业方面的应 用，下面探讨在教学方面的意义。 具体意义有以下几个方面： 1 满足在校学生对课程设置和教学内容的要求。 在我国，机制和机电类专业课程设置近几年来有所改进，但教学内容仍然陈 旧。学生所学到的知识与企业的要求尚存在一定的差距，企业急需的数控机床的 编程、操作、维护的培训，部分学校因实训条件所限制，仍以理论讲授为主，效 果较差。在实践技能培训方面，很多学校把重点放在数控机床简单操作上，而对 数控加工工艺、模具设计、c a d c a m 与数控自动编程、数控机床的维护、维修等 专业技术能力培训不够。通过使用具有良好人机界面计算机仿真培训系统和挂接 在系统里的较新的课程设置和内容，利用可视化性和可操作性，反复操作和训练， 培训效果一定回很好。 2 解决学校对数控专业师资不足，素质不高问题。 数控技术在近几年的广泛应用，引起了数控人才大量需求，同时造成数控师 资、特别是同时具有相当的理论知识和丰富的实践经验的数控师资队伍的严重不 足，严重制约着现代数控技术人才培训水平的提高。如果在开发计算机仿真培训 系统的团队里加入一定数量具有相当的理论知识和丰富的实践经验的数控师资， 这样一来开发出来的计算机仿真培训软件自然受到数控机床编程操作人员和在 校学生的欢迎。 3 解决实训设备条件、数量严重不足，且不配套问题 近年来，受数控人才需求增长的拉动，各职业学校均建有不同规模的数控实 训基地，有的是规模大，设备种类多的实训中心，也有设备种类和数量相对较少 的实验室。值得注意的是，为了尽可能与企业保持一致，以达到培训效果，各职 业学校在实训硬件选型逐步趋向全部采用工业用数控机床、加工中，h 而且实训 基地往往以加工设备配备进口数控系统为主，由于每台数控设备非常昂贵，学校 购置的设备数量非常有限，每个学生的独立动手实际操作机会很少，实训效果并 不好。这种安排，不能适应普及性的教学实验，只能给学生作“演示实验”。数 控技术是实践很强的综会技术，没有通过实践体会很难获得良好的教学效果。虚 拟：j n t - 环境可使培训人员产生交互，沉浸和想象的感觉，获得知识和操作体验， 可以是培训人员更快地适应真实机床上操作，即使操作和程序代码有错误也不会 造成经济损失，大大节省培训费用。 总之，数控机床仿真操作系统可以脱离真实的车间生产环境，在一个相对安 全和优越的条件下实现对真实机床的模拟操作，对于一些斥巨资引进的先进数控 机床设备的企业和学校，可以使用仿真操作系统来培训机床操作人员和管理技术 人员，以确保设备运行的安全，减少由于盲目操作带来的损失【1 8 】。所以凡是涉及 到数控机床的单位，无论是制造业中的各种工厂、科研机构和学校，都对这样一 套经济实用的数控机床仿真培训系统有着广泛和追切的需要，市场是巨大的。本 人在参照了台湾大乔机械工业股份公司生产的v i n t e c - 1 5 数控( 广东工业大学 f m s 实验室提供) 后，建立了“t c 1 5 数控车削加工中心仿真培训环境”。 最近几年，计算机硬件和软件技术得到进一步的发展和完善，特别是计算机 网络的传输速度和安全得到保证后，使通过网络的远程培训成为可能，采用何种 4 语言来构建培训l 环境是必须考虑的。 三、国内外研究现状综述 由于数控加工在机械制造业发挥了越来越重要的作用，为了缩短产品开发周 期，减少产品的开发成本，通过计算机图形显示技术对数控加工过程进行模拟以 取代或减少试切的方法应运而生 1 9 1 。这种方法随着计算机图形技术的不断发展而 逐步演变成为今天的数控加工仿真技术，并在c a d c a m 体系中占据了越来越 重要的地位，成为一个研究的热点问题。近年来，全国各地已有多家科研机构、 高等院校和企业开展了虚拟车床的研究和开发，并取得重要进展。 早期的数控车床的仿真，采用了轨迹显示法，即用计算机控制铅笔绘图器， 以笔代替刀具，以纸代替毛坯来仿真刀具的运动轨迹的二维图形，这种方法可以 显示三轴的加工轨迹，也可以检查一些大错误，但其运动仅限于平面，局限性大 【2 0 】。由于c a d c a m 市场需求十分巨大，在此背景下出现了一批优秀的 c a d c a m 软件，他们具有先进的管理基础，强大的工程背景和完善的操作功能 和专业化的技术服务，能够显著提高制造业的经济效益，较具代表有p r o e 、 m a s t e r c a m 、u g 和s o l i d w o r k s 等。这些软件可以实现三维的数控仿真加工，并 且能提供强大的二次开发模块，例如p r o e 、u g 等提供m sv c + + 的开发方法和 接口，s o l i d w o r k s 提供了基于c o m 和o l e 技术的二次开发接口，采用以上的 软件系统作为仿真系统图形显示平台，开发者无需考虑光源，材料等影响真实感 的因素，大大降低了编程的难度和强度。工件毛坯直接由设计过程调用，具有完 全的真实形状，仿真效果不错。由于具有以上优点，实际上这些软件已在我国占 据了一定的市场，但他们大多数价格昂贵，并对硬件有要求，而且二次开发的工 作量很大，这些对中小企业来说，无论资金和技术都很难满足以上的要求。以上 的软件亦仅仅提供工件和刀具的轨迹仿真( n c 代码的仿真) ，而作为一个数控 设备的培训系统，仅仅有刀具轨迹的仿真是远远不够的，在培训i 环境里必须考虑 到按钮操作和实际操作等仿真功能【2 l 】。 由于受到计算和大存储的需求的限制，目前的数控加工过程的仿真，主要是 几何仿真为主，即将刀具和零件看成刚体，目的是验证程序的正确性，不考虑切 削力和切削参数和其他物理参数的影响。力学仿真将刀具和零件视为弹性体，主 要是保证程序正确性基础上，消除切削变形引起的加工误差。它通过仿真切削过 程的动态力学特征来预测刀具破损、刀具振动、控制切削参数，从而达到优化切 削过程的目的。近年来，由于计算方法和计算机硬软件的进步，有些院校亦研究 和开发了力学仿真系统。 目前，我国的高等院校和科研单位在数控车床仿真培训系统方面也做了大量 的研究工作。如早期北京航空航天大学采用二维示意图形表示数控仿真环境的 c h 一2 0 0 0 数控车床仿真机，当刀具与工件接触时，工件与刀具的公共部分被屏幕 的景色覆盖，表示工件的该部分已经被去除【2 ”。同时工件轴线的对称部分也被去 除，产生切削效果。合肥工业大学在v i s u a lb a s i c6 o 的环境下，利用窗口的可 视化开发了一套具有w i n d o w s 支持数控车削仿真学习软件f 矧。用户界面完全采用 w i n d o w s 风格，对文件的建立、保存都设置了快捷键和按钮，能针对不同的数控 加工系统，使用目前比较通用的几种数控系统为对象，具有常用的功能，使该系 统更具有开放性和适应性，能选择工具菜单中的代码检验或点击语法检查工具按 钮就可以对用户输入的程序开始语法检查，在错误的文本框中点击鼠标，就可以 在n c 代码输入窗口中相应的出错行高亮地显示，从而为修改源程序提供了方便。 仿真显示模块利用仿真程序对已经修改过数控加工代码进行翻译、处理和计算， 将有关信息处理成计算机绘图的有关数据，在利用计算机的绘图功能和动画技 术，在屏幕上形象地模拟数控机床加工零件。类似的还有南京航空航天大学开发 的基于c s 的数控加工仿真教学系统，在v i s u a lc6 o 的环境下，他把仿真教学 系统分为机床的控制面板和刀具加工工件两个独立的部分 4 1 。将两个程序分别安 置在两台计算机上，两者之间通过w i n s o c k 进行单机或联机通讯构成服务器客户 机模式，加工部分充当服务器。此系统最大的特点通过控制部分和加工部分的分 离使系统可以避免在同一加工仿真程序的基础上实现不同厂家机床的控制功能， 从而具有良好的可扩展性。 以上仿真系统采用v b 、v c 等工具开发，除了开发的工作量大之外。图形效果 显示不够逼真，功能和效果不太理想。而西北工业大学和四川大学却通过另一种 环境开发了自己的系统，他们采用了v i s u a lc + + 和开放式图形库o p e n g l 相结合方 式建立虚拟数控车床，与直接运用实体模块建立三维实体的其他几个工具比较起 来，由于o p e n g l 基于低层图形开发平台，对实体的渲染着色、动画及消隐都要另 行编程实现，开发的工作量大2 3 】口4 】。o p e n g l 的动画是通过双缓存实现的，在一 第一章绪论 个缓存中显示帧时，在另一个缓存中绘制帧，当一帧图形绘制结束时，两个缓存 切换，这样一来不会出现因显示部分帧而出现不完整的切削场面，在实现动画时 能够出现比较平滑的画面。同时系统具有成本低，稳定、可扩展性和适应多平台 性等的特点。哈尔滨理工大学切削加工过程的虚拟现实系统，在v c + + 6 o 平台上 利用最新的虚拟现实软件w t k ( w o r l dt o o lk i d ) 模拟了切屑形成和折断过程的 一系列切削加工过程【2 5 j 。在环境的建模，他们采用a u t o c a d 和3 d sm a x 软件，经格 式转换后由w t k 来直接读取，通过调用函数来完成虚拟加工过程。在交互的界面 输入各种参数的方法控制切屑的形态，利用已有的数学模型控制切屑折断。在配 合硬件设备3 d 信号发生器和立体液晶眼镜，就可使虚拟加工环境达到触手可及的 景深效果。但由于在编程过程中忽略了一些次要因素，如材料缺陷、刀具磨损及 振动问题等，所以他们也还是几何仿真技术范畴。比哈尔滨理工大学做得更细的 有中南大学，他们的仿真系统在进行加工过程图形显示和物体间的碰撞、干涉检 验的同时主要用来完成质量预测与分析所需要几何信息，在通过表面加工质量预 测模型，计算加工表面粗糙度【1 8 1 。这样一来，仿真完成后，既得到“切削”零件 三维实体模型，又可以观测到零件的加工尺寸和表面的粗糙度，实现了仿真结果 的可视化。 随着先进制造业的飞速发展以及生产过程的高效率，高智能化和自动化的要 求，单纯的几何仿真已不能满足需要，力学仿真技术以成为一种趋势。由于数学 模型难以建立和计算量巨大，在这方面研究的高校并不多，沈阳航空工业学院已 经跨出了坚实的一步【2 6 1 。他们采用v i s u a lc h 作为编程语言，利用o p e n g l 形库， 对车屑、冷却液，瞬时切屑力进行深入分析，建立了相应的数学模型，并进行了 实时模拟。通过对车屑、冷却液，切屑力进行模拟，可以控制切屑的流出方向和 流出形状，在加工前达到预见性的效果，预测切削力的大小，可以达到控制切削 力的目的，到达切削力的优化，进而确定最优的切削用量三要素，以保证加工工 件的表面质量和切削刀具的使用寿命；通过对冷却液的仿真，可以了解切削液使 用对刀具的使用寿命，改善加工表面质量，提高生产效率所起的作用。他们的虚 拟数控车削软件系统不可完全考虑了加工过程各种物体的不同物理性质之间的 影响，导致仿真结果的可信度的降低。 虚拟制造的研究工作在国外也受到重视，将成为未来制造业的重要发展趋 势。国外很早就已展开数控机床仿真方面的研究工作，美国l a 肥公司，d e n r b 公司 等一直在进行虚拟车床的研究。美国m a r y l a n d 大学开发了用于培训数控人员的虚 拟机床仿真器，韩国的t u r b ot e l 公司1 9 9 9 年开发出面向培训的虚拟数控车削及 铣削加工环境，能够实现数控加工的几何仿真，配有声音【2 l 】。e l 本s o n y 公司研制的 f r e d a m 系统可对球铣刀加工自由面进行三维仿真，可以进行在碰撞检查。意大利 b o l g n a 大学用b 样条曲面建立铣刀与工作台模型，采用真实感图形显示铣床精加 工过程。德国m t s 数控加工仿真系统可以实现以下的功能，交互式编程功能；数 控系统后置处理功能；数据库储存工艺数据功能；对刀功能；建立工艺档案功能； 仿真模拟功能：加工分析功能等。是一个很好的数控加工仿真系统软件。 目前制造业全球化的趋势对信息共享技术提出了要求，基于w e b 的三维产品 信息共享逐渐成为研究的热点，v r m l ( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) ， 即虚拟现实建模语言，是目前唯一的一种f 撒w e b 浏览器支持的通用三维场景描 述语言，可以用在i n t r a n e t 、i n t e r n e t 和本地机系统中，并成为标准的三维图形 和多媒体交换格式。t v p f m l 2 o 提供t 5 4 个功能强大的节点，从而使创建三维 动态交互环境变得轻而易举。v r i v i l 技术的出现和成熟，为实现譬前的微机的条件 下以w e b 方式共享仿真信息，适应i n t e r n e t 的发展以及协同制造要求提供了新的 技术手段，使数控仿真技术的发展和远程的数控技术培训开辟了一条新的道路。 数控车床的仿真在很大程度上依赖于3 d 图形，利用v 脒l 可以编写出复杂的交 互式三维的图形，可以满足虚拟数控车床培训环境的创建。由于j a v a 具有平台无 关，健壮安全等独特优点，使他成为国际互联网中最有前途的竞争者和w e b 嵌入 式实现方案的支撑技术。随着网络带宽加大，计算机性能的进一步提高，j a v a 语言的日益成熟为v r m l 的实时动态交互提供了良好编成语言环境，而且v r m l 标准 不断更新，这一切使得v r m l 在网络上的应用e l 益广泛，因此用v r m l 进行数控机床 仿真和远程数控教学培训具有一定的先进性和较大的经济价值a 本论文基于v 1 j 6 l 有以上的特点，提出了基于v 蹦l 数控车削加工中心虚拟培训的研究。 1 2 本课题主要研究内容 本文研究基于v r m l 的数控车削中心虚拟培训系统，用于t c 1 5 车削加工中心 的机床操作、编程学习、设备的维护和故障诊断的教学和培训。本系统在微机平 第一章绪论 台上运行，具有友好的操作培训界面，在不消耗和不损坏现实资源的情况下，安 全准确，快速系统地进行数控车床的培训i 工作，大大降低培训成本；并可对操作 者随时进行培训。 本论文主要进行以下的具体研究工作： 1 虚拟车削加工中心的实体构造 研究用何种建模软件，快速、精确地建立由机床、夹具、刀具、毛坯等组成 的t c - 1 5 车削加工中心虚拟加工环境的实体模型，以及如何描述它们之间的结构 关系。 2 n c 代码的处理 研究在虚拟加工环境下，用何种编程语言实现对n c 代码输入、保存，检错、 翻译以及数据处理。 3 虚拟加工环境操作仿真 研究v r m l 通信机制，研究了操作面板按钮、旋钮和工件、刀架、床鞍和三爪 卡盘之间的相互运动关系，包括直线，回转及装夹等运动；同时实现了用鼠标直 接开关保护门功能。 4 数控加工仿真 研究了常用数控加工的几何仿真方法，如直接实体造型，空间分割法以及离 散矢量求交法的优缺点，提出根据车削加工的特点，可以使用加工工件参数化几 何仿真方法；并研究如何用数控代码驱动虚拟车床进行加工仿真。 5 越程处理 研究车削加工中心加工工件的特点，对加工仿真过程中刀架、床鞍和三爪卡 盘等的行程作了限制。 6 车削加工中心虚拟培训环境界面 研究如何建立友好的系统培训界面，如何利v r m l 交互特点来设置学习、操作 和维护模块，从而提高了培训效果。 1 3 本论文的框架 本论文的第一章绪论对基于v r m l 的数控车床虚拟培训系统的研究的意义、 技术要求和背景以及国内外在虚拟机床研究现状等作简单盼介绍。 第二章介绍了基于y r m l 虚拟培训系统，设计了实现数控车削加工中心仿 真培训环境的体系结构及用户界面结构；并简单的介绍了v r m l 和j a v a 是如何 地有机的结台。 第三章着重介绍车削加工中心总体建模所用到的软件以及实现的具体方 法。探讨了毛坯的建模以及加工工件建模方法的种类及为何本论文在工件加工过 程采用参数化建模。 第四章中详细地介绍j a v a a p p l e t 与v r m l 场景相互通讯的机制，仿真操作 动画，以及n c 代码功能是如何在虚拟培训环境中实现的。 第五章中介绍仿真培训指南模块功能的开发和各功能模块。 最后论文作了全文总结和未来的研究方向。 1 0 第二章虚拟培训系统 第二章虚拟培训系统 2 1 数控车床工作原理及构成 加工 图纸 数控机床的工作原理如图所示【2 7 】。 编制 数控 程序 输入 装置 数控 装置 伺服驱动 位置检铡 辅助控制 机床 主运动 进给运动 辅助动作 加工 零件 圈2 1 数控机床的工作原理 数控机床加工零件时，首先应根据零件图纸编制零件的数控加工程序，将数 控程序输入到数装置，再由数控控制机床主运动的变速、启停，进给运动方向、 速度和位移大小，以及其他诸如刀具的选择与交换、工作的夹紧与松开和冷却与 润滑的启停等辅助动作，使刀具与工件及其他辅助装置严格地按照数控程序规定 的顺序、路线和参数进行工作，从而m i 出形状、尺寸与精度符合要求的零件。 1 编制数控程序 首先在对加工零件进行充分的工艺分析的基础上，确定零件的编程坐标系， 零件加工的工艺路线或加工顺序。得到零件加工的所有运动、尺寸、工艺参数等 加工信息后，按标准格式用文字、数字和符号编制零件加工的数控程序，编好的 数控程序，存放在便于保存和输入到数控装置的一种存储载体上。 2 输入装置 编制好的程序载体上的数控程序代码，经输入装置传送并存入数控装置内。 有些数控装置，可与计算机用通信方式直接传送数控程序。 3 数控装置 数控装置是数控机床的控制单元，它由专用或通用计算机作为核心，输入装 置接收的数控程序，经数控装置系统软件和逻辑电路进行编译、运算和处理后， 输出控制信号控制机床的各个部分，进行规定的、有序逻辑动作。 4 伺服驱动、位置检测、辅助机能控制装置 伺服驱动系统接收数控装置发来的速度和位移信号，控制伺服电机的方向， 并与机床上的机械传动部件组成数控机床的进给系统。 位置检测装置与伺服系统配套组成闭环伺服驱动系统，它测量执行部件的实 际进给位置，并把这一信息送给伺服系统与指令位置进行比较，将其误差转换、 放大后控制执行部件的进给运动。 辅助机能控制装置是介于数控装置和机床的机械、液压部件之间的强电控制 装置，其主要作用是接收数控装置输出的主运动变速、刀具的选择与交换、辅助 装置的动作等信号，完成指令所规定的动作。 5 机床的机械部件 数控机床的机械部件包括：主运动部件( 如：主轴组件、变速箱等) 、进给运 动执行部件( 如：工作台、拖板、丝杠、导轨及其传运部件) 和支承部件( 如： 床身、立柱等) ，数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但其传动结构要求 更为简单，在精度、刚度、抗振性及其动态特性等方要求更高，而且对其传动变 速系统要求实现自动控制。 2 2 虚拟培训系统结构设计 一个数控车床仿真培训系统的好坏，取决于它模拟真实的数控车床的加工环 境和操作的精确程度。如果对实物操作的仿而不真，必然造成了操作人员感受可 信度的下降，达不到仿真培训的效果，所以仿真培训的系统要求真实感强和给人 一种身临其境的感受2 引。为此，数控车床的仿真培训环境的建立必须要考虑车床、 操作面板、刀具的各个细节，务求准确地描述他们的特征，并能在操作面板和仿 真界面上完成各个按钮、旋钮和加工仿真的操作。 在开发虚拟培训系统过程中，为了达到身临其境的效果和提高系统的开发效 率，系统的设计应遵循了以下几个原则： 1 友好的用户界面 界面是整个系统的窗口，在虚拟培训系统中，个好的人机界面是非常重要 的，它是操作人员和设备进行交流的接口，应使用户乐于接受和享用，使用灵活、 便于掌握、提示信息简单易懂等。 2 容易实施 虚拟培训系统应选择流行且实用的软件操作平台，使用户可以在较普通和常 用的系统平台上实现操作培训。 3 模块化 采用模块化的结构，版本的更新换代比较方便，即把每一模型结构和程序 分成一个小模块，采用面向对象的建模和编程技术并封装，充分利用继承性，提 高代码重用率，使开发的程序便于调试、测试、维护和改进，。 本论文仿真培训环境参照了台湾大乔机械工业股份公司生产的v 1 1 q t e c 1 5 数控车削中心( 广东工业大学f m s 实验室提供) ，v r n t e c 1 5 数控车削加工中心 和普通数控车床是不同的，它的外型大，响应快，操作面板上各按钮的功能更完 善，主轴功率强劲，加工外圆表面的质量，无论是本身精度、位置精度，表面质 量都比普通数控车床要高，应用范围广，广泛地应用于航空、航天、汽车、造船 和模具制造等重要产品的生产。当然它的价格相当昂贵，学生在其上操作培训几 乎不太可能。由于以上的原因，所以本论文选择v f n t e c 1 5 数控车削加工中心 为仿真培训环境的原型而不是选用一般的数控车床的原因。 根据数控车床的结构及功能，建立如图2 2 的虚拟培训系统体系结构： 生 床 床 体 数控车床培训环境 加工环境建立li 车床运动、加工仿真 i1 培训指南 坯 工 件 造 刀 架 造 型 驯舯 雏雏 2 2 仿真环境体系结构 虚拟培训系统是用软件建立的一个数控系统，因此它不是一个实实在在的 物理装置，而是一种数字化产品的模型，这种数字化产品不可能按照实际的机械 模型来建立。在开发虚拟车床之前，我们应对它的结构，特性、功能进行分析总 结，最终抽象出虚拟机床的元素，在由这些元素构成我们的虚拟车床。我们针对 数控车削加工中心的功能进行仿真，以达到快速、准确的培训效果。仿真培训环 境各模块的功能介绍如下： 1 加工环境建立 虚拟加工环境的核心是虚拟数控车床。为了达到感性、直观的操作体验，我 们把数控车削加工中心模型分成若干模块，这些模块是根据层次划分的方式得到 的，其实在不影响虚拟机床整体结构和性能的基础上，可以把一部分细小的部件 忽略掉。我们利用了3 d 建模技术，根据原来的t c 1 5 数控车削加工中心的尺寸 按比例来建模，分别把每一个部件单独建好，如床身、尾架、刀架、主轴、卡盘 等，这样做的目的是为了方便修改，并渲染成原机床的颜色，看起来具有较好的 质感，并把它们装配好。我们亦知道，无论是静态或动态部件的装配，都不用考 虑需要各种力的因素，只要把装配部件的位置恰当地表示就可以了。然后通过格 式的转换，完成虚拟数控车床虚拟场景中数控车床、卡盘及刀具等三维实体 v r m l 构建。 2 车床运动及加工仿真 建立了v r m l 的数控车削加工中心后，我们看到的仅仅是一个数控车削中心 模型而已，虽然可以通过浏览器对它进行浏览，但也仅仅能显示它的轮廓，在没 有别的用途。使用v r m l 所建立的虚拟设备是可以运动，并可以按一定的规律 动作的；一台能够按照用户需要或指令运动的虚拟机床才称得上为一部好的虚拟 设备。也可以这样说，虚拟车床的运动、加工过程仿真是仿真培训环境的核心、 重点和难点，它包括面板操作控制、数控代码文件处理、越程保护及动画实现这 四个子模块。 ( 1 ) 面板操作控制 在现实加工中，工作人员不但能够随时观察数控机床的各种运动，而且可 以调用m d i 的各种参数，或停止机床运行或观察机床的各个反馈值，对于实际 的机床，这些都很容易做到。在虚拟培训系统里，由于受到屏幕大小的限制，如 何方便地操作机床面板里的按钮、旋钮和显示控制参数是一件非常难办的事情， 但这些在虚拟培训系统里是必须具备的功能；因此必须找一个合理解决问题的方 案，兼顾按钮、旋钮功能和显示控制参数的同时，又不失虚拟车床的联动观察。 ( 2 ) n c 文件处理 在这个了模块里，实现n c 代码的读入、预处理、检错和翻译功能。可以 在文本框形成n c 文件，对其剪切，复制和修改等文本编辑，然后保存以供加工 是使用，通过仿真加工界面的代码检查按钮可以检查n c 代码是否正确，仿真按 钮对n c 代码进行翻译处理，从而形成n c 图形驱动码控制车床的加工运动。 1 4 第二章虚拟培_ i l 系统 ( 3 ) 越程保护 对于数控车削中心来说，床鞍和刀架的运动不可能是无限的，因为它们的 运动范围都是受到机床本身的机械条件的限制，所以每台机床加工工件的尺寸大 小是有限制的。为了避免加工过程事故的发生，在t c 1 5 的数控车削加工中心工 作台里安装了几个限位开关，从而起到保护设备和工作人员的安全。 而在虚拟培训环境里，无论如何也不可能造成安全事故，但为了是加工仿 真达到仿真效果，亦应设置软的“限位装置”，当床鞍和刀架行走到某一极限位 置时，就发送不能往前走命令，从而实现软限位。 ( 4 ) 动画实现 虚拟培训环境不能直接执行n c 代码，模块接受n c 文件处理模块传递过 来的n c 图形驱