（航空宇航制造工程专业论文）基于web的数控铣削仿真系统的研究和实现.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 数控仿真技术是c a d c a m 系统的关键技术，也是现代制造技术中降低生 产成本，提高生产效率的重要环节。本文以江苏省“十五”高技术计划研究项 目“基于网络的智能化c a m 平台的研究和实现”为背景，研究了n c 代码 的预处理技术以及基于w e b 的数控铣削仿真加工技术。主要的研究内容和成果 如下： 1 研究了基于w e b 的数控铣削仿真系统的网络环境构建，并利用a s e n e t 技术建立了w e b 仿真系统。研究了系统的仿真图形网络发布机制，提出了异地 仿真加工的策略和方法，避免了图像的网络传输延迟，提高了仿真系统的执行 效率。 2 分析了三种c n c 系统的n c 程序编写规则，以基于中间文件的方式实现 了通用n c 代码预处理器。研究了通用n c 代码预处理器的实现算法，并利用组 件技术初步实现了具有一定通用性的适用于数控三轴铣削加工仿真系统的n c 代码预处理器。 3 以上述研究成果为基础，建立了基于w e b 的数控铣削动态仿真系统，实 际使用效果良好。 关键词：c a d c a m ，数控仿真，n c 代码转换，w e b 基于w e b 的数控铣削仿真系统的研究和实现 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g i e so fd y n a m i cs i m u l a t i o no nn c m a c h i n i n g ，a so n eo ft h ek e y t e c h n o l o g i e so fc o m p u t e r - a i d e dd e s i g na n dc o m p u t e r - a i d e dm a n u f a c t u r i n g ，c o u l d d e c r e a s et h ec o s to f p r o d u c ta n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fe n t e r p r i s e f r o mt h e v i e w p o i n to f “s h i w u h i 【g ht e c h n o l o g i e sp r o j e 竹“r e s e a r c ha n di m p l e m e n t o f i n t e l l i g e n t c a m p l a t f o r mb a s e do n t h en e t w o r k ”，t h i sp a p e rf o c u s e do nt h et e c h n o l o g i e so fn c c o d e sp r e p r o e e s s i n ga n dd e v e l o p e dad y n a m i c m i l l i n gs i m u l a t i o ns y s t e mb a s e d o nt h e w 曲t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h en e t w o r k e de n v i r o n m e n to fm i l l i n gs i m u l a t i o ns y s t e mw a sr e s e a r c h e d b a s e do nt h ea s e n e tt e c h n o l o g i e s ，aw e b - b a s e ds i m u l a t i o ns y s t e mv c a sb u i l d t h e i m a g e s t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo ft h i s s y s t e m i si n t r o d u c e d t h em e t h o do f s e p a r a t e ds i m u l a t i o ni sg i v e ni no r d e rt oa v o i dt h et r a n s m i s s i o nd e l a ya n d r a i s et h e e x e c u t i n ge f f i c i e n c yo f t h es i m u l a t i o ns y s t e m 2 t h er u l e so fn cp r o g r a m si nt h ed i f f e r e n tt h r e et y p e so fc n c s y s t e m sw e r e a n a l y z e d t h eg e n e r a l p u r p o s en c c o d e sp r e p r o c e s s o rb a s e do nt h em i d d l ef i l e si s i n t r o d u c e d t h e i m p l e m e n t a t i o na l g o r i t h m s o f g e n e r a l p u r p o s e n cc o d e s p r e p r o c e s s o rh a v eb e e nr e s e a r c h e d t h i sp r e p r o c e s s o rh a sb e e ni m p l e m e n t e dw i t h c o m p o n e n tt e c h n o l o g i e s ，w h i c hi su s e di nt h et h r e e a x i sc o m p u t e r c o n t r o ls i m u l a t i o n s y s t e m ， 3 a c c o r d i n gt ot h ea c h i e v e m e n t sa b o v e ，ad y n a m i cm i l l i n gs i m u l a t i o ns y s t e m b a s e do nt h ew e bw a s p r e s e n t e d a n dt h ep r a c t i c a le f f e c ti sp r o v e dt ob ee f f i c i e n t k e y w o r d s ：c a d c a m ，n u m e r i c c o n t r o ls i m u l a t i o n ，n cc o d e sc o n v e r s i o n ，w e b 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研 究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献 的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被 查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：盟 日 期：出兰；i ! 蔓i 南京航空航天大学硕士论文 1 1 网络化制造技术概述 第一章绪论 制造业水平是衡量一个国家工业化进步的重要标志，现代制造业技术正在 向数字化、网络化、智能化和虚拟化方向发展。我国是制造业大国，将成为国 际制造业的中心，但我国制造业就其现状而言还不能称之为制造业的强国。为 了尽快提高我国制造业的整体素质，必须大力推进制造业信息化。制造业信息 化离不开网络化制造技术，网络化制造技术是制造业信息化的基础。因此，研 究网络化制造是发展我国制造业水平必不可少的重要过程。 网络化制造( n e t w o r k e d m a n u f a c t u r i n g ) 的含义是指：面对市场需求与机 遇，针对某一特定产品，利用以因特网为标志的信息高速公路，灵活而快速地 组织社会制造资源( 人力、设备、技术、市场等) ，按资源优势互补的原则，迅 速地组成一种跨地域的、靠电子网络联系的、统一指挥的运营实体网络联 盟“3 。网络化制造以敏捷化、分散化、协作化、集成化、数字化和网络化为基本 特征。 敏捷化是网络化制造的核心思想之一。生产制造系统在现今发展阶段面临 诸多挑战，例如：市场环境的快速变化带来的不确定性；技术的迅速发展带来 的设备和知识的更新速度加快；市场由卖方转为买方，市场正逐步走向全球化。 所有这切都要求制造业具有快速反应外部环境变化的能力，即敏捷化能力。 网络化制造的分散化主要体现在两个方面，一是资源分散性，包括制造硬 件资源分散在不同的组织内、不同的地域内等；其二是指制造系统中生产经营 管理决策的分散化。 资源的充分利用体现在形成产品的价值链中的每一环节。产品从设计、制 造、总装，直到销售、售后服务，都需要网络联盟合作伙伴之间的紧密配合。 这种协作化是一个快速响应市场、完成共同战略目标的优化过程。 集成化是指由于资源和决策的分散性特征，要充分发挥资源的效率，就必 须使制造系统中各种分散的资源能够实现集成。分散资源的高效集成是网络化 制造的目标。 网络化制造的数字化借助信息技术，使网络化制造能够实现真正完全无图 基于w e b 的数控铣削仿真系统的研究和实现 纸的虚拟设计和虚拟制造，帮助企业形成信息化的组织构架，实现企业内部、 企业与外界的信息流、物流和资金的顺畅传递，从而保证了产品设计与制造周 期的缩短，降低成本，提高工作效率。 现代通信技术的发展促进了网络联盟的形成。由于制造资源和市场的分散， 实现快速重组必须建立在网络化的基础之上。因此，组建高效的网络联盟需要 将电子网络作为支撑环境，并充分应用现代化通信技术和信息技术。 1 2 数控加工网络化制造技术 数控机床是组成先进制造业自动化系统的重要设备。我国数控机床的拥有 量在机床中占2 5 ，数控机床的研究和普及与工业发达国家相比，有很大差距”1 。 在我国的数控机床使用中，有些应用得很好，充分发挥了效益，而大多数 却存在开动率和利用率不高、经济效益不理想等问题，造成资源的极大浪费， 阻碍了企业竞争力的增强“1 。分析导致数控机床利用率偏低、使用范围有限等现 状的原因，我们看到我国的数控技术资源分布不均衡是一个很重要的因素，往 往是具有硬件设备，却缺乏软件力量，即数控机床的软硬件资源、高素质人员 资源很难同时兼有而又达到亲密配合的程度。 根据我国数控机床实际生产和使用中所存在的问题，需要我们不仅要在数 控系统软硬件上提高技术的可靠性和稳定性，还要在生产模式上发生改变p 】。网 络化的制造技术顺应了未来制造业的发展趋势，在数控加工中的应用具有重要 意义。它实现了生产管理模式的创新，形成了一个完整的商务概念和网络经营 环境；其次，它有效地利用了软件资源，提高了设备使用率；另外，它有利于 人员的技术培训，减少企业的资金投入。 因此，数控加工作为先进制造的典型技术，是网络化制造的重要手段。在 全球网络制造环境下，网络联盟组成单位之间的数控加工以何种方式相互联系， 以何种内容进行相互合作，这就需要我们建立基于网络化制造的数控加工模型。 以数控加工基础技术为主线，以t c p i p 协议为网络通信平台，开发c a d c a m 系统的网络制造技术，实现产品设计和加工基础技术的网络化，将具有自动生 成数控代码和代码校验能力的c a d c a m 系统集成到i n t e r n e t 上，使更多具有数 控机床的用户可以通过互联网，使用网上发布的数控资源信息，获得产品加工 的n c 代码，通过网络仿真校验数控代码的正确性，并将其直接用于异地的数控 南京航空航天大学硕士论文 加工“1 。网络化数控加工基础工作流程如图1 1 所示，以该基础工作为依托，建 立面向数控加工装备的样板网络，该网络主要用于建立数控加工装备企业间的 合作模型，使合作单位共享数控加工资源。 产品特征造型+ 工艺参数优化+ 走刀轨迹生成 n c 仿真n c 代码网上传输n c 异地加工网上交流 图1 1 网络化数控加工基础工作流程 图1 2 所示为数控加工基础工作的网络化结构模型，它是基于i n t e r n e t 技 术，将数控加工基础工作的每个环节与网络相连接，借助i n t e r n e t 全球分布特 点，构建数控加工的网络化制造环境，为全球化制造环境的形成奠定基础。 图1 2 数控加工基础工作的网络化结构模型 由该模型可以看出，数控加工网络化制造技术研究内容的涉及面很广泛， 包括计算机的信息传递技术、产品的设计与先进制造技术、企业管理技术、自 动控制技术几大领域的知识。具体需要解决的相关技术包括：异地三维可视环 境的建立；产品图形及仿真结果的网络发布与浏览；数控代码的网络传输：网 上交流机制等内容。 1 3 基于网络的数控仿真技术 随着计算机软硬件技术和其他科学技术的进步与发展，c a d c a m 技术日趋完 善，它的应用范围也在不断扩大。今天的c a d c a m 技术已广泛应用于数值计算、 工程绘图、工程信息管理、生产控制等设计生产的全过程中。其中网络化的c a m 基于w e b 的数控铣削仿真系统的研究和实现 技术主要研究计算机辅助制造的网络化，主要包括异地加工、基于w e b 的数控 加工仿真、数控代码的网络校验、数控加工信息的网络传输等内容。 1 3 1 基于w e b 的数控加工几何仿真 加工过程的动态几何仿真已成为刀位验证的重要手段，其基本思想是采用 某种造型技术建立加工零件毛坯、夹具及刀具在加工过程中的凡何模型，然后 将加工零件毛坯、夹具的几何模型及刀具的几何模型进行快速布尔运算，最后 采用真实感图形显示技术，把加工过程中的零件、夹具及刀具模型动态地显示 出来，模拟零件的实际加工过程。该技术的特点是仿真过程的真实感较强，操 作人员可以清楚地看到零件的整个加工过程，刀具是否啃切加工表面，是否于 约束面发生干涉与碰撞等，基本上具有试切加工的验证效果( 对于由于刀具受 力变形、刀具强度及韧性不够等问题仍无法达到试切验证的目的) “1 。 由于这类仿真软件造价昂贵，再加上企业难以在短时间内花高额费用培训 技术人员，这极大地影响了仿真软件在实际生产中的普及与应用。将数控加工 3 d 几何仿真与网络集成，在任意系统和平台上，用户通过浏览网络发布的数控 加工3 d 仿真图形，可以验证数控加工代码的正确性，减少误操作，提高企业的 生产效率。同时，建立网络化的数控仿真平台，使得用户在从购买软件到购买 服务的转变过程中，通过仿真软件的网络共享，可以节省因软件维护与升级带 来的相关投入和开支。 基于w e b 的数控仿真技术在国内乃至世界上都是新兴技术。国内部分院校 和研究机构已开展了这方面的研究：由东北大学王蕾等人提出的“基于w e b 数 控加工3 d 几何仿真技术”，讨论了在同构和异构环境下建立几何仿真的网络结 构“1 ；华中科技大学和新加坡国立大学联合提出的“m u l t i u s e rn cm a c h i n i n g s i m u l a t i o no v e rt h ew w w ”方案，利用v r m l 和j a v a 技术实现了虚拟环境下的 协同仿真过程”1 。 1 3 2w e b 仿真图形动画的处理 基于w e b 的数控仿真仍然属于图形仿真的范畴，因此它的关键技术之一就 在于如何向用户传输具有真实感图形的加工过程。在c a d c a m 软件系统的3 d 仿 真图形w e b 发布与浏览的结构中，需要将仿真的矢量图形转化成w e b 支持的位 图动画格式，这里用到了数据压缩技术和捕捉技术。 南京航空航天大学硕士论文 压缩技术可以将矢量图形转换成w e b 支持的位图及动画格式。w e b 支持最典 型的动画要算g i f 动画，通过一系列彼此有差别的单个位图图像( g i f ) 来产生 运动画面。而捕捉技术是以一定的采样深度对视频或动画信号进行捕捉，然后， 将采样后所得数据保存起来，以便对它进行编辑、处理和播放。 运动序列前后有微小差别的图像，称为动画的帧，它是通过计算机在一定 的采样频率下，对采样值进行量化、编码来产生和记录。只要将这些帧以一定 的速度放映，就可以得到动画。运动图像的帧速率在1 0 帧s 以上，所显示的图 像序列可以有“在运动”的感觉，但是运动过程中图像有抖动，要使运动平滑， 帧速率应大于或等于1 5 帧s 。所以，只有使用1 5 帧s 以上的帧速率进行捕捉， 才会使n c 加工过程表现得完整，不出现走刀断点。由于动画的文件量大，网络 速度限制了动画在网络上的应用，为此，一般都采用了“服务器推动”技术， 由本地服务器将动画推到客户端，使动画获得较平滑的运动效果。 由天津大学研制开发的仿真软件r t s s w ( r e a l - t i m es i m u l a t i o ns y s t e mf o r w e b ) ，采用了j a v a 来实现w w w 上的仿真。j a v a 是可用于删的面向对象编程语 言，它使得在w 聊上能够执行程序，它的小应用程序( j a v a a p p l e t ) 是从服务 器上下载到浏览器并在浏览器上执行的，因此具有良好的动态交互特性。r t s s w 分为建模、仿真核心和演示输出三个部分。建模和演示输出运行在浏览器上， 仿真核心运行在服务器上。用户在浏览器上启动r t s s w 的建模部分，在用j a v a 实现的图形界面上建立仿真模型。建模结束后用户的仿真模型被传送到w e b 服 务器，并与服务器上的相应程序进行通信。此服务器程序用于接收用户的模型， 动态产生一个s o c k e t 端口号，此端口号用于服务器端的仿真核心与浏览器端的 动画显示部分的实时通讯。同时该程序产生一个仿真核心进程，运行用户提交 的仿真模型。如果用户选择了动画演示功能，则仿真核心每推进若干个时间点 就通过s o c k e t 与浏览器端的动画演示部分进行一次通讯，以便以动画方式显示 当前的仿真状态”，。 如r t s s w 这一类系统，采用异步控制的方式来实现仿真动画与仿真模型执 行间的同步，取得了良好的交互性能，用户可以停止正在运行的仿真程序，对 模型进行修改后再进行仿真。在运行过程中，用户就可以直接看到修改之处所 引起的变化。但是，该系统仍然有它的不足之处：一方面它采用j a v a a p p l e t 进 行建模，那么就限制了用户的浏览器类型必须支持j a v a a p p l e t ；另一方面，动画 是由它每秒钟的帧数以及这些帧数的尺寸和分辨率来度量的。动画的总大小是 基于w e b 的数控铣削仿真系统的研究和实现 非常大的，2 4 位颜色的6 4 0 4 8 0 图像以每秒3 0 帧的速度播放，将占用每秒2 7 m b 的带宽这还是没有声音的情况。r t s s w 利用套接字进行通信，对于由图形 显示和渲染所产生的数据来说，目前网络要维持这样的传输量还显得力不从心。 1 4 课题提出的背景、意义、任务及前景 网络化仿真本身是一个较新的领域，在其顶层设计、网络结构、通信协议 等方面还有许多问题需要探讨，往往在建立了数学模型之后，网络化仿真的主 要问题是如何建立仿真子站之间或者子站与中心服务器之间高效率的实时通 信，这是分布式仿真领域始终关注的首要问题”o 。 仿真系统中包括实时数据处理、实时图像显示、实时数据存储、实时数据 分析等功能，不同的功能对网络上数据传输的完整性和实时性要求是不同的。 由于涉及到各种数据资源，而且它们要求的传输速率和实现方式也不一致，对 于目前众多的网络协议和网络编程方法，我们有必要对其进行基础性研究，探 讨构建网络化仿真环境的实现机制，并对其实用性能给予明确的回答，从而为 在分布式交互仿真中应用这些技术打下基础。 对比国内外网络化数控仿真的发展状况，由于受当前网络技术的限制，我 们同国外都处于基础性研究阶段“。就目前的研究成果比较而言，国内在以下 几个方面还有待进一步发展： ( 1 ) 仿真图形的网络发布与浏览机制：仿真图形是用户提交的加工信息作 用于仿真核心程序而产生的输出结果文件，它以图形或图像的方式向用户展现 整个数控加工的过程。由于图形图像的数据量较大，通过网络要实现实时的加 工动画展示对物理介质的要求较高，因此，在当前的网络技术条件下，以何种 方式向用户反馈加工过程动画，对构建整个仿真系统有着重要意义。 ( 2 ) 数控代码的网络传输：网络化数控仿真需要处理用户提交的一系列加 工信息，其中最主要的是n c 代码源程序。系统需要对这些程序进行错误检查、 格式转换等处理过程，本文将执行这项任务的应用程序称为n c 代码预处理器。 目前的n c 代码预处理器基本上无法适用于网络环境，仍然属于面向桌面的应用 程序，要构建基于w e b 的数控仿真环境，就需要将处理器嵌入w e b 页面中使用。 ( 3 ) 仿真系统的适用范围：仿真原型系统以n c 代码程序作为输入参数进 行虚拟加工，因此，仿真系统的适用范围总是受n c 代码程序的限制。若n c 代 南京航空航天大学硕士论文 码预处理器能够识别多种c n c 系统的n c 程序，势必将扩大仿真系统的适用范围。 国内目前几家院校研制的n c 代码翻译器均为只适用于某一类数控系统的专用处 理器，在某些常用g 代码、5 c i 代码的处理方面还有待进一步的研究和开发。 如果在铣削仿真原型系统的基础上，采用一种更为完善的图形网络发布机 制，并以此为核心通过n c 代码预处理器来提高仿真系统的通用性和加强该机制 的安全性，构建一个基于w e b 的数控铣削仿真平台，则将真正实现网络化的数 控加工动态仿真对加工信息的优化，进一步提高动态仿真的真实性，从而为企 业提高数控加工的生产效率、缩短生产准备周期、减少生产成本以生产出高质 量的产品奠定坚实的基础。因此，我们将致力于实现具有一定通用性的网络化 数控铣削仿真系统的研究，力图使n c 代码预处理器所在的数控动态仿真系统能 够满足c a d c a m 系统向集成化、网络化发展的需要。 南京航空航天大学c a d c a m 工程研究中心进行c a d c a m 技术研究已有二十 多年历史，相继研制开发了“b - s u r f 三维c a d 系统”、“计算机辅助飞机外形设 计系统”、“超人( s u p e r m a n ) c a d c a m 集成系统”等具有自主版权的软件系统， 并在航空工业及其他民用工业中推广应用，产生了重大的经济效益，同时也为 民族c a d c a m 产业的振兴和崛起作出了贡献。利用我们强大的c a d c a m 软件研 制的技术背景，完全可以将此项目顺利完成。 一个软件产品从完成到成熟，需要走过一个不断完善的过程，世界上的多 数仿真系统，都进过了少则十几年，多则几十年的反复锤炼，不断的完善而成， 至此，迸一步完善已有的产品原型，根据国内外该领域的最新发展动态，将研 究成果放到一个全新的平台中加以应用，提高其竞争力和实用性，是十分必要 的。因此，作者利用研究中心开发的数控铣削仿真原型系统，建立了基于w e b 的数控铣削仿真环境，获得了良好的使用效果。 本文总结了作者在江苏省数字化设计制造工程研究中心攻读硕士期间，在 江苏省高技术计划研究项目资助下，完成基于w e b 的数控铣削仿真系统的若干 关键技术，所做的工作主要包括： ( 1 ) 根据仿真过程所需的加工信息，用户最终需要的加工结果，设计整个 仿真平台的模型以及仿真图形的网络发布机制； ( 2 ) 数控加工n c 代码的研究，主要包括分析多种数控n c 代码的总体结构 和它们之间所存在的差别： c 3 ) 对用户提交的n c 程序进行预处理，主要包括对数控铣削中常用的g 基于w e b 的数控铣削仿真系统的研究和实现 代码的翻译和n c 程序的标准化； ( 4 ) 设计并实现w e b 仿真系统，嵌入n c 代码预处理器组件，为用户提供 系统注船、加工信息上载和加工结果在线浏览等功能。 本课题的研究目的是在数字化设计制造工程研究中心多年来进行c a d c a m 研究、开发过程中技术积累的基础上，结合江苏省“十五”高技术计划研究项 目“基于网络的智能c a m 平台的研究和开发”，对网络化的数控加工仿真技 术进行深入的研究，以期在一些关键技术和算法的上实现突破，为新一代系统 的开发奠定基础，以推动我国自主版权c a d c a m 软件产业的发展。 1 5 论文的内容和组织安排 在本课题中，建立基于w e b 的数控仿真系统主要有以下技术需要解决：一、 在当前网络技术条件下，采用种适当的机制，用以解决仿真图形的网络发布 与浏览问题；二、三维可视环境的建立；三、设计一个可嵌入网页使用的n c 代 码预处理器，尽可能地提高n c 代码处理的通用性和高效性。 仿真图形的网络发布和浏览方式决定了整个平台的运行过程，它作为沟通 用户与仿真服务器之间的桥梁，同时也影响到了系统的组建过程。不同的网络 发布方式会有不同的系统实现机制。仿真图形的造型和显示我们采用了a c i s 和 o p e n g l 技术，对三维实体的渲染取得了良好的效果“。n c 代码预处理器在整个 系统中的作用是举足轻重的，它不但为仿真图形网络发布机制的实现提供安全 保障，还能够对用户提交的n c 代码程序进行错误校验和格式转换，进而提高仿 真原型系统的执行效率。同时，如何来实现具有一定通用性的n c 代码预处理器 将是众多数控动态仿真软件生产者关心的问题。本论文不仅对多种现今国内外 普遍流行的数控机床n c 代码系统进行了较为深入的研究和分析，而且对如何在 v c + + 环境中运用组件技术来开发n c 代码预处理器进行了探讨。 在以上功能模块的基础上，就可以构建基于w e b 的数控仿真系统。我们利 用a s p n e t 技术编写整个系统框架，提供给用户进行网络化仿真的功能。 本论文具体内容安排如下： 第一章：绪论，着重介绍了网络化制造技术及网络化的数控仿真技术的背 景知识和该课题的提出背景、任务、意义以及论文的内容和安排。 第二章：网络仿真环境的构建，着重讨论了应用于该系统的仿真图形的网 南京航空航天大学硕士论文 络发布和浏览方式，介绍了仿真平台的结构组成和基于a s p n e t 技术的重要功 能模块实现。 第三章：n c 代码预处理器组件的功能分析与设计。根据系统的仿真图形网 络发布机制，详细阐述了n c 代码预处理器在本系统中实现的重要意义。在对 n c 代码程序的组成结构、语言规则进行了一定的分析后，结合当前普遍流行的 几种数控机床n c 代码系统，提出了n c 代码预处理器在数控仿真环境中的任务、 目标及其实现思想。 第四章：主要阐述了实现通用n c 代码预处理器的方法，在对三种n c 代码 程序结构分析的基础上，详细介绍了预处理器生成的目标文件中间文件及 其标准格式。其次，着重介绍了实现通用n c 代码预处理器的关键算法，其中包 括n c 代码预处理器的基本结构介绍、主要g 代码的转换算法和具体的加工实例。 第五章：总结和展望。其中不仅对我在整个课题研究中所做的工作进行了 概括和总结，对网络化数控仿真的未来发展趋势也进行了番探讨。 基于w e b 的数控铣削仿真系统的研究和实现 2 1 引言 第二章数控铣削仿真系统的网络环境构架 建立数控铣削仿真系统的目的是检验数控加工代码的正确性，避免耗时、 费力的试切过程。目前，有关数控铣削仿真的研究较多，他们利用计算机图形 学技术和高级编程语言建立模型从而模拟刀具的运动过程，获得了较好的仿真 效果，但是它们不具有广泛的分布性，只能在单机或特定系统平台上运行。另 外，业界还出现了具有代表性的商业化软件，如p r o g 、u g 、m a s t e r c a m 及v e r i c u t 等。使用上述软件形成的几何仿真结果是三维动画图形，它们可以逼真的模拟 实际加工的全过程。然而，这类软件造价昂贵，企业需要培训专业技术人员来 使用它们。同时，由于软件的维护和升级而引发的相关问题也给企业带来了 诸多的不便和困难“。 基于w e b 的数控铣削仿真则是应用网络互联技术，开发仿真动画图形的w e b 发布与浏览程序，进行多结点、异地、实时地浏览刀具运动轨迹。 本文采用a s p n e t 技术构建基于w e b 的数控铣削仿真平台，作为c a d c a m 与数控加工机床之间的联接桥梁，将数控加工3 d 几何仿真与网络集成，使用户 在无需考虑仿真软件的维护、升级等因素的情况下，在任意平台和系统上，通 过浏览发布在客户端的数控加工3 d 仿真图形，检验数控代码的正确性，使仿真 软件共享并多节点应用。 2 2 仿真图形的网络发布机制 建立基于网络的数控仿真系统最根本的目的是实现用户从购买软件到购买 服务的过程转变，通过共享仿真软件为用户提供验证数控加工代码正确性的途 径。对于几何仿真来说，能否快速地获得真实的三维数控加工图形直接决定了 系统仿真效果的优劣。在此基础之上，要使仿真软件支持网络化功能，则更要 考虑三维图形图像因网络传输造成的延迟等因素。 在数控仿真的网络平台上，对用户而言，一旦提交加工数据以后，无需等 待服务器的处理，而即时地获得仿真加工过程动画( 或视频) 是最理想的效果。 南京航空航天大学硕士论文 要使加工过程动画表现得平滑完整，通过网络至少要维持1 5 帧秒的动画传输， 这大约需要1 4 m 1 3 左右的带宽，在目前的技术条件下，发送这个数量的数据通常 并不容易。因此，如何向用户展示仿真加工的结果信息就显得尤为重要。不同 的仿真图形网络发布机制会对整个平台的构建产生重大的影响。如图2 1 所示， 这是三种不同的仿真图形发布与浏览方式。 服务器埔 仿真原型系统 h c 代码前置处理 _ _ v i 文件 n 五石订 客户端 多媒体播放罂 w e b 仿真平台 仿真固形的阿络发布与浏览机制 ( a ) 方案l ：下载加工过程的a v i 文件 服务器端 仿真屎型系统 n c 代码前工处理 苎三苎苎广_ 匝至习 客户埔 异地三维可观环境 仿真图形的阿络发布与浏览机制 ( b ) 方案2 ：传输加工过程动画数据 ( c ) 方案3 ：传输标准格式文件 图2 1 三种不同的仿真图形网络发布机制 基于w e b 的数控铣削仿真系统的研究和实现 图2 1 中虚线表示数据的上传下载过程，实线表示数据的持续传输过程。 表2 1 对这三种发布机制作了详细地比较。 表2 1 三种图形发布机制的比较 发布机制方案l方案2方案3 【传输数据a v i 文件动画或视频文本文件 l 仿真系统运行环境服务器端服务器端 客户端 对网络带宽的需求一般较高 一般 图形效果非实时图像实时图像 实时图像 对于第一种图形发布机制下载加工过程的a v i 文件，东北大学研究的 基于同构、异构环境的数控加工3 d 几何仿真网络结构，就是采用的这种方式。 他们将该网络结构分为g c b 三级传输机制：产生层( g e r n e r a t i o nl a y e r ) 将数 控加工3 d 几何仿真矢量图形转换成w e b 支持的位图动画，以a v i 格式完成存储， 形成各操作系统及w e b 浏览器默认的动画播放格式；连接层( c o n n e c t i o nl a y e r ) 用于将数控加工仿真图形上传至服务器端；浏览层( b r o w s el a y e r ) 是用户与本 地服务器之间的交互对话过程。数控加工仿真图形上传到本地服务器，经过数 据更新后，下载到客户端。采用这种机制加大了服务器的运行负荷，用户不能 看到实时的仿真加工过程，不容易获得良好的仿真加工效果。 华中科技大学和新加坡国立大学联合提出的“m u l t i - u s e r n cm a c h i n i n g s i m u l a t i o no v e rt h ew w w ”方案，天津大学研制开发的仿真软件r t s s w 均是采 用的第二种机制。该方案把仿真原型系统放在服务器端运行，它所产生的动画 或视频数据通过s o c k e t 传输至客户端的三维可视环境中，用户因此可以浏览到 加工过程的实时信息。这神图形发布机制在服务器和客户端之间取得了较好的 交互性，易于建立协作性更强的仿真加工过程。但它的缺点也较为突出，执行 在服务器端的仿真核心程序加大了服务器的运行负荷，动画数据的传输对网络 技术条件的要求也更高。 为了解决上述两种机制的缺陷，我们采用了第三种方案仿真原型系统 的异地加工，从而避免动画或视频数据的网络传输，提高整个系统的执行效率。 整个系统的图形网络发布结构如图2 2 所示。首先，我们定义的仿真器是 指能够读入n c 程序代码、进行数控加工仿真并显示三维图形信息的程序a 该程 序已成功地实现了组件化，以供用户下载。从下面的结构图中我们可以看出， 南京航空航天大学硕士论文 仿真加工的过程既可在服务器端进行，又可在客户端进行，两者可以获得不同 的仿真加工效果；仿真获得的视频数据已不再通过网络传输，而是采用更高效 的方式若客户端下载了仿真器组件，在输入标准格式的加工数据以后，直 接在本地进行仿真加工；若客户需要服务器端提供更加“系统化”的服务，则 可以将整个加工过程完全交给服务器端运行，待服务器端在网站上上传了包含 仿真加工过程的a v i 文件以后，直接下载即可。 服各量罐客户蛾 图2 2 仿真图形的网络发布结构图 为了控制仿真器组件的使用权限，加强系统的安全的性能，用户在每一次 进行仿真加工前必须先连接服务器，连接成功以后，输入标准的加工数据即可 进行仿真并获得实时的加工图像。 2 3 网络仿真平台结构设计 2 3 1 网站用户分析 对网站规划者来说，熟悉使用网站的用户和他们的需求是十分重要的。规 划者做系统分析时，不仅要求接触用户，还要让系统能够识别身份不同的用户 并控制他们的权限。通过对用户的进行分类并了解其需求，就可以找出线索来 确定数据库的安全机制、网站功能的限制方法用户界面分组、培训和帮助需求 以及对具体内容的需求，甚至还可以从侧面了解到潜在的广告客户分布“。 图2 3 显示了几组不同的网站用户( 在u m l 中称为a c t o r ，即参与者) 。在 基于w e b 的数控铣削仿真系统的研究和实现 这里，最普通的用户类型( s i t eu s e r ) 位于图的顶端，实线及空心箭头表示“泛 化( g e n e r a l i z a t i o n ) ”关系，它表示s i t eu s e r 又可以具体分成两类用户：g u e s t 和r e g i s t e r e d u s e r 。这两类用户共有的特征在s i t e u s e r 参与者中说明，其中最主 要的是可以浏览网站部分页面，了解系统功能。而g u e s t 的专有特征是只能浏 览网页，不能使用系统功能，包括仿真加工、留言、下载等等内容。r e g i s t e r e du s e r 又可以细分为g e n e r a lu s e r 和a u t h o r i z e du s e r 两者类型，他们最大的区别在于对 仿真功能的利用：g e n e r a lu s e r 无法获得仿真器组件，只能通过系统管理员处理 他所上传的加工信息，再下载加工过程的a v i 文件；而a u t h o r i z e du s e r 则可利 用仿真器组件实现异地加工，观看实时的仿真过程。 t 态 图2 3 参与者的层次 2 3 2 仿真系统的结构组成 从用户需求的角度分析，基于w e b 的数控铣削仿真平台需要为使用者提供 下列服务： ( 1 ) 用户登录与注册 系统的登录与注册功能是每一个网站保证其安全性的重要措施，也是划分 网站用户功能的主要手段。本系统中只有在用户成功登录以后才能进行铣削仿 真加工。 ( 2 ) 铣削仿真加工 在本系统中的图形发布机制作用下，铣削仿真加工过程主要包括三个步骤： 上传加工信息、标准化加工文件格式、执行异地仿真加工，其中前两步在服务 器端进行，第三步在客户端进行。具体在客户端的w e b 页面中反映出的内容主 要是：定义毛坯、定义刀具、上传n c 代码程序以及加工信息汇总。 南京航空航天大学硕士论文 ( 3 ) 网站资源的下载 下载功能为用户主要提供两种服务：下载仿真原型系统组件和下载标准格 式文件。仿真原型系统经封装后以组件的形式提供给用户下载，所有的仿真加 工过程均是在客户端进行。标准格式文件是n c 代码预处理器对用户上传的n c 代码源程序处理得到的目标文件，它的存在限制了仿真原型系统的运行条件， 有效地保证了系统的安全性。 ( 4 ) 管理员留言簿 “管理员留言簿”能够有效地加强用户与系统管理员的信息交流，及时将 用户的使用意见反馈给管理员，从而可以构造出更加规范的应用系统。 ( 5 ) 仿真加工信息论坛 论坛为网站的使用者之间提供了一个信息交流的平台。 w e b 钪削仿真平台 蒜l 恻卜1 俐卜 定义l l 定义l l 上传n ci i 信息|i 发表li 补充 毛坯l l 刀具l l 代码程序l ! j 总|l 言论li 患见 图2 4 仿真平台的结构组成 2 3 3w o b 服务器的布局规划 图2 5 说明了仿真系统的w 曲服务器布局规划，其中各种网站服务被配置 到了网站的不同的存储区域： ，网站的根目录； c o m m o n 公用的图形、脚本、c s s 文件等； s i m u l a t e 仿真加工； r e g i s t e r 用户注j l | ； d o w n l o a d 用户下载转换得到的标准文件、a v i 文件、组件等； m e s s a g e 管理员留言簿。 基于w e b 的数控铣削仿真系统的研究和实现 图2 5w e b 服务器的布局规划 仿真加工是该网站的主要功能所在，它为用户的每一个加工实例提供了程 序化的操作过程。无论是普通用户还是授权用户，都需要定义加工所需要的信 息，从定义毛坯模型和刀具尺寸，到上传n c 代码源程序，网站上都提供了相应 的操作步骤。在提交了所有的加工数据以后，还有一个信息汇总页面，供用户 检查和修改数据。对普通用户而言，系统管理员会按照提交的数据完成仿真加 工，再将该过程的a v i 文件上传至下载页面；对授权用户，在完成数据定义的 同时，其转换的标准数据会提交到下载页面，待该授权用户获得此数据后，可 在本地计算机上完成仿真过程。 2 3 4 仿真过程的执行序列 从网站服务的完善程度而言，能够实现每一次仿真加工的历史再现是一个 良好的设计。仿真原型系统组件在加工数据的标准格式文件的基础上运行，因 此，服务器只需为用户保存每一次加工的标准格式文件即可。该文件包括经过 转换得到的标准n c 代码程序以及毛坯和刀具信息。从工程管理和数据库设计的 角度分析，为用户的每一次仿真加工建立一个当前项目是合理的设计方案，该 南京航空航天大学硕士论文 项目从建立到提交所包括的步骤如图2 6 所示。 图2 6 仿真加工流程 毛坯和刀具的定义向生成标准格式文件提供了辅助信息，尤其是刀具信息 极为重要。在具有半径补偿的n c 代码程序中，刀具尺寸通常存储在地址字符d 中，实际加工时c n c 系统再根据该地址值调用相应的刀具。在仿真系统中只有 在刀具尺寸已知的情况下进行补偿计算，因此预处理器会根据需要对该地址字 符值作出替换。 “上传n c 代码程序”的作用包括用户向系统提交n c 代码源程序，通过 n c 代码预处理器检验该源程序的词法和语法错误，并生成标准格式的中间代码 文件。基于组件技术构建的预处理器运行于服务器端，并可嵌入w e b 页面使用， 上传n c 代码的同时即可实现它的处理过程。 “信息汇总”为用户提供了一个对加工数据进行复查和核对的功能，著通 过该页面确定所要提交的数据正确无误后，即可生成当前仿真加工项目，并将 所有的数据存入数据库中。 2 4 基于a s p n e t 的重要功能模块实现 2 4 1a s pn e t 技术概述 a s p n e t 代表了一个集合、一个环境、一个可以作为平台支持下一代 i n t e r n e t 的编程框架。a s p n e t 的最终目的就是让用户在任何地方、任何时间， 以及利用任何设备都能访问他们所需要的信息；而对于企业的技术人员来说， 他们也不需要管理复杂的平台以及各种分布应用之闽的工作是如何协调的“”。 a s p n e t 作为一种开发环境具有许多特点，例如软件服务，基于x m l 的共同 语言，融合多种设备和平台以及新一代的人机界面等等内容，这四个方面基本 上覆盖了n e t 的技术特征。 ( 1 ) 软件服务 在n e t 中，最终的软件应用是以w e b 服务的形式出现并在i n t e r n e t 上发布 的。w e b 服务是一种包装后的可以在w e b 上发布的组件，n e t 通过w s d l 协议来 基于w e b 的数控铣削仿真系统的研究和实现 描述和发布这种w e b 服务信息，通过s o a p 协议进行相关的简单对象传递和调用。 ( 2 ) 基于x m l 的共同语言 x m l 是从s g m l 语言演化而来的一种标记语言，它可以定义不同种类应用的 数据交换语言。在n e t 体系结构中，煳l 作为一种应用间无缝接合的手段，用 于多种应用之间的数据采集与合并，用于不同应用之间的互操作和协同工作。 ( 3 ) 融台多种设备和平台 随着i n t e r n e t 逐渐成为一个信息和数据的中心，各种设备和服务已经或正 在接入和融入i n t e r n e t ，成为其中的一部分。a s p n e t 谋求与各种i n t e r n e t 接 入设备和平台的一体化，主要关注在无线设备和家庭网络设备及