（机械电子工程专业论文）协同虚拟加工关键技术的研究与实现.pdf

硕士论文协同虚拟加工关链技术的研究与实现 abs tr act withthe d e v e 1 o p m e nto f in fo rr . at ion an dth e 招 n d e n c yo f e c o n o m yg l o bal izatio n ， e n t e rp ri se sare o 批ni nth ew 即 o f e n 比 印 r isea l l iancefor th esa k e ofs urviv i n gand 血v e iopi ng. coll a b 以i v c v i rt ua】 m a c h i n i n g sy s 沈 mcan s u p p lya col 1 a berati v e p l at fo rm in 。 川 e r 仍二 al 址 比 sou 代 姆 劝 . 巧 n g a n d . p 万 d 代 s pondin g tom a r k e t on th e b as i s o f stud yo f th e c h a ra c te 约 st ic and rcqu i re m ent ofcol l abo rati vev i itual ， a c h i n i n g sy st e m ， anarch l t e c tu 茂o f c o l l abo 叫ivev i rt u a l m a c h in i n g s y 雍mis p utfo rwa 记 un面 existi飞 coll a borativ ep r o d uct d e v el 叩 c nvi ronm cnt.f u th e n ” o r e ，th ek e y technol o gi estdr e a l i 鹉the sys t e m哪 abst ra c t e d o u t . c e n e ra l n ctr a n s 】 a t o risthe b as icof thc sy s t e m . u nder th eanaly si sof th e 曲 a ra c te ri sti c a n d co m pos i n g o f n c c ode ， u n d erth e c o m p a r i s o n o f o th e m e s s o f d iffer e n t n c sy s t e m s and the e 加r o f n c c o d e ， th e 丘 田 的 e o f the g e n e ra l n c 加n s l ator i s p u t fo rward the d 川 泊 b 出 犯fo r g ene ra l n ct rans iator i s d e s igneda n d a l l ru ie s o f n cc ode are e x prcs s e d inth e w ay o f g r e ta. a l l m o d u l e s in罗n erai n ct 邝 口 s l at o r a red e i gned i nd e ta i l and 州小 m e t i c sare g i v e nto哪1 1 z ed n csys te mc u s t o m i zal i o na 盯 dd i ffe代 n t n cc ode s ， 0 0 nve 招1 0n. b as e o n the b u il t m u lt i一9 . n t c o l l a bora t iv e v i 咖a l m a c h i n i ngs y s t e mio g i c funct ion fi g 附， v i rtua l m ac h in i n g a g e n t ， co mm unic a t io n 昭 en t an d c o ll ab o rati v e to o l s a g enta s wel l asl n t e 成 如 e o f a g e ntare des i gn. d . the p m t o c o l o f th e sy s 妞 il l i s re a l i z e d u n d erth e helpo f k q 扮 几】 助 9 班 g e 即 d th e communic at io n o f th e s y st e mund erth e h e ip o f w i n s o c kthe fl o o r c o n tt 1 5 加t e g y i s al sostud i e d and th e st r a t c gyu n d e r mul t i一 几 c t o r i s put fo rwa rd .the m e s s ag e o f e n c apsu l at ionp a r s 1ngi s a l s o stud ied. the 彻l i zati o n o f th e sy s t e mi s des igne d i ndetai l . f in al ly， co rd ing to the the硕e sa 加 ve ， ap ro t o ty pe o fcol l a bo 旧i v ev i rt 叨 1 m a c h i n i n g sys te mi s d . v e l o 声 泪即d anin 引 旧 n cei s g i vcn o u t . k e y叭 勺 rd: col l a bor a t i v e 丫州 田 旧 i m a c h in in g ， g c n 的i n ct ra n s la t o r，n cs im u lat io n ， 巧d 朋i m anu fa c tu ri 吃， c o l l a borati枕， mu lt i 一g ent tec h n o io gy f l o o r c o n trol st ra t e gy 第” 页 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人己经发 表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研 究 生 签 名 :剑在 2 川 年 了 月 ， 旧 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容口 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研 究生签名 :刻 位 . 加 刃年7 月 ) 日 硕士论文协同虚拟加工关链技术的 研究与实现 1 绪论 协同虚拟加工系统是指处于不同地理位置的设计制造小组在基于网络的环境中， 对产品的制造过程进行数字化仿真、 nc 代码验证、 碰撞干涉检测等，并且能够实现 充分共享信息的 系统。 随着网络化制造和虚拟加工 技术的发展， 协同 虚拟加工己 经成 为 先进 制 造 技 术中 的 一 项重 要 研究内 容。 基 于 多a ge nt技 术， 本 文提出 了 协同 虚 拟 加 工的体系结构， 详细研究了协同虚拟加工中的各项关键技术， 井最终对系统进行了 实 现， 其主要目 的 是建立一个协同环境， 使得异地设 计制造小组共同完 成加工 过程仿真 和分析过程，以 便消除在加工过程中的错误和n c代码方案决策。 1 . 1课题研究背景 20世纪80年代以来，以自动化、计算机、 信息技术为基础，以计算机网络和通 信等为核心的信息技术革命， 对社会资源的 配置、 经济运行和竞争方式以 及人类生活 方式产生了深刻的影响， 并导致了一场新的产业革命， 将人类推向以高技术为基础的 知 识 经 济时 代ij 司 。 现 代制 造业正 从以 机 械为 特 征的 传统技 术时 代朝 着以 信 息 为 特 征 的系统技术时代迈进，其发展呈现出数字化、 集成化、智能化、 网络化及虚拟化的趋 势 叼。 竞 争日 益 橄 烈 的 现 代 市 场 对 制 造 业 提 出 了 更 苛 刻 的tqc s的 要 求 16 ， 即 以 更 短 的 产品 开 发 周 期 (tim e) 、 更 优的 产品 质 量 (q ua li ty ) 、 更 低 廉的 制 造成 本 (c 。 st) 和 更 好 的技 术支持与售后 服务 ( s ervi ce ) 来 赢得市 场与 用 户， 同时要求制 造业对环 境的 负面影 响 减至最小。 世界市场趋于动态多 变和信息， 技术的迅猛发展促使制造业研究全新的 制造理念和技术。 20世纪50年代初， 制造技术以信息集成为核心的计算机集成制造 系 统c t m s ( c o m p u l e r l nte脚t e d m a n u fa c tu ngs y st . m ) 18 开 始 得到 实 施 ; 80年 代 末 ， 以 过 程 集 成为 核 心 的 并 行 工 程c e (c 。 ” c 朋 n t engl ne eri ng )l0 一 ， 3j 技 术 进 一 步 提 高了 制 造 水平;从 90 年代至今，先进制造技术进一步向更高水平发展，精益生产 l p ( l e a n pmd u ot ion ) 1，4 、 敏 捷 制 造蒯(a g ile m anu血 c tu 血 9 ) 1 15 1 、 虚 拟 制 造( v m ) 16- .b 、 虚 拟 企 业( v 石 ) “ 刃 、网 络 化制 造( n m ) 201 、 等 新的 制 造理 念不断 涌 现. 他们使 得 企 业联 盟变 得可能， 更大程度的提高了 企业的生产能力， 为并行工程的实施提供了 有效支持， 实 现资源的共享和对市场的快速响应。 1 . 1 ， 1虚拟加工 1.1.1.1虚拟加工的 产生背景 数控机床的发明是制造业向着信息化走出的第一步。 数控加工是靠n c 代码来控 制完成的。 在进行正式加工之前， 需要检查数控程序的正确性。 如果数控程序存在错 误， 就会造成零件的欠切、 过切甚至报废。 此外， 不正确的数控程序还有可能引起零 件与刀具、刀具与夹具、 刀具与工作台等的碰撞， 轻则造成设备、 工件等的损毁， 重 第 1 页 硕士论文 协同 虚拟加工关键技术的研究与实现 则会危及操作者的人身安全。 传统的 检验方法是采用试切软木模或者蜡模来检验程序 的正确性并防止干涉和碰撞， 但这种方法周期长， 成本高。 随着数控技术的 普及， 所 加工工件更加复杂， 如何保证数控程序的正确性就成为较为 突出的问 题。 n c 代码的计算机图形检验是虚拟加工环境的前身，图形检验一直是c a d / c a m 系 统中 不 可缺少的内 容。 最 初的图 形 仿真检 验方 法是 基于a p t ( 自 动编程工 具 ) 的刀 位 描绘程序。 2 0 世纪70年代， 线架c a d系统诞生了， 从而在交互编程和刀具动态显 示技术上都有了突破。 人们可以借助图形显示来组织工艺流程， 还可以 通过在零件上 动态显示刀具加工过程来观察刀具与工件之间的几何关系， 对有一定经验的编程人员 来说， 这可以避免很多干涉错误和许多计算不稳定 错误。 进入80年代，实体造型技 术带来了c a d / c a m 闪c 技术的又一次重大突破， 也给图 形仿真技术赋予了 新的内 涵。 在数控编程方面， n c程序生成的自 动化程度日益提高。在输出检查方面，实体可以 用来表达加工半成品， 从而可以 建立起有效真实的 加工模拟和n c 程序的 验证模型， 有效地解决图形多义性的问 题. 90 年代，由 于计算机图形技术的 进展，虚拟加工环 境 应运而 生， 并成为虚 拟制 造技 术的 有力支持工具 川 。 l z虚拟加工的概念及功能 匕 止 华口 自劫产生 润c 代码 夹几实时性 评价 图1 . 1 虚拟加工的主要流程 虚拟加工技术是虚拟制造的一个热点研究方向，它是实际加工在计算机上的映 指的是以数控代码为驱动，数控指令翻译器对输入的代码进行错误检查和翻译， 召且， l射 第2 页 硕士论文 协同虚拟加工关键技术的研究与实现 根据输出的刀位数据生成刀具扫描体， 对工件的加工过程进行仿真， 实现对产品的设 计合理性、可加工性、 n c代码检验及可能存在的加工缺陷等的仿真、分析与处理及 对零 件的 可 制 造 性 进 行 评 价 11111，lil刀 . 虚 拟加 工 可以 评 价“ 加 工” 出 的 零 件 与“ 设计” 零件之间的差别， 并根据工件切削的过程和结果来评价设计零件的可加工性问题， 并 检验数控程序控制的数控加工中可能发生的刀具与工件、 刀具与夹具、 刀具与加工工 作台 等之间的 碰撞问 题111 . 其主要流 程如图1 1 所示: 虚 拟加工是 加工 过程的 微观描述， 它应 该具有以 下功能 11111 飞 全面逼真的反映现实加工环境和加工过程; 真实的描述加工过程的物理反映; 能够对加工过程进行碰撞、干涉检测，并提供报替信息; 能够对夹具进行实时性评价和零件的可制造性与工艺规格的合理性进行评 价。 1.1.l j 虚 拟加工的 特点 虚拟加工是指在虚拟环境下对产品对象实现几何和物理性能变化的过程， 与实际 的加工过程比较起来，虚拟加工具有以下特点: . 依赖性: 虚拟加工的运行及对制造过程的描述和评价是基于人们对真实物理 过程的理解和认识，因 此虚拟制造的 运行只是人类对制造过程的 综合演练， 它不能产生关于实际物理过程的新知识， 其仿真的精度不可能高于仿真模 型， 与真实模型近似111 。 . 虚拟性:基于计算机的虚拟制造环境进行产品加工过程。 设计制造人员和用 户可进入虚拟环境， “ 直接”对加工过程进行观察。 . 数字化集成:虚拟加工系统的输入是n c代码，而n c代码的来源有两种， 一类是手动编程，一类是通过c a d软件造型后自 动生成。因此，可以将虚 拟加工系统与c a d ，c a pp 等软件进行无缝集成。 . 可重构性: 虚拟加工系统 不能 只是 针对某种型号的 机 床， 特定的刀具库， 加 工 特定形状的工件而设置的. 它需要满足可重构性， 根据提供的机床型号、 刀具 和工 件， 迅速重构环 境， 进行数字化仿真1:11。 1 ， 1 . 2网 络时代下的虚拟加工 随着当今网络化的趋势， 企业与企业间的合作更加密切， 企业之间经常以企业联 盟的形式合作， 实现资源的共享和对市场的快速响应。 企业联盟的实现同时也促进着 基于网 络的虚拟产品开发的发展。 基于网络的虚拟产品开发是实际产品开发过程在计 算机及计算 机网络上的本质实现， 即采用计算机仿真与虚拟现实技术， 在计算机网络 上实现群组协同工作， 完成产品设计、 工艺规划、 加工制造、 装配、 性能分析和质量 检验等. 它通过计算机虚拟模型来模拟和预测产品功能、 性能及可加工性， 设计者在 第 3 页 硕士论文 协同虚拟加工关键技术的 研究与实现 设计的初始阶段就能够在计算机中构造虚拟原型并对此原型进行评价， 使得产品开发 走出仅依赖于经验和实验的狭小天地，发展到全方位预报的新阶段，从根本上解决 t q c s 即 时 间、 质量、 成本、 服务的 难 题22l。 虚拟制造作为虚拟产品开发的一项重要使能技术，它的的内涵不是一成不变的、 僵化的， 而是开 放性的、 动态的 价 31 . 在网 络经济时 代，结 合虚 拟企业 和 信息 技术( 尤 其是网 络 技 术和数据库技术 ) ， 对虚拟制 造的 概念 进行了 延伸和拓 展。 虚 拟加工作为 虚拟制造的一项关键技术， 也随着虚拟制造内涵的改变而改变， 随着网络技术的发展， 分 布式虚 拟加工系统、 基于 ， 阳 b的 虚拟 加工系 统、 基于网 络的 虚拟加 工系 统12 o 9 刘 等概念应运而生。 协同 虚拟加工是制造业全球化环境下 产生的是虚拟加工技术与网络技术、 协同技 术等相结合的产物。 协同虚拟加工就是基于计算机网络和通信技术， 模拟企业集团各 部门和企业间的异地同时的制造过程， 从而实现分布式资源的集成、 共享与优化， 为 零件的可制造性提供依据。 1 . 2国外相关研究概况 对于协同虚拟加工的研究，国内外对此进行了大量的研究。研究方向主要包括: 虚拟加工环 境建模、虚拟加工可视化仿真、 陇 代码 解释器、 虚 拟制 造体系结构 123 一 了 等。本文主要研究的是协同虚拟制造体系结构与通用nc代码解释器。 1 . 2 . 1 协同 虚拟制 造体系结构 协同虚拟制造体系结构框架是系统实现的先决条件。 对于体系结构的 研究， 不同 的研究人员与学者采用不同的技术， 从不同的角度提出了自己的体系结构。 下面是国 内 外学者针 对虚拟制造系统建立得一 些有 代 表意义的 体系结构11 il01119lu礼 (l)孤di atd体 系m ed iator 体 系 意 图 通 过 一 个 开 放 式 的 信 息 和 知 识 体 系 ， 来 提 供 一套复杂制造环境的柔性管理技术。 该体系侧重知识信息的管理， 但没有涉及产品开 发周期。 (2 ) l w a ta 体系i w a ta 体系认为现实 制 造系统由 真实 物理系统、 真实 信息系 统组成， 而虚拟制造系统由 虚拟物理系统和虚拟信息系统组成， 所以虚拟制造系统应具有应用 的独立性和结构的相似性。 (3 ) 分布式 体系m el l ra th提出基 于的 c k e l 的 体系 结构， 该体系 认为用 户 使用计算 机系统中界面的目的是为了获取信息或执行某项活动，其操作对象是服务; 服务的实 施可以是一个或多个进程，以实现制造系统中的活动， (4) 工 具集体系 工具集体系认为企 业建模( 系统 建模) 有5 个 领域: 即 活动、 组织、 方法、业务、时间。 (5 )开 放式层次化体系 开放层次化体系将虚拟制造系统分为 5个层次，即界面 第 4 页 硕士论文协同虚拟加工关链技术的研究与实现 层、应用层、活动层、数据层和网络层，强调整个系统的开放性。 国内的高校也积极从事协同虚拟制造的研究， 清华大学肖田 元教授等人从全企业 层次的高度上将虚拟制造技术分成虚拟加工平台， 虚拟生产平台， 虚拟企业平台和基 于产品数据管理的虚拟制造集成平台。 提出了支持企业生产过程的v m s 体系。武汉 理工大学郭蕴华基于供应链思想提出了 协同虚拟制造的概念， 井指出虚拟制造也可以 被称作供应链上的虚拟制造。 南京航天航空大学， 武汉理工大学等国内高 校基于web 技 术 进 行分 布式 虚 拟 加 工 技 术 研究 与 开 发124;圳， 并 取 得了 相 应 的 成效 。 1 . 2 . 2通用nc代码解释器 n c 代码解释器作为整个虚拟加工环境的 基础， 它驱动虚拟机床， 虚 拟夹具，虚 拟刀具进行几何和物理仿真，具有举足轻重的作用。由于市场上数控系统的多样性， 数控代码解释器对不同 数控系统的支持程度将直 接影响其应用范围。 于是， 通用数控 代码解析技术成为工程中的研究热点。 对于n c代码解释器的研究， 国外在n c代码解释器实现技术的研究己 经比较成 熟， ， 并已 推出 一些商用软件。 例如美国n c c s 公司开发的多轴加工软件post w d rks， 它可以 对 n c程序进行词法、语法检查， 进行加工过程全景仿真，并支持不同格式 n c 代码之间的 转换。 ma雍rca m的n s ee系 统能 够实 现对包括f a n u c 系 统在内 的 十 多 种数 控 系统的 数 控 加 工 程 序 进 行 解 析。 另 外， 美国 的si ri ussys t e m s 公 司 开 发的 巧 山 阳 l c o n t id n er 和日 本ai k o kua ipha 公 司的s u pe r v e r i f y 等 都 是 非 常 优 秀 的数 控 仿 真 软 件 12 510 国内虽然起步较晚， 但是近些年来， 对于n c 代码解释器的研究取得了 较大的进 展. 国内越来越多的高校、 企业及研究机构和人员开展这方面的研究， 包括清华大学 13ij、 浙江 大学 脚 1 、 南昌 大 学 13 ” 、 南 京 航空 航 天 大 学 1341 等. 清华大学肖田 元教 授等提出 通用数控程序的 翻译 技术llj 脚 . 它将数控 程 序翻译器 的主要工作分为检错和翻译。 检错模块按照数控系统的规则和相关数控加工的基本知 识， 对数控程序进行词法分析、 语法分析、语义分析， 从而检查出其词法错误、 语法 错误、 逻辑错误。 翻译模块提取控制机床部件运动的 有关命令动作和状态信息， 计算 出 各时间片段的机床各坐标的位移， 驱动机床模型的运动， 实现数控程序驱动的 加工 过程仿真。并指出此技术的关键在于规则库和功能代码对应库的设计和建立。其中， 规则库存储编程规定及有关加工经验知识， 以备检错时查询. 而功能代码对应库将各 数控系统的代码和机床的功能相关联， 用于数控程序的 翻译。 机床订做模块 通过交互 式地建立机床代码系统及生 成其功能 代码对应库和规则库来实现。 王心光硕士论 文针 对虚拟数控加工 通用0 代 码编译 器132 1 提出了c r e t a 的 方 法用 于正则匹配， 应用于词法解析， 但是它的方法它是制定死的n c解析规则， 如g代码， 他的 规则为c 协 d + ， 显 然 很多 情况下g代码不能 使用这 样的规则。如f a n u c0i ， 它 第 5 页 硕士论文协同崖拟加工关链技术的研究与实现 只支持g代码后面加上两位数字的. 沙智华、 张生芳等在其提出一种应用专用编译工具开发通用数控程序翻译系统的 方法。它将高级语言编译技术引入到数控程序翻译过程中，应用专用编译工具 l ex 2) 数据规则; 3)语法格式规则; 4) 语法结 构规 则。 对于数控代码解释器的开发的通用性和专用性一直存在争议。一般认为:通用 n c 代码解释器虽然能够实现不同型号的数控系统对于n c 代码的识别、 检错和翻译， 但是系统复杂， 维护困难， 还可能由 于各种数控代码程序存在的差异性造成部分信息 的丢失， 而专用的n c代码解释器开发简单， 但是扩展性差， 适用范围窄。 而早期的 数控程序解析器主要是针对特定数控系统的专用解析器。 对于解析器通用性的实 现， 目 前主要采用两种方式: 一 种是基于规则数据库的 方式， 通过将不同数控系统的 编程 规则及功能代码对应信息 存放于规则数据库中实 现通用性， 此种方式由 用户通过定制 实 现解析器功能的扩展， 方便灵活， 但是规则数据库设计复杂， 用户在定制过程中也 可能出 错; 另一种为动态链接库方式， 由 专业人员 通过开发新的动态链接库实现 解析 功能的扩展， 此方式灵活性差一些， 但是系统的稳定 性和可靠性得到保证。 与此同时， 在实现解析器通用性的同时， 需要解决由 于为了 实现n c代码通用而造成的处理 速度 慢 等 一系列问 题. 姚习 武 1，9j 等人 提出了 资 源重叠 流 水 线处 理 方 法， 王 心光 132 1 提 出 了 正 则匹 配的 方法， 都取得了 较好的 成果， 此外通用n c 代码 解释 器还需要具有n c 代 码转换功能， 以 方便客户使 用。 秦旭 140等提出了 基于 组 件的n c 代码转换方法， 也 取 得了很好的成效。 1 . 3课题来源和本文主要工作 1 . 3 . 1课题来源 第 页 硕士论文 协同 虚拟加工关健技术的研究与实现 课题源于“ 十五” 预研项目“ x x x的拟实开发关键技术， 和 “ 十一五” 预研项 目“ x x x的网络异地协同设计制造技术” 。本项目 结合电子x x x研究所某产品关键 零件的制 造和兵器x x x所、 x x厂某产品的关键件， 研究和突破协同虚拟制造系统 的关键技术。 1 . 3 ， 2 选题惫义 协同 虚拟加工系统的建立具有广阔的 应用前景. 随着当 今网 络化的 趋势， 企业与 企业间的 合作更加密切， 一个产品 可能会是由多家企业共同设计和制造完成的， 协同 虚拟加工系统的建立能够使制造企业的合作更加顺利的完成打下坚实的基础，同时， 企业中设计部门， 制造部门的合作会更加紧密， 能够使得设计部门在设计阶段就能接 受制造部门 对于零件的可制造性提出参考意见， 能够防止设计不合理， 缩短生产周期。 同时， 一个仿真加工的软件价格是会比较昂贵的， 而且软件生产商为了防止盗版， 可 能会采用不同的加密方式， 这就使得如果同一企业不同部门或是企业间合作使用同一 仿真软 件 造成了 困 难， 协同 虚拟加工 系 统正 是提供了 这样一 个平台， 能 够使得不同的 用户能够使用同样的软件，降低成本。 协同 虚拟加工还可以 为加工设备生产厂家所用， 用虚拟设备代替实际设备向 远程 客户通真 地展示其产品的外观、 功能和性能， 供客户体验和评价。 协同虚拟加工也可 用于企 业或教育部门的技术技能培训， 尤其是对于放射性物品的 加工. 接受培训者通 过在虚拟加工环境中操作和控制虚拟设备进行虚拟加工， 可以了 解和掌握各种加工技 术在实际 生产环境中 的应用， 从而达到 提高 技能 和掌握知识的目 的。 1 . 33 研究内 容 本文主要研究了 协同虚拟加工系统相关的 关键技术， 通过对教研室己 有系统的 开 发和扩展， 开发出 一个基于c i s 与b/s 相结合的协同虚拟加工系统， 为企业应付快速 变化市场带来了 便捷。本论文的 研究主要如下: 协同虚拟加工总体结构:在分析协同虚拟加工的特点和需求分析的基础上， 建立了协同虚拟加工过程模型， 在结合教研室的网络化制造系统以及虚拟加 工的基础上， 提出了 一个具有分布式、 开 放式、 可视化、支持多学 科人员在 网上开展异地协同虚拟加工系统体系结构; 通用n c 代码解释器:分析了n c代码的 构成、 特点与规则n c代码差异性 基础上， 建立了 通用n c 代码解释器的 框架，井 基于正则表达式与数据库技 术建立了n c代码的规则，提出了 通用n c代码解释器的解析办法与n c代 码的定制与转换方法; 基 于 协同 多a g e nt的 虚 拟 加 工 系 统的 实 现: 在多a g e n t 的 功能 分 析的 基 础上 ， 研究了 系统实现相关的 各项关 键技术， 包括: g en t 的 设计与接口 设计、 通 信技术、发言权控制策略等。 第7 页 硕士论文 协同虚拟加工关键技术的研究与实现 1 . 4论文结构安排 第一 章 诸论， 介绍 虚拟加工的 产生 背景、 概念、 特点 和关 键技 术， 引出 协同 虚拟 加工的概念， 分析协同虚拟加工各关键技术的国内 外研究现状。 第二章建立了 协同虚拟加工的体系结构，首先分析协同虚拟加工的特点和籍求， 并将虚拟加工与协同虚拟加工进行了比 较， 从讨论虚拟加工的体系结构入手， 提出一 种基于多a g e n t 的 协同 虚拟加工体系结 构， 在此 基 础之上， 对各关 键 技术 进行 概要设 计。 第三章研究了协同虚拟加工的关键技术 通用n c代码解释器。 在协同过程中， 多 种数控系统并存是必然的， 因此， 开发通用n c 代码解释器变得十分必要。 本文在 研究 n c代码规则的基础上，结合数据库和正则规则表达式技术，建立了一种通用 n c代码的解析方法，并研究了n c代码的定制与转换技术。 第四 章实 现了 多a gent的 协同 虚 拟加 工系 统。 本章从协同 虚拟 加工 系统的功 能出 发， 建立了 协同 虚 拟加工系统的 功能 框图 ， 并设 计了 各a ge nt及 其 接口 、 设计与 实 现 了通信技术、发言权控制策略与消息封装与解析，并对于整个系统进行了详细设计。 第五 章介绍了 系统的开发技术与具体实 现， 并给出运行实例。 第六章 结束语， 对本文的 研究进 行总 结并 进行展望。 论文结构如图1 . 2 所示。 通用n c 代码解释器 圈1 .2 论文的结构示意图 第8 页 硕士论文 协同虚拟加工关键技术的研究与实现 2 协同虚拟加工体系结构研究 制造业的全球化， 信息化要求企业能够在最短的时间内 推出 最满意的 产品， 通过 组建多功能工作小组实现分工协作， 进行产品 全生命周期合作是实现这一目 标的基本 手 段 4l 阴。 随 着网 络 化 制 造 的 发 展， 协同 虚 拟 加 工己 经 成为 网 络 化制 造中 的 一 项 重要 研究内容。 当前， 国内 外对网络化制造与虚拟加工集成技术已经投入了 大量的人力和 物力， 主 要是荃 于m 厄 b 技 术 对 分 布式 拟 实 加 工 系 统 进 行了 研究 ， 5 那” ， 并 取 得了 一定 的 成果。 但是由 于袖b 技术自 身的局限，无 法对零件进行复杂的操作并且安 全性较 差. 本章从协同 虚拟加工系统的概念入手，比 较了 虚拟加工与协同虚拟加工的 异同 点， 在分析协同虚拟加工特点的基础上， 对协同虚拟加工系统的需求进行了 分析， 提 出协同虚拟加工系统的体系结构， 提出了协同虚拟加工系统的关键技术， 本文的后续 章节将围绕其关键技术展开， 2 . 1协同 虚拟加工的概念 2 . 1 ， 1协同虚拟加工的引入 协同， 顾名思义， “ 协” 即 协作， “ 同” 为共同， 即由多名成员为了 追求 共同的目 标共同进行的， 其行为上表现为一种分布计算、 决策的过程， 成员间以交互 的方式工 作， 通过 交 换信息 来 协 调因 资 源 短缺、 领域 知 识 交 错 等引 起的 约 束 冲突 四. 随 着协同 技术和网 络化制造的 发展， 将“ 协同” 概念 进入虚 拟加工中， 是必然的 趋势。 虚拟加 工过程中的协同指的是设计制造人员对于复杂零件的可制造性进行评价， 并对加工程 序进行群组讨论。 参与协同虚 拟加工的人员主要包括数控机床操作工， 项目 经理、 设 计与工艺人员等， 根据加工过程的仿真， 不同 领域的 人员从不同 角度对于 零件的可制 造 性及 数 控 代码 提出 建 议， 根 据 群 组讨 论的 结 果 决 定 最 终的 加工 制 造 方 案 和 零 件 设 计 方案，实现分布式资源的集成、共享与优化。 2 . 1 . 2协同 虚拟加工与虚拟 加工比 较 协同 虚拟加工作为 虚拟加工内 涵的 延伸， 将“ 协同” 的 概念引 进虚拟 加工中， 它 更加强调一种合作， 利用各方资源共同完成零件的 加工过程仿真及可制造性评价， 更 大程度的利用入的智慧从而达到降低成本的目 的， 与虚拟加工系统不同的是， 协同虚 拟加工系统还能够为用户提供个性化服务. 表2 1 是列举了 虚拟加工和协同 虚拟加工 的联系与区别， 从这个 表可以 看出， 协同 虚拟 加工系统比 虚拟加工系统更加 强 调人 在 协同 过程中所起的 作用， 强调群组讨论协作而非个体独立完成， 而随着快速变化的市 场提出了越来越高的要求， 因此， 协同虚拟加工系统是今后虚拟加工发展必然的趋势。 第 ， 页 硕士论文 协同虚拟加工关健技术的研究与实现 表2 . 1 虚拟加工和协同虚拟加工的联系与区别 飞 澹 塑 生 虚拟加工 协同 虚拟加工 是否签于网络否是 是否荃于虚拟现实技术是是 可制选性评价来谭可制造性评价算法 可制造性评价算扶和专家童见 是否基于数据库技术否是 目的降低成本 利用各项资源降低成本并可以个性化服务 工作方式个体屏组协商 是否能加强企业间及部门间 的合作 不能能 系统驱动方式制适商 协作 2 . 1 . 3协同虚拟加工的特点 协同虚拟加工的实质是虚拟加工系统与网络化制造的集成， 是随着网络化制造的 发展而诞生的。 它兼具有这两种先进制造技术的特点， 以 群组协作方式， 利用计算机 和网络资源， 对复杂产品的制造过程进行数字化仿真。 它是一种支持群组协作的系统， 需要能够满足在“ 异地同时” 的工作需要， 支持异地多部门多学科人员共同完成 数字 化协同加工。因此，它具有以下特点: 1 )分布性 协同虚拟加工系统的目 的是为了 满足异地同时的需要， 即在同一时间， 不同地点 进行协同数字化仿真。 共同 使用协同 虚拟加工系统的 人员可能位于相同的地方， 也可 能位于不同的地方， 他们之间的互联方式也不尽相同. 因此， 协同虚拟加工系统是在 计算机网络的支持下分布进行的，这也是网络化制造的基本特点。 2 )协同性 协同 虚拟加工与虚拟加工的区别就在于 “ 协同” 两个字。 协同为协作共同 完成。 协同虚拟加工系统需要不同部门或同部门的人们异地同时的完成协作过程， 并对加工 过程中可能出现的种种问 题提出解决方案，对零件的可制造性进行评估。 3 )动态性 动态性表现在协作的过程中小组人员及其工作的任务，零件加工任务等的动态 性， 为了 保证协同 虚拟加工的 顺利完成， 对零件的 可制 造性 进行合理评价等， 必须 保 证系统得动态性。 4 )冲突性 在协同中，由于人员的学 科背景、 经验、 习惯等自 身的原因， 不同部门考虑的角 度不同及产品的多样性， 因此， 冲突是在所难免的. 为了保证协同虚拟加工的顺利完 第 10页 硕士论文协同庭拟加工关键技术的研究与实现 成，需要研究冲突消解技术。 2 . 2协同虚拟加工的需求分析 根据对协同虚拟加工特点的分析， 我们认为合理并有效的协同虚拟加工系统应该 满足如 下需 求侧 几 1)逼真的仿真环境 协同虚拟加工要在计算机环境下模拟实际的加工过程， 并对实际加工中可能存在 的问 题进行分析和评估， 提出 解决这些问 题的方案， 因此， 协同虚拟加工系统必然需 要一个计算机加工环境，反映实际加工过程是协同虚拟加工系统建立的基础。 2 ) 地理分布性 由于参与协同加工的成员、 专家等的 地理位置分布性， 因此， 协同虚拟加工系统 必须要求系统具有分布性， 以支持协同虚拟加工能够在“ 异地同时” 的条件下完成协 作。 3) 系统可重构性 系统可重构性表现在由于不同 企业可能采用的不同的加工设备， 因此， 构建协同 虚拟加工环境需要满足可重构性， 以 满足不同企业级的需要， 仿真不同企业， 不同设 备的加工过程。 4 )系统开放性 作为一种先进的制造技术， 协同虚拟加工还应该有良 好的开放性。 对于协同虚拟 加工的 研究与开发要考虑到今后如 何将计算机协同技术、 计算 机仿真技术等新的成果 融入到协同虚拟加工系统中。 同时， 由 于目 前对于切削机理研究的还不是很深入， 对 于物理仿真还存在很大的局限性， 因此， 要求系统具有良 好的开放性， 以 便于系统的 各模块升级和更新。 5) 系统动态性 系统使用的动态性指的是参加协同的人员可以动态地进入或者离开系统而不会 影响系统的功能和运行。 由 于协同 开 发人员都是动态的变化的， 随时有人员的 加入和 退出，因此，要求协同虚拟加工系统必须具有动态性。 除了 上述需求外， 协同 虚拟加工还应该满足系统的集成性、 良 好的人机界面等要 求。 对于协同虚拟加工需求分析为建立合理的协同虚拟加工集成系统体系结构莫定了 基础。 2 . 3协同 虚拟加工体系结构 2 . 3 ， 1 协同 设计制造系统 框架 实验室经过多年对于协同设计制造的研究， 建立基于节 陌 b ， 具有分布性、 开放性、 安 全 性， 支持 多学 科人员 在网 上 开 展 异 地 协同 设 计 制 造的 系 统e. c w s l20 ，4i ，43 .44j， 如图 第 11页 硕士论文协同虑拟加工关链技术的研究与实现 2. 1 所示，该系统采用c / 5 和bis 结合的方式，主要功能说明如下: 蔓 直 一 _ 1 敲 聋 器 。 卜医 栗 哥 本地文件、 数据库系统 可下载的协 网工具组件 .月 点护 而 .竹 双姑消产_ 勺 遗留 系统 ( c a d 、 c 人 m、 商务一) 可下载的协 同 应用组件 决策支持 服务组件 协同应用 皿务组件 协同工具 胜务组件 陌一 月 训 会 议 “ 息 决策信息用户信息 产 品 数 “ 图2. 1 网 络化协同 产品 开 发平台 体系结构 1) 客户层 客户层为协同产品开发人员提供了良 好的用户界面， 系统用户可以 通过客户层实 现系统的管理、复杂的应用，由v 几 b浏览器和本地企业遗留系统组成.用户可以直 接使用本地遗留的c a d 、 c a m、 p d m等系统， 同时用户可以通过浏览器登录到相应 的网站， 进行任务的处理。 必要时， 用户可以下载所需的组件和应用程序在本地执行。 2 )服务层 服务层主要由 协同工作管理组件、 协同设计制造组件、 协同支持服务组件、 信息 安全组件等组成， 是整个网 络化制造系统的核心部分。 协同工作组件管理 提供了项目 管理和工作流管理功能， 负责对项目 进行宏观和微观的管理， 进行项目 分解、 项目 监 理、 任务分配等。 协同设计制造组件是面向企业级的， 包括协同设计、 协同加工、 协 同c 冉 卫 p 和d n c远程控制等。协同 支持服务为协同工作管理和设计制造提供了辅助 的 工具支持， 包括协同决策支持、 协同 支持工具等。 管理控制包括系 统管理、 信息安 全等，管理控制对一般用户是透明的. 3 )数据库层 数据库层为用户提供各种应用的 各种应用数据的存储和管理 功能。 同时， 通过分 第 12页 硕士论文协同虚拟加工关键技术的 研究与实现 布式产品数据管理系统实现各客户端本地文件、 数 据库系统的管理控制以 保证数 据的 可靠和一致。 2 . 3 ， 2协同 虚拟加工功 能模块 作为虚拟加工系统内 涵的延伸， 协同 虚拟加工除了 要在结构上满足系统产品开发 的需要， 还需要满足虚拟加工本身的功能要求。 虚拟加工主要包括四大功能模块， 如 图z j所示。 1-一_， 。工 ; ， 加工结果分析虚 拟 加 工 建 模左加工过程仿典 加 工 误 差 分 折 可 侧 遗 性 评 价 健 拢 干 涉 检 牲 加 工 精 度 挤 么 段 码 定 创 设 备 接 受 力 变 形 羞 变 形 于 吧 码 摸 图2 2 虚拟 加工 平台 功能 模块 虚拟加工建模功能模块是整个虚拟加工系统的基础， 它提供了虚拟加工建模的环 境， 用户可以 建立需要加工环境中必备的刀具、 夹具、 机床及其加工设备等， 并对加 工任务包括加工顺序，加工设备等进行定义。 加工过程控制器功能 是虚拟加工系统的重要 组成， 它是对虚拟加工的 输入n c 代 码的相关操作，包括n c代码的检错与 翻译， n c代码的转换， n c系统的定制等， 是加工过程仿真功能模块和加工结果分析功能模块的基础 加工过程仿真是系统的 核心组成部分， 它主要包括几何运动仿真和物理仿真两大 类， 几何仿真指的 是运动部件在n c 代码的驱动下的 几何移动和转动. 物理仿真指包 括受力仿真和受热仿真， 模拟工件在受热和受力下的变形。 加工分析模块是虚拟加工系统的输出模块， 它是面向客户的. 它提供了 对加工后 零件的多种分析手段， 为零件的可制造性提供依据， 主要包括加工精度分析、 干涉与 碰撞检测、 加工误差分 析和可制造性评估模块。 通过对于输出的结果的 分析， 设计制 造人员可以拟定最终方案。 2 . 3 . 3协同 虚拟加工过 程建模 从一个主体给出操作开始， 到其操作并发给其他主体并得到映射， 这一阶段称之 为 一 个协同 操作 过 程 阅. 当 某一 个 主 体 操作 之 后 ， 该 操 作 首 先 要进行协 议 打 包， 接着 第 ”页 硕士论文 协同虚拟加工关镇技术的研究与实现 将消息发送到服务器， 服务器首先将消息进行解析， 在进行一些规则判断 发生时， 则将操作重新打包发送给其他主体， 到其他主体后进行消息解析 发起协同一致的操作。其过程模型可以由图2. 3 所示。 ， 如无错误 ， 再进行与 人机交互界面 且标。.盆二 协同盛拟加工皿务口 髻 蟾 鑫薰蘑然藻彝赫蔽囊燕犷分升分_ 沐 一盆当一 广 尹 田2. 3 协同虚拟加工过程模型 2 . 3 . 4协同 虚拟加工系 统体系 框架 对于网络模型， 主要存在c j s 模式与bis 模式。 c i s 模式即客户机和服务器结 构。 通过c i s可以充分利用两端硬件环 境的 优势， 将任务合理分配到ai 朗 t 端和s erver 端来实现， 降低了系统的通讯开销， 系统还具有处理大数据量的能力， 但是， 此模式 安全性不高， 而且对于系统升级、 维护等费用高昂。 b/s 模式即浏览器和服务器结 构， 在这种结构下，用户工作界面通过w ww浏览器来实现， 极少部分事务逻辑在前端 ( b r o w s e r ) 实现， 主要事务 逻辑在服务器 端( s erver ) 实现， 这样就大大简 化了 客 户 端电 脑载荷， 减轻了系统维护与升级的成本和工作里， 降 低了 用户的总体成本， 但是， 系统的交互性能很差， 无法完成对于零件进行直观的操作，并且安全性能 较差。 第14页 硕士论文 协同 虚拟加工关链技术的研究与实现 基于协同虚拟加工的特点和考