（机械电子工程专业论文）基于web的计算机辅助数控铣削仿真系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文密切结合网络制造技术发展的需要，以虚拟制造技术为研究对象，综 合运用虚拟现实、计算机网络、金属切削理论和数控加工技术等，对基于网络 的数控铣削仿真系统关键技术进行了系统深入的研究，并取得如下研究成果： ( 1 ) 在研究和分析实际数控铣削系统的基础上，应用三维c a d 建模软件 s o l i d w o r k s 结合网络图形建模语言( j a v a3 d ) ，构建了符合虚拟加工要求的数控 铣床模型以及铣削加工场景模型。通过s o li d w o r k s 的格式转换，采用j a v a3 d 的图形技术，把转换形成的图形格式直接用于仿真之中，不需要利用编程方式 进行建模。 ( 2 ) 在j a v a3 d 环境下，构建了对数控铣射进行过程仿真，并充分考虑j a v a 的语言特点，对于一般的长方体毛坯，采用网格( e l e v a t i o ng r i d ) 方法建模， 这样可以最大限度地减小计算工作量。 ( 3 ) 在用s o l i d w o r k s 建模的基础上，用v b 对加工工件的加工前、后的几 何状态进行特征提取，参照其不同特征，用来规划和检验刀具轨迹。 ( 4 ) 开发了基于w e b 的虚拟数控铣削系统，并以t o m c a t 为网络服务平台， 搭建了系统运行的网络环境，使得用户能够通过w e b 浏览器，实现对远程虚拟 数控机床的拟实操作。与此同时，采用给出的简易铣削过程仿真模型和加工表 面形貌仿真算法，即可获得在一定切削条件下的加工表面形貌特征数据，根据 这些数据可以评价加工工艺参数的设计是否合理。 论文工作为丰富虚拟制造建模理论体系、开发功能更加完善的基于网络的 数控铣肖i j 仿真系统提供了良好的基础。 关键词：计算机辅助制造，数控仿真，铣削系统，j a v aa p p l e t ，j a v a3 d 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n tf o rt h e d e v e l o p m e n t o fa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g , t h ed i s s e r t a t i o nd e a l sw i t hv i r t u a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u eb ym e a u so fv i r t u a lr e a l i t y t e c h n o l o g y , c y b e r - n e t w o r kt e c h n o l o g y , m e t a lc u t t i n gt h e o r y a n dn cp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , e t c t h ea u t h o rh a ss t u d i e do nt h ek e yt e c h n o l o g yo fw e b - b a s e dv i r t u a l n c m i l l i n gs i m u l a t es y s t e m t h ec o n t r i b u t i o n sm a y b es u m m a r i z e da sf o l l o w s ( 1 ) b ym e a n so fs o l i d w o r k sa n dj a v a3 d ，t h em o d e lo fv i r t u a ln cm i l l i n g m a c h i n ea n d3 dm i l l i n gs c e n eh a v eb e e ne s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a ln c m i l l i n gs y s t e m b a s e dt h eg r a p ht e c h n o l o g yo fj a v a3 d t h ef o r mo fm o d e lc a nb e t r a n s f o r m e d ，a n dt h et r a n s f o r m e dm o d e lu s e di ns i m u l a t i o ns y s t e md i r e c t l y t h e ni ti s n o tn e c e s s a r yt ou t i l i z et h ep r o g r a m m i n gf o rt h ei m p l e m e n to ft h em o d e l i n g ( 2 ) s i m u l a t i n gt h em i l l i n gm o v e m e n ti nt h ee n v i r o n m e n to fj a v a3 d , a n db y c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fj a v aa n du s i n gt h ed e x e l - b a s e dr e p r e s e n t a t i o n f o r t h eg e n e r a lc u b i cb l a n k , t h i sm e t h o da d a p t e st h ec o m b i n a t i o ne l e v a t i o ng r i dn o d e , w h i c hc a ns i m p l i f yt h e c a l c u l a t i o ne x t r e m e l y ( 3 ) b yt h ev i s u a lb a s i cl a n g u a g e ，t h ef e a t u r e so ft h ep a r t sh a v eb e e ne x t r a c t e d i ns o l i d w o r k sm o d e l i n gs y s t e m b ym e a u so fc o m p a r i n gt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e b l a n km o d e la n dt h ef i n i s h e dp r o d u c t , t h el o c u so ft h et o o l sc a nb ep r o g r a m m e da n d i n s p e c t e d ( 4 ) t h ew e b - b a s e dv i r t u a ln cm i l l i n gs y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d 。a n di t s n e t w o r ke n v i r o n m e n te s t a b l i s h e do nt o m c a ts e r v i c ep l a t f o r m w h i c hm a k e st h eu s e r t oo p e r a t et h ev i r t u a ln cm a c h i n et o o lv i v i d l yt h r o u g hw e bb r o w s e r i nt h em e a n t i m e ， u n d e rc e r t a i nm a c h i n i n gc o n d i t i o n s ，t h ed a t ai n t e r e s t i n gf o ru s e r ss u c ha sm i l l i n g m o t i o na n dm i l l e ds u r f a c et o p o g r a p h yc a nb ea c q u i r e dt h r o u g ht h ec o r r e s p o n d i n g s i m u l a t i o nm o d e l sa n dc a l c u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h e s ed a t a ，t h er e a s o n a b i l i t yo ft h e p r o c e s sp a r a m e t e r sc a nb ee v a l u a t e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ea u t h o r p r e s e n t st h em e t h o df o ri m p r o v i n gt h ev i r t u a l m a n u f a c t u r i n gt h e o r ya n dd e v e l o p i n gm o r ep e r f e c ta n da p p l i c a b l ew e b - b a s e dv i r t u a l n cm i l l i n gs y s t e m k e yw o r d s ：c a m ，n u m e r a lc o n t r o ls i m u l a t e ，m i l l i n gs y s t e m ，j a v aa p p l e t , j a v a3 d i l 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 数控仿真技术发展现状及其趋势 1 1 1 数控仿真技术简介 数控加工仿真是虚拟制造的关键基础技术，也是数控技术、仿真技术与虚 拟现实技术等先进技术韵交叉应用。数控加工仿真过程就是借助计算机技术， 利用系统模型对实际加工系统进行实验研究的过程。其过程可通过建模活动、 仿真模型、仿真试验三个基本活动来描述【l 】。 数控加工过程模拟仿真主要有两种方法：一种是对刀位文件进行的模拟仿 真，另一种是对数控程序代码进行的模拟仿真。基于刀位文件模拟仿真的主要 目的是检验刀具运动轨迹的正确性、安全性，并能保证零件的加工质量。基于 数控代码的模拟仿真能够检查刀具的运动轨迹正确与否，判断加工参数选择是 否合适等，这种检查方法称为反向仿真。由予直接驱动数控机床运动的是数控 程序代码，而不是刀位文件，所以基于数控程序代码的模拟仿真比基于刀位文 件的模拟仿真更接近于真实的加工过程。 从工程的角度来看，仿真就是通过对系统模型的实验去研究一个已有的或 设计中的系统。对于分析复杂的动态对象，仿真是一种有效的方法，它可以减 少产品风险，缩短设计和制造的周期，并节约投资。计算机仿真就是借助计算 机，利用系统模型对实际系统进行实验研究的过程，它随着计算机技术的发展 而迅速地发展，在仿真中占有越来越重要的地位唰。 建模活动是通过对实际系统的观测或检测，在忽略次要因素及不可检测变 量的基础上，用物理或数学的方法对实际系统进行描述，从而获得实际系统的 简化近似模型。这里韵模型同实际系统的功能与参数之间应具有相似性和对应 性。 仿真实验是指将系统的仿真模型在计算机上运行的过程。仿真是通过实验 来研究实际系统的一种技术，通过仿真技术可以弄清系统内在结构变量和环境 条件对系统的影响。计算机仿真技术的发展趋势主要表现在以下两个方面：应 用领域的扩大和仿真计算机的智能化。计算机仿真技术不仅在传统的工程技术 领域( 航空、航天、化工等方面) 继续发展，丽且逐步扩大到社会经济、生物 等许多非工程领域，此外，并行处理、人工智能、知识库和专家系统等技术的 发展正影响和促进着仿真计算机的发展。 武汉理工大学硕士学位论文 数控加工仿真利用计算机来模拟实际的加工过程，是验证数控加工程序的 可靠性和预测切削过程的有力工具，它可以减少工件的试切，提高生产效率。 1 1 2 数控仿真技术的研究现状 数控加工仿真技术的研究目前主要集中在三个方面：几何仿真、物理仿真 和加工过程仿真。目前国内外采用的几何仿真方法主要有两种：精确仿真法和 近似仿真法。 数控机床加工零件是靠执行数控指令程序控制完成的。为确保数控程序的 正确性，防止加工过程中干涉和碰撞韵发生，在实际生产中，常采用试切的方 法进行检验。但这种方法费工费料，代价昂贵，使生产成本上升，增加了产品 加工时间和生产周期。后来又采用轨迹显示法，即采用以划针或笔代替刀具， 以着色板或纸代替工件来仿真刀具运动轨迹的二维图形( 它也可以显示二维半 的加工轨迹) ，但是在应用方面仍然具有相当大的局限性。对于实际工件的三维 和多维加工，为确保数控程序的正确性，也有用易切削的材料代替工件来检验 加工的切削轨迹方法。但是，试切要占用数控机床和加工现场。为此，人们一 直在研究能逐步代替试切的计算机仿真方法，并在试切环境的模型化、仿真计 算和图形显示等方面已经取得了重要的进展目前正向提高模型的精确度、仿 真计算实时化耜改善图形显示的真实感等方向发展吐 圈1 。1 仿真过程三要素的关系 从试切环境的模型特点来看，耳前n c 切削过程仿真分几何仿真和力学仿 真两个方面。几何仿真不考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响，只模 拟刀具工件几何体的运动，以验证n c 程序的正确性。它可以减少或消除因程 序错误而导致的机床碰撞或损伤、夹具破坏或刀具折断、零件报废等问题；同 时可以减少从产品设计到制造的时间，降低生产成本。切削过程的力学仿真属 于物理仿真范畴，它通过对仿真切削过程的动态力学特性来预测刀具破损、刀 具振动和控制切削参数，从而达到优化切削过程的目的。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 i 3 最新发展趋势和存在的不足 数控加工仿真技术的发展趋势主要表现在智能化方面。并行处理、人工智 能、知识库和专家系统等技术的发展正影响着数控加工仿真的发展。 国外在数控加工仿真方面做了许多工作，例如美国m a r y l a n d 大学开发了用 于培训数控操作人员的虚拟数控仿真器。韩国t u r b o r ek 公司开发出面向培训 的虚拟数控车削和铣削加工环境，能够实现数控加工的几何仿真并配有声音信 息。日本s o n y 公司研制的f r e d a m 系统可以对球头铣刀加工自由曲面进行三 维仿真，并进行干涉、碰撞等检查。 在数控编程及仿真系统方面。国外在n c 加工过程仿真方面做了大量的研究 工作，多侧重于刀具轨迹的显示，有不少企业推出了数控编程系统。常用的有 m a s t c r c a m9 0 系列，g r a y t c c h 公司的o t w o r k s d c m o ，以及s y n o p s y s 公司的 p o w e r m i l l 等，它们都能在较少的干预下较好的完成自动数控编程。目前世界 上最著名的c a d c a m 软件，例如u gi i ，p r o e n g i n e e r ，i d e a s 等都具有很强的 图形交互数控加工自动编程功能，具有方便和直观的几何造型、刀具加工轨迹 的自动生成和编辑、加工过程的三维仿真等功能。除了一些专用的机械制造软 件，日本索尼公司( s o n yc o o p o r a t i o n ) 研制的f r e d a m 系统可以对球头铣刀加工 自由曲面进行三维仿真，重点显示三维刀具轨迹与零件模型，以避免精加工时 刀具发生碰撞。 国内在运用数控仿真方面还主要停留在手工编程阶段，或仅对其中一两件 主要产品运用数控编程，目前只有少量企业运用m a s t c r c a m ，s o l i d c a m 或p r o e 的编程系统。国内有不少大专院校、科研院所和一些公司已经对数控仿真系统 进行了开发。例如，上海天傲科技有限公司开发的数控仿真系统t n s 2 0 ，上海 弘步信息科技有限公司的数控仿真系统，南京宇航自动化技术研究所的y h c n c 数控仿真系统，清华大学与华中科技大学共两开发豹加工过程仿真器h m p s 和 哈尔滨工业大学开发的数控加工过程三维动态图形仿真器n c m p s 等。 国内外目前对数控加工仿真展开了大量的研究，但是所开发的数控仿真系 统仍然存在许多不足之处，主要体现在以下几个方面”】： ( 1 ) 数控加工仿真系统模型描述均基于莱一特定几何造型系统。但所有造 型系统基本元素( 点、边、面、体等) 均由理想形状几何形体构成，不包含任何物 理性质，体现不出物体相互作用。 ( 2 ) 不能反映系统内部的物质微观结构的物理变化及其物体宏观形状的改 变。目前大多数开发人员通过集成本地有关应用系统来构建仿真系统的应用程 武汉理工大学硕士学位论文 序，而这种模式下的数控仿真系统存在着一些不足之处，最显著的就是该系统 与外交互性差、开发周期长、重构性差等。 ( 3 ) 目前部分数控加工仿真既没有真正考虑工艺系统中各部件在运动( 切削 和空程) 过程中的碰撞干涉问题，也没有考虑工艺系统中物体相互作用时的刀具 磨损与切削等问题。 1 2w 曲技术及其发展概况 i n t e r n e t 的研发始于1 9 6 9 年，它起源于美国国防部高级研究计划署开发的 a r p a n e t 网。最初的a r p a n e t 只有4 台计算机组成，设计用来连接分散在广 域地区的异构型计算机，要求网络在受到外来袭击时，仍能维持正常工作。到 7 0 年代末，由于局域网和广域网的迅速发展使资源共享成为最迫切的要求。在 a r p a n e t 发展的同时，其它组织也都在建立各自的网络，其中最引人注目的是 美国国家科学基金会n s f 建立的美国国家科学基础网( n s f n e t ) 。8 0 年代后期， n s f 建造了全美五大超级计算中心。随着美国以外的网络系统的不断连入，使 该网络最终成为一个覆盖全球的网络系统，这就是i n t e m e t 。 中国在i n t e m e t 的应用方面虽起步较晚，但发展速度异常迅猛，自1 9 9 4 年中 国接入i n t e m e t 的短短几年时间。i n t e m e t 生各行各业得到了广泛的应用。据中国 互联网信息中心( 西琳i c ) 2 0 0 5 年7 月宣布的统计调查结果【2 】：截止到2 0 0 5 年6 月 3 0 目止，我国上网计算机数约4 5 6 0 万台，其中专线上网计算机6 7 0 万台，拨号上 网计算机2 0 7 0 万台，其他上网计算机1 8 2 0 万台。我国上网用户人数约1 0 3 0 0 万人， 已经突破了1 亿人，其中专线上网的用户人数约为6 7 0 万，拨号上网的用户人数 约为2 0 7 0 万，同时使用专线与拨号的用户人数为1 8 2 0 万，除计算机外同时使用 其它设备( 移动终端、信息家电等) 上网的用户人数为9 2 万。c n 下注册的域名总。 数为6 2 2 5 3 4 个t 我国网站总数( 包括c n ，c o m ，n e t ，o r g 下的网站) 约为： 6 7 7 5 0 0 个t 5 1 。 w e b 技术发展到现在已经很成熟，并且运用子制造，信息，管理等许多其 他的重要应用领域上面，它已不断地提升科技水平和丰富人们的生活。 w e b 具有以下的一些特点【6 j ： 1 w e b 是图形化的和易于导航的( n a v i g a t e ) w e b 非常流行的一个很重要的原因就在于它可以在一页上同时显示色彩丰 富的图形和文本的性能。在w 曲之前i n t e m e t 上的信息只有文本形式。w e b 可以提 供将图形、音频、视频信息集合于一体的功能特性。同时，w e b 是非常易于导航 的，只需要从一个连接跳到另一个连接，就可以在各页或各站点之间进行浏览。 2 w e b 与平台无关 武汉理工大学硕士学位论文 无论用户的系统采用什么类型的平台，他们都可以通过i n t e r n e t 访问w w w 。 浏览w w w 对用户的系统平台没有什么限制。无论采用w i n d o w s 平台、u n 平 台、或m a c i n t o s h 还是别的什么平台，用户都可以访问w w w 。对w w w 的访问是 通过一种叫做浏览器( b r o w s e r ) 的软件实现的。如n e t s c a p e 的n a v i g a t o r 、n c s a 的m o s a i c 、m i c r o s o f t 的e x p l o r e r 等。 3 w e b 是分布式的 大量的图形、音频和视频信息会占用相当大的磁盘空间，信息量甚至无法 预知。对于w e b 没有必要把所有信息都放在一起，信息可以放在不同的站点上。 只需要在浏览器中指明这个站点就可以了。使在物理上并不一定在一个站点的 信息在逻辑上实现了一体化，从用户地角度来看这些信息是一体的。 4 w e b 是动态的 最后，由于各w e b 站点的信息包含站点本身的信息，信息的提供者可以经常 对站上的信息进行更新。例如某个协议的发展状况、公司的广告等等。一般各 信息站点都尽量保证信息的时间性，w e b 站点上的信息是动态的，而且经常被更 新。这一特点是由信息的提供者保证的。 1 3 本文研究的意义和主要内容 1 3 1 研究的意义 信息技术和通讯技术的发展，使两络化制造成为制造企业未来发展的趋势。 在网络环境下实旖工程设计技术中各个单元技术( 例如c a d ，c a p p 。c a m 等) ， 以及实现各种单元技术之间的信息集成，就成为一个新的研究热点。在以计算 机辅助单元技术为基础构成的现代制造系统体系结构中，数控仿真系统 n u m e r i c a lc o n t r o ls i m u l a t i o n a ls y s t e m ( n c s s ) 是c a d ，c a p p 与c a m 过程中 一个承上启下的重要环节。研究和开发适用于网络环境下的n c s s 系统是实旌 数字制造的一项关键技术。 自1 9 5 8 年数径机床出现到现在，数控技术发展迅速，现在数控加工已成为 计算机辅助设计和制造( c a d c a m ) q a 重要的组成部分。数控机床加工零件是靠 数控指令程序控制完成的。我们可以根据零件的几何形状设计编制或自动产生 刀具的动作和位置序列，根据毛坯的材料特性和合理的加工工序，适当地选择 刀具、切削速度和迸给速度，这样就构成了一段n c 代码程序。与此同时，随着 计算机的发展，出现了计算机图形仿真技术，把图形仿真技术引入到零件的数 武汉理工大学硕士学位论文 控加工过程当中，可以更加形象地、直观地以动画的形式在屏幕上再现数控加 工的全过程。 数控加工仿真利用计算机模拟实际加工过程，是验证数控加工代码可靠性 和预测切削过程是否稳定的必要工具。目前，数控仿真主要通过对n c 代码的解 释，得到驱动仿真的刀具轨迹信息，并提出一种数控仿真方法，即直接通过加 工过程中各联动轴进给分量驱动仿真加工过程。 数控实时仿真技术是数控系统软件的组成部分，它能在数控加工的同时， 实时的仿真出产品加工的实际情况。实时仿真所追求的目标是：实时性和高真实 度。然而这两个目标往往是相悖的。实际的仿真系统都会在这两个耳标之间寻 找一个平衡点，以获取消费者能够接受的最佳速度和精度。影响这个平衡点的 软件因素主要就是插补算法的实时性。显然，插补算法所用的时间越短，用于 仿真的时间就可以相对越长，于是就可以进行更高真实度的仿真，例如可以使 用高真实度的实体造型技术。反之，若缩短仿真的时间，则只能完成一些简单 的仿真，例如线框式的轨迹仿真。 数控加工仿真是指数控机床在虚拟环境中的映射，它集制造技术、机床数 控理论，计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制造( c a m ) 和建模与仿真技术于一 体。能够凭直觉感知计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境，它可以在产品设 计新的方案中或更改方案时在真实制造之前在虚拟环境中进行零件的数控加 工，检查数控程序的正确性和合理性，对加工方案的优劣做出评估与优化，从 而最终达到缩短产品开发周期、降低生产成本、提高产品质量和生产效率等目 的。 1 3 2 本文的主要工作 在这篇硕士论文，作者仅仅对一种典型的铣削数控加工方式迸行研究并实 现其建模，论文主要工作包括： 1 用j a v a 语言实现一种典型的数控类型( 铣削) 的动画演示，并在y o u i l d c r 和j c r e a t o r 环境下面用j a v a3 d 编程接口对数控加工进行实体验证，并制作铣削 加工过程三维仿真动画； 2 以产品韵全生命周期数字化定义一个零件，对n t 零件进行三维模型实 体产品建模： 3 研究并开发一个真正基于网络的，并且可以随时访问和读取数据的数控 仿真系统n u m e r i c a lc o n t r o ls i m u l a t i o n a ls y s t e m ( n c s s ) ： 4 采用t o m c a t 作为w e b 系统的服务器，使该系统可以达到远程访问网络 的仿真效果。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 3 课题来源 1 国家重点科技攻关计划项目：支持网络制造的协同交互与资源共享平台 研究与产业化( 项目编号：2 0 0 3 b a l 0 3 c ) ； 2 武汉市光电子信息专项项目项目名称：面向o e 4 , 型企业的智能可重构 e r p 及制造网格中间件产业化。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第二章基于w e b 的应用系统开发关键 技术研究 2 1w 曲开发关键技术概述 数控仿真技术先于w e b 技术出现，但是w e b 技术出现之后，很多相关的技 术都支持能够在w e b 上面现实其功能，数控仿真技术就是其中一种，所以w e b 技术已经极大的改变了人们的生活。 虽然不少入做过相应的仿真研究，但是有些只是基于某一特定的工作环境 进行仿真研究，且该系统只能在一定条件下面运行。随着w e b 技术的发展，越 来越多的应用系统利用w e b 技术开发，网络的优点越来越突出的显示出来。原 来的一些开发系统和环境下开发的数控技术已经越来越不能满足在现在数控机 床发展的需要。日前各种大型的数据传输、设备韵实对监控、远程监控和远程 维修都需要在远程网络上安全运行。而基于w e b 的仿真系统只是其中必不可少 的一小部分。 在基于w e b 豹仿真系统开发中，涉及劐如下与网络枢关的共性技术1 1 1 l 。 1 基于三层架构的谢览器，服务器，数据库技术 主要指构建基于w e b 系统的三层b s 模式及各层的实现技术，铡如客户端 的a p p l e t 技术、服务器端的s c r v l e t j s p 技术和关系数据库系统等。 2 基于w e b 的开发语言 凭借其独特的平台无关性和网络分布性等众多优点，j a v a 技术已经成为开 发高性能的基于w e b 的应用软件的优先选择。 3 基于w e b 的异构环境的集成技术 在远程协同设计等领域需要考虑异构平台的集成技术，主要包括几种分布 式计算的框架，例如c o m d c o m 和j a v a b e a n s c o r b a 等。 4 基于w e b 的图形交互技术 目前主要包括j a v a2 d 3 d ，用于传输三维信息的超文本标记语言v r m l 和 x m l 等。 下面分别介绍其中几项关键技术在开发应用系统中的应用研究。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 基于三层架构的浏览器朋艮务器数据库技术 在研究基于w e b 的数控仿真系统体系结构之前，有必要对三种典型的计算 机应用程序体系结构作简要的分析。随着计算机技术的发展，应用程序的体系 结构经历了三个阶段：终端主机( t c r m i n a l m a i n f r a m c ) 计算模型；客户机，服务器 ( c l i c n t s c r v c r ) 计算模型和浏览器，服务器( b r o w s e r s e r v c r ) 计算模型。 随着i n t e m e t 技术的飞速发展以及应用的普及，基于w e b 的浏览器服务器 的计算模型得到了人们广泛的重视，基于浏览器朋磺务器的应用软件正在越来越 大的程度上取代传统体系结构的应用软件，成为当前应用软件开发的主流。 t e r m i n a l m a i n f r a m e 体系结构是由一台大型主机和多台与之相连的终端组成，其 核心是大型主机，主要用于大型计算。以下重点分析c l i e n t s c r v c r 和 b r o w s e r s e r v e r 计算模型。 2 , 2 1 几种典型的系统编程模型 在完成一个仿真系统之前，需要分析系统的复杂程度，来安排不同的系统 模型。首先简要的介绍一下几种系统的编程模型。 系统组成应用程序的功能代码及其资源，按照其在应用程序中的功能可 以简单分解成为三个部分：用户界面( u s e ri n t e r f a c e ) 事务逻辑( b u s i n e s st o # c ) ( d a m a c c e s s ) 。即通常所说的逻辑层，数据层和界面层。逻辑应用程 序的基本功能单元如图2 1 所示。 图2 1 应用程序功能分解 随着计算机技术的发展和应用的深入。应用程序的编程模型在不断的演化， 先后出现了：单层应用模型( m o n o l i t h i c ) ，两层客户服务器应用模型阳o t i e r c l i e n t s e r v e r ) ，多层应用模型( m u l f i t i e rc t i v n v s e r v e 0 ，分布式系统，基于w e b 的多 层应用模型_ ( w e b - b a s e dm u l t i t i e re l i e n t s e r v e r ) 等。 2 2 2 单层应用模式 早期为大型机编写的应用程序，没有将应用程序三个组成部分分开，即没 武汉理工大学硕士学位论文 有将用户界面、事务逻辑和数据存取分开。这种体系结构跟当时的计算机技术 水平和应用状况有一定关系，当时的用户通过亚终端来共享大型机资源，亚终 端没有任何处理能力，所有的用户界面、事务逻辑和数据存取功能都是在大型 机上实现，因此当时使用单层体系结构而没有出现多层体系结构是合理的。单 层的应用程序结构见图2 2 所示。 2 2 3c l i e n t s e r v e r 模式 图2 2 单层的应用程序模型 c l i e n t s f i v e r 模式又可以分为以下两种形式： ( 1 ) 两层客户，服务器应用模型 p c 枧的出现对应用程序模型的发展带来了巨大的推动力，这时出现了客户 服务器模式的应用程序，即应用程序的代码和资源被明确的划分为客户端和服 务器端。因为p c 机有了一定的处理能力，传统在大型机上实现的的用户界面和 部分事务逻辑被移到p c 机上运行( 这种p c 机端的代码称为应用程序客户端) ， 而大型机则提供部分事务逻辑处理和数据存取韵功能( 这种大型机端的代码被 称为应用程序服务器端) 随着p c 机处理隧力的逐渐加大，客户端执行的任务 逐渐增多，这时对服务器端的硬件要求也在逐渐的降低。 根据事务逻辑在客户端和服务器端分配的不同，该种模型有图2 3 所示几种 形式。 图2 3 两层客户朋务嚣应用模型 需要值得注意的是，客户服务器应用程序常常体现为客户端和服务器端运行在 不同的计算机上，但这并不是必然的要求，在同一台计算机上同样可以实现客 户服务器应用程序。 ( 2 ) 多层客户服务器应用模型 两层应用程序模型的出现极大的增加了应用程序的灵活性，同时也带来应 用程序可维护性的提高。但是，在两层应用程序中仍然存在着不便维护的缺点， 武汉理工大学硕士学位论文 客户端的逻辑或是客户端的嵌入s o l 极有可能随着数据库的改变或是事务逻辑 的变化而变化，不得不重新实现并发布一个新的客户端也就是说，这样的应 用程序模型仍然是比较脆弱的。三层或是更多层应用模型的出现，解决了这样 的闯题。 在三层的应用程序模型中，事务逻辑与用户界面和数据存取明显的分离出 来，将客户端的用户界面与服务器端数据存取隔离开来，极大的改善了应用程 序的可维护性。 在分层的客户服务器应用模型中，下一层为上一层提供服务，上一层调用 下一层提供的服务，这不利于功能的重用。为了最大限度的发挥系统的功能， 分布式系统打破分层系统中对于客户和服务器的定义，将应用程序的代码实现 分解为遵循某个标准规范的对象，这些对象中提供的功能被封装到接口中。在 某个具体的服务逻辑中，一个对象可能充当客户端的功能，它需要调用另一个 对象提供服务；但是，在另一个服务逻辑中，同一个对象可能为另一个对象提 供服务，充当服务器e g 功能。 分布式系统模型如图2 4 所示。 图2 4 分布式系统模型 在c l i c n t j s c r v c r 模式下开发的应用系统在某些方面尚不够完善，仍然不能适 应不断增长的多方面需求，主要体现在以下几点m ： 1 它是封闭式系统，不同系统之间无法交流； 2 用户界面风格不一，使用繁杂，不利于推广使用； 3 系统开发和维护复杂，移植困难，升级麻烦； 4 无法包容已有系统，造成重复投资： 武汉理工大学硕士学位论文 5 缺乏系统性和具有前瞻性的结构框架。 2 2 4 基于w e b 的多层应用模型b r o w s e r s e w e r 模式 b r o w s e r s e l - v e l 是一种由表示层f b r o w s e 0 、功能层( w e bs e w e r ) 与数据库服 务层( d bs e r v e r ) 构成的三层( t h r e e t i e r ) 分布式体系结构，其数据及应用可通过不 同平台、不同网络存取，与平台无关，伸缩性大。 w w w 的发展，使得i n t e r n e t 的应用不再局限于提供一些静态的内容、甚至 也不满足于提供一些简单鹩动态内容，传统以独立的软件包形式发布的一些应 用程序，正逐渐被搬上i n t e m e t ，以出租服务的方式提供给用户，这就是 a s p ( a p p l i c a t i o ns e r v i c ep r o v i d e r ) 。由于w e b 的特点是i n t e r a c t 上的h t t p ，是 一种请求应答式的无连接的服务形式，所以这种基于w e b 的应用程序在体系结 构上有其独特的特点。 b r o w s e r s e r v e r i 搀系结构具有利用超文本传输协m n , g a ) , p e r t e x t t r a n s f e r l w t o c 0 1 ) 的消息传递机制。客户端通过浏览器访问服务器，并发出服务请求，服 务器进行相应的处理后将响应结果返回给客户端。 与传统的c s 结构相比，b s 结构具有阻下特点n 1 c s 结构必须根据客户端所使用的操作系统及访问韵后台应用的不同， 安装不同的软件；而b i s 结构简化了客户端软件，只需安装w e b 浏盟器作为客 户端应用的运行平台，而将所有的开发、维护和升级工作集中在服务器端： 2 c s 结构需要混合多种传输协议；而在b s 结构中，所有的系统都使用 t c 肌p 协议进行通信； 3 c s 结构的软件版本升级比较麻烦；而在b s 结构中，系统版本的升级 及维护是在w e b 服务器端进行的，用户需要访问时才进行动态的下载，这样就 保证了用户每次使用的都是最新的版本。 通过对以上三种典型应用程序体系结构的分析可见，基于w e b 的系统作为 一个典型的基于w e b 的应用系统，其体系结构遵从三层b r o w s e r s e r v e r 模式。 基于w e b 的多层应用模型如图2 5 所示。 武汉理t 大学硕士学位论文 圈2 5 基于w e b 的多层应用模型 2 3 基于w e b 的系统j a v a 开发技术 目前流行的c a d 软件的开发语言多种多样，例如c ，b a s i c ，c + + 等这些开 发语言都是与硬件相关的，对异构环境适应性差，不能充分利用i n t c m c t i n t r a n e t 环境，使得开发出的c a d 软件不具有完备的w e b 特性。基于w e b 的仿真系统 既把自己定位于一个c a d 系统，同时又具有显著的w e b 特性。这使得它在选择 开发语言时要充分考虑到对系统w e b 特性的支持。在众多的基于w e b 应用系统 韵开发技术中由于j a v a 技术所特有的平台无关性、网络分布性等特性，使得 它可以跨越多种硬件和软件环境成为i n t e r n e t i n t r a n e t 上应用系统的理想的开 发平台。j a v a 技术已经成为开发高性能的基于w e b 的应用软件的优先选择。本 节将对基于w e b 的c a d 系统的j a v a 开发技术进行探讨。 j a v a 语言诞生于1 9 9 1 年，从1 9 9 4 年下半年开始，i n t c m e t 的迅猛发展，环 球信息网v c v “v 的快速增长，促澈了l a v a 语言研制的进展，使得它逐渐成为 i n t c m c t 上受欢迎的开发与编程语言，并得到了一些著名的计算机公司，例如 m i c r o s o f t ，i b m ，n c t s c a p e ，n o v c u 等韵支持。 j a v a 语言的流行是与它的特点息息相关的，它具有的优秀品质使它逐步得 到了广泛的应用。与其它开发语言相比，它具有下面一些特点同： 1 分森性 j a v a 是面向网络的语言。通过它提供的类库可以处理t c p p 协议，用户可 以通过u r l 地址在网络上很方便地访问其它对象。 2 鲁棒性 j a v a 在编译和运行程序时，都要对可能出现的问题进行检查，以消除错误 的发生。它提供自动废区收集来进行内存管理，防r 程序员在管理内存时容易 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 产生的错误。通过集成的面向对象的异常处理机制，在编译时，j a v a 提示出可 能出现但未被处理的异常，帮助程序员正确地进行选择，以防止系统的崩溃。 另外，j a v a 在编译时还可捕获类型声明中的许多常见错误，防止动态运行时不 匹配问题的出现。 3 安全性 用于网络、分布环境下的j a v a 必须要防止病毒的入侵，j a v a 不支持指针， 一切对内存的访问都必须通过对象的实例变量来实现，这样就防止了程序员使 用“特洛伊”木马等欺骗手段访问对象的私有成员，同时也避免了指针操作中 容易产生的错误。 4 可移植性 与平台无关的特性使j a v a 程序可以方便地被移植到网络上的不同机器。同 时，在j a v a 的类库中也实现了与不同平台的接口，使这些类库可以被移植。另 外，j a v a 编译器是由j a v a 语言实现的，j a v a 运行对系统由标准c 实现，这使得 j a v a 系统本身也具有可移植性。 5 体系结构中立 j a v a 解释器生成与体系结构无关的字节码指令，只要安装了j a v a 运行时系 统，j a v a 程序就可在任意的处理器上运行。这些字节码指令对应于j a v a 虚拟机 中的表示，j a v a 解释器得到这些字节码后，对它们进行转换，使之能够在不同 的平台运行。 2 4 系统的客户端及服务器开发 2 4 1 系统的客户端及服务器开发一j a v a a p p l e t 客户端的主要任务是创建人机交互界面，实现与用户的交互。客户端的开 发主要分为三大部分，即静态网页、仿真控制和加工仿真。静态网页部分采用 h t m l 页面完成系统的主要布局和显示。仿真控制采用前述的j a v aa p p l e t 进行开 发，完成n c 文件正确性检验，数控加工数据韵提取以及加工参数反馈等功能。 加工仿真部分是用j a v a3 d 语言建立铣肖q 环境模型，完成从仿真控制界面提取参 数，并控制虚拟机床完成加工运动的功能。 j a v a a p p t e t 是一种特殊类型的j a v a 程序，被称为j a v a 小应用程序，它在己 经是动态的j a v a 语言之上提供了更具吸引力的功能，扩展了传统的编程结构和 方法，使原本单调的w e b 页面变得生动起来。j a v a a p p l e t 可以实现动画、仿真、 与用户交互等多种功能。目前，a p p l e t 在w e b 技术中得到了越来越多的应用。 武汉理工大学硕士学位论文 j a v aa p p l e t 就是用j a v a 语言编写的这样的一些小应用程序，它们可以直接 嵌入到网页中，并能够产生特殊的效果。包含a p p l e t 的网页被称为j a v a - p o w e r e d 页，可以称其为j a v a 支持的网页。当用户访问这样的网页时，a p p l e t 被下载到 用户的计算机上执行，但前提是用户使用的是支持j a v a 的网络浏览器。由于 a p p l e t 是在用户的计算机上执行的，因此它的执行速度不受网络带宽或者 m o d e m 存取速度的限制。用户可以更好地欣赏网页上a p p l e t 产生的多媒体效果。 在j a v aa p p l e t 中，可以实现图形绘制，字体和颜色控制，动画和声音的插 入，人机交互及网络交流等功能。a p p l e t 还提供了名为抽象窗口工具箱( a b s t r a c t w i n d o w st o o l k i t ，a 1 ) i ，t ) 的窗口环境开发工具。这个使得j a v a 和其他的优秀语 言一样的方便。a w t 利用用户计算机的g u i 元素，可以建立标准的图形用户界 面，例如窗口、按钮、滚动条等等。目前，在网络上有非常多的a p p l e t 范例来 生动地展现这些功能，读者可以去调阅相应的网页以观看它们