（通信与信息系统专业论文）网络环境下数控车削加工几何仿真系统.pdf

摘要 当今，在n c 程序自动检查中，主要研究方向是数控加工图形仿真。由于产生的图 形是真实感效果图，能够直接检查n c 程序代码的正确性，使n c 编程人员和机床操作 者通过图形显示进行干涉和碰撞检查。校验数控程序。因此，n c 几何仿真技术正逐渐 成为c a d c a m 集成领域的一项主要技术。 近年来，i n t c r n c t 的飞速发展打破了地域限制，为实现异地协同设计与网络化制造 奠定了基础，同时也对制造过程仿真提出了新的要求。现有的仿真软件( 如p r o e ，u g s 的加工仿真模块) 多是在单台计算机上运行，无法支持基于w e b 的异地协同设计以及实 施网络化制造的要求。 本文根据网络环境下数控仿真的需求分析以及网络数控系统( w e bc n c ) 的攘体需 求，研究了网络数控仿真系统的体系结构、仿真关键技术以及系统支撑技术，采用 v r m l 、j 2 e e 技术，实现了基于网络的数控仿真原型系统。 在讨论了网络数控终端设备的远程控制等关键技术之后，研究了网络环境下终端 设备的远程控制的体系结构，实现了一个基于7 a v aa p p l e t 、j 2 e e 等技术的远程控制 实例。 此外，结合o p e ni n v e n t o r 与a c t i v e x 技术实现了对于远程数控加工的用于w e b 浏览器的监控仿真控件，实现了基于通用平台与v p , m l 标准文件格式的开放式的远程数 控监控仿真。论文根据基于网络的数控仿真系统的网络通信需求，结合套接字和多线 程技术，实现了多客户网络通信环境，成功解决了多客户并发访问造成网络通信不畅 或者服务器响应不及时的问题。 根据本文的研究内容与成果，成功开发了基于网络的数控仿真原型系统。并且以 应用实例验证了设计方案与算法的可行性与正确性。 关键词：网络环境，数控车削加工，几何仿真，j 2 e e n o w a d a y s ，i nt h ep r o c e s so fc h e c k i n ga g a i n s tn cp r o g r a ma u t o m a t i c a l l y ，t h em a i n r e s e a r c hw a yi sn cm a n u f a c t u r i n gg r a p h i c ss i m u l a t i o n b e c a u s et h er e s u l t a n tg r a p hi st h r e e - d i m e n s i o n ，i tc a nd i r e c t l yc h e c kt h ea c c u r a c yo fn cp r o g r a m s ，a n dh e l pn cp r o g r a m m e r c h e c kc o l l i s i o na n di n t e r f a c e ，v e r i f yn cp r o g r a m sb yt h eg r a p h i c sd i s p l a y c o n s e q u e n t l y ，t h e n cg r a p h i cs i m u l a t i o ni sb e c o m i n gak e yt e c h n o l o g yi nt h ec a d c a mf i e l d 。 r e c e n t l yf a s td e v e l o p e d ，t h ei n t e m e tt e c h n o l o g yh a sb r o k eu pt h el i m i to fs p a c ea n d h e l p e da c h i e v ec o o p e r a t e dd e s i g na n dn e tm a n u f a c t u r i n g , a n dd e m a n d e da n e wr e q u i r e m e n t f o rt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s ss i m u l a t i o n t h ec u r r e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r e ( s u c ha sp r o e , u g s m a n u f a c t u r i n gs i m u l a t i o nb l o c ka n ds oo n ) 伽tm e e tt h er e q u i r e m e n tf o rw e b * b a s e d c o o p e r a t e dd e s i g no fd i f f e r e n tp l a c e sa n da c h i e v i n gn e tm a n u f a c t u r i n g t h et h e s i sw a sb a s e do nt h ew h o l er e q u i r e m e n tf o rt h en e tb a s e de n v i r o n m e n t s i m u l a t i o na n dn e tc o n t r o ls y s t e m ( w e bc n c ) ，r e s e a r c h e dt h ea r c h i t e c t u r e ，k e yt e c h n o l o g i e s a n db a c k i n gu pt e c h n o l o g i e so ft h en e tb a s e ds i m u l a t i o ns y s t e m i ta p p l i e dv r m l , j 2 e e t e c h n o l o g i e st oa c h i e v et h eo r i g i n a ls y s t e mo fn e tb a s e dn c s i m u l a t i o n a f t e rd i s c u s s i n gt h ek e yt e c h n o l o g i e so fr e m o t ec o n t r o lo fn e te n d n o dn c e q u i p m e n t s ， t h et h e s i sc a n l eo u tt h ea r c h i t e c t u r eo fn e tb a s e dr e m o t ec o n t r o lo fn ce q u i p m e n t s ，a n d a c h i e v e das a m p l eb a s e do nt h ej a v aa p p l e ta n dj 2 e et e c h n o l o g i e s b e s i d e s ，i ta c h i e v e dt h eo p e nr e m o t en cc o n t r o ls i m u l a t i o nb a s e do ng e n e r a lp l a t f o r m a n dv r m ls t a n d a r d su s i n go p e ni n v e n t o ra n da c t i v e xt e c h n o l o g i e s c o n s i d e r i n gt h e r e q u i r e m e n tf o rt h en cs i m u l a t i o n sc o m m u n i c a t i o na n du s i n gt h es o c k e ta n dm u l t i t h r e a d t e c h n o l o g i e s ，t h et h e s i sa l s oa c h i e v e db u i l d i n gt h em u l t i - c l i e n tc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t a n ds o l v e dt h ep r o b l e mt h a tc o m m u n i c a t i o ni sb l o c k e da n ds e l v e rr e s p o n s e sl a t e ，w h i c ha r e c a u s e db ym u l t i c l i e n ta c o o s s e st h es e i v e ra tt h es a m et i m e b a s e do nt h et h e s i s sc o n t e n t sa n dr e s u l t s ，w es u c c e s s f u l l yd e v e l o p e dan e tb a s e dn c s i m u l a t i o ns y s t e m ，a n ds u c c e s s f u l l yp r o v e dt h ec o r r e c ta n dm a u l i n go ft h ed e s i g na p p r o a c h k e y w o r d s ：n e te n v i r o n m e n t ；n cm a n u f a c t u r i n g ；g r a p h i c ss i m u l a t i o n ：j 2 e e 独创性声明 ye g 0 1 1 a s 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文字特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：望数f 期：竺! ! ：垡 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名：室l ! 一导师签名：! 盟遗 f 1 期：! 竺! 苎：垆 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 数控加工技术的历史与发展 1 1 1 数控技术的历史与发展 随着科学技术的不断发展，对机械产品的质量和生产效率提出了越来越高的要 求。杌械加工工艺过程自动化是实现上述要求的最重要的措施。它不仅能够提高产品 质量，提高生产率，降低生产成本，还能大大改善工人的劳动条件。 在传统的大批量生产条件下，由于分摊在每个工件上的费用较低，经济效益是非 常显著的。但是，在机械制造工业中约有机械加工总量的7 5 8 0 是属于单件小批量 生产，尤其是一些宇航、造船、机床、重型机械及国防业部门的零件，精度要求高、 形状复杂、加工批量小且改型频繁，采用普通机床加工这些零件也极其不合理，因为 需要经常改装与调整设备。近年来，由于市场竞争激烈，各生产厂家不仅要提供高质 量的产品，而且也为满足市场的不断变化，需要进行频繁的改型。因此，即使是大批 量生产，也改变了产品长期一成不变的做法p 1 。这样就使组合机床、自动化机床及自 动化生产线在大批量生产中也暴露出其缺点或不足。为了解决上述这些问题，一种新 型的数字控制m c ) 的机床应运产生，它极其有效的解决了上述一系列矛盾，为单件、 小批量生产的高精密复杂零件提供了自动化的加工手段。 1 1 2 数控技术的现状与发展趋势 数控技术的主要发展趋势有以下几个方面： 1 ) 高精度、高速度 数控装置要求能够高速处理输入的指令数据，同时要求伺服电机能够高速的做出 反应。目前由于微处理器计算能力的极大提高，使得数控机床在分辨率为o 1 u r e o o l u m 时仍然可以保持很高的进给速度。精密级的数控机床加工精度已经由原来的 0 0 0 5 m m 提高到0 。0 0 1 5 m m ：高速主轴单元转速已经达到1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 0 r m i t t 以上：进 给运动部件进给速度已经达到6 0m r a i n 以上。 2 1 柔性化开放式的体系结构 传统数控系统采用专用的封闭式体系结构，组成系统的硬件模块和软件结构都是 专用的，互相不兼容。这种专用体系结构的数控系统，虽然具有结构简单、技术成 武汉理工大学硕士学位论文 熟、产品批量大、生产成本低等优势，但是系统的封闭性使得对数控系统的修改和扩 充十分困难。专用的软硬件结构限制了系统本身的持续开发，使得系统的开发投资 大，周期长，更新换代慢，维护困难，不利于数控产品的技术进步，同时使用户在人 员培训和设备维护方面都要投入大量的精力和资金。模块化、可重构、可扩充的开放 式数控系统改变了过去专用的软硬件系统，采用了模块化的软硬件结构，提供用户扩 展功能的软硬件接口以及良好的系统可移植性和与其他应用软件良好的交互操作性。 开放式数控系统已经成为数控技术发展的潮流。以通用p c 机为平台的开放式数控系统 具有独特的优势，是开放式数控系统的一个重要发展趋势。 3 ) 多功能化 数控系统除了具有一般通常的数控加工功能以外，现代数控系统己具有很强的和 计算机通讯和联网运行的能力。系统不仅具有很强的图形功能，而且数控系统自身的 敖障诊断和实时监控功能不断完善，机床可以同时完成多个独立加工任务，可以控制 多台或者是多种机床，在系统中还能够集成刀具破损检测和物料搬运等功能。 4 1 网络化 随着信息技术的飞速发展，现代数控机床的网络功能己大大加强了。数控系统不 仅仅具备与底层现场设备通讯的能力，同时能够与更上层的计算机进行数据交换与共 享，与c a d o l m ，p d m 腰r p 等系统进行无缝的集成，能够支持基于网络的各种远程数 控服务，包括远程在线编程、远程数控加工仿真、远程加工监测、远程数控加工控制 以及远程故障诊断等。 5 1 智能化 随着人工智能在计算机领域的发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神 经网络的控制机制，数控设备的智能化程度不断提高。数控系统具有自动编程、前馈 控制、模糊控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，人 机界面友好，引入故障诊断专家系统使得自诊断与故障检测功能更加完善。伺服系统 智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置能够自动识别负载并且自动优化加工参 数。 6 1 高可靠性 数控设备可靠性指标己达一万小时以上，当前的数控系统硬件大量采用商集成度 的芯片，新型大规模集成电路采用新型封装技术，这些都大大提高了数控系统的可靠 性。在提高数控设备平均无故障时间的同对，从设计方面加强自诊断功能，引入专家 系统对系统潜在故障进行预处理，加入自动排除故障的自诊断系统，使系统具有高抗 干扰能力，以适应严酷的工业现场环境。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 数控加工仿真技术国内外研究情况 当数控加工程序编制完成之后，在进行正式的零件加工之前，需要对加工程序进 行正确性检验。如果编制完成的数控加工程序中存在错误，可能导致工件过切或者欠 切、刀具和零件、刀具和夹具、刀具和工作台之间的干涉和碰撞等问题。工件过切或 者欠切是零件报废的重要原因之一，而刀具与加工环境之间发生的碰撞则是非常危险 的，所以在进行正式的零件加工之前，对数控加工程序进行正确性检验是必不可少的 步骤。数控程序正确性的检验方法已经成为影响生产率的重要因素之一。 传统的加工程序检验方式一般为人工检查和试切，前者完全依靠工程师个人的经 验，而且只能对简单的数控加工程序进行检验。试切则是对零件实际毛坯样件( 塑模、 术模或者蜡模等) 进行试加工，根据试加工的过程和加工结果对数控加工代码的正确性 进行检验。这种检验方式相对于人工检查的方式而言，可以检查复杂程序，但是效率 低下，成本很高，而且需要占用机床，延缓了生产周期，尤其对于大型复杂工件更是 如此。 计算机技术和可视化技术的发展，使对数控加工切削过程进行计算机仿真成为可 能。采用计算机仿真加工进行数控程序正确性检验直观、快速、成本较低，有助于缩 短产品生产周期、降低成本、提高质量。在减轻编程人员工作量的同时又能提高数控 机床的使用率。 设计人员使用计算机可以快速、有效地构造产品的总体方案和设计模型，并可在 计算机上完成设计、分析、评价和修改工作，从而提高设计效率。 数控仿真技术是利用计算机技术对数控加工过程进行仿真，在计算机中以图形、 数字等形式表达整个数控加工过程，以达到对数控加工程序的正确性合理性进行判断 和验证的目的。 数控仿真一般可以分为两种不同的类型： 1 ) 几何仿真 几何仿真不考虑切削参数、切削力等物理因素，只考虑刀具与工件的运动，以验 证数控加工代码的正确性与合理性，以减少或者消除因为程序错误而导致的机床损 伤、刀具折断及零件报废等问题。目前几何仿真方面的研究比较全面和深入，出现了 许多成熟的仿真软件与仿真模块。国外的仿真软件与系统相对比较成熟，商业化程度 比较高。如c g t e c h 的v e r i c u t 系统、c n c 公司的m a s t e r c a m 等。v e r i c u t 系统包含动 态加工仿真以及切削精度验证，加工仿真图形显示速度快，图形真实感强，可以对不 同数控系统、不同格式的数控代码进行仿真，并且可以根据仿真和分析结果生成精度 分析报告等一系列技术文档，v e r i c u t 仿真系统还可以与成熟的c a d c a m 软件进行集 成，作为c a d c a m 软件的一个模块对设计模型进行数控加工仿真。m a s t e r c a m 也是个 3 武汉理工大学硕士学位论文 成熟的商业数控仿真软件。m a s t e r c m 主要功能包括二维绘图、曲线曲面加工、点位加 工、两轴到五轴铣削加工、数控车削、线切割以及激光切割等。其数控加工提供多种 走刀方法，对加工路径的选择、干涉的检查、多曲面加工、五面加工、刀具管理以及 测量方面具有很强的功能。在国内，数控几何仿真系统相对不够成熟，商业化程度也 不高，但是也独立研制了一些数控几何仿真系统。如清华大学与华中科技大学合作开 发的h m p s 系统“一1 、啥尔滨工业大学研制的n c m p s 系统“1 以及南京航空航天大学 开发的s u p e n n a n 2 0 0 0c a d c a m 系统。i t m p s 是在8 6 3c i m s 主题下进行研制的，该 系统以s i m e n s 8 5 0 m 为仿真对象，采用交互式实时控制与管理的仿真过程，可以仿真加 工中心的加工过程，仿真过程由代码驱动，可以对刀具与成型工件、刀具与夹具、刀 具与加工工作台碰撞与干涉测试，记录干涉点并报警。系统采用c + + 结合o p e n g l 进行 开发，毛坯处理采用光线跟踪算法进行表示。n c m p $ 在刀具轨迹三维显示方法上利用直 接从数据结构读取刀位信息的方法，以零件形状、刀具与夹具类型、机床类型等信息 和n c 程序作为输入，输出磁撞检验结果和三维图形仿真，计算机显示工件的实际运行 状态。s u p e r m a n2 0 0 0c a d c a m 由南京航空航天大学研制与开发，基于 s p a t i a lt e c h n o l o g y 公司的a c i s 几何开发平台，使用v i s u a lc + + 进行开发。该系统 实现了三维数控加工过程仿真中视图移动，视角旋转、放大、缩小等功能。 2 ) 物理仿真 物理仿真使用物理规律模拟整个切削加工过程，考虑受力、速度、加速度、质 量、密度、能量等物理因素，模拟加工过程的动态力学特性进行刀具破损预测、刀具 振动计算以及切削参数控制，从而达到优化切削过程的目的。由于切削机理复杂、建 模难度大，研究还不够深入。目前在数控加工物理仿真方面仍然没有成熟的商业化系 统出现，但是国内外都进行了对数控加工物理仿真技术的研究。s t a k a t a 。开发了 一套面向智能加工过程的仿真系统，系统中包括了检验刀具路径的几何仿真过程和加 工误差的物理仿真过程，系统可以用于优化加工过程、在线自适应控制，并能够对异 常情况进行检测和报警。w j e n d r e s s ”“针对车削加工建立了全面的加工过程模 型，该模型综合考虑了刀具几何形状、变化的切削层参数、工件材质以及刀杆相对于 工件的振动等因素，建立了车削力的动态模型和工艺系统的振动模型。在国内，张大 卫等。建立了圆锥螺旋铣刀的三维铣削力模型，通过了对几何特征的分析提出了非线 性模型的参数识别方法。姚英学等。提出了面向加工质量预测的虚拟加工检测单元的 概念，综合了虚拟加工及虚拟检测尺寸误差、形状误差、表面粗糙度等技术指标，作 为虚拟加工过程中的基本单位。黄学梅等。对车削过程中的主要影响因素、动态车削 仿真物理模型的建立以及仿真结果的分析进行了研究，在此基础上开发了数控车削物 理仿真原形系统。 目前，数控加工物理仿真中仿真模型的建立仍然有待完善，实现的物理仿真系统 一般都是针对某一特定的加工过程而设计的，通用性很差。同时由于切削过程的复杂 4 武汉理工大学硕士学位论文 性以及仿真模型建立的困难性，仿真结果与实际的实验结果仍然存在很大差异，系统 的实用性较差。 1 3 基于网络的数控仿真系统研究意义及课题来源 1 3 1 基于网络的数控仿真系统研究意义 随着网络经济时代的到来，按照市场进行驱动的、具有快速响应机制的网络化制 造模式应运而生。异地异构的数控机床联网，形成虚拟加工系统，扩大企业的加工能 力是网络化制造技术在加工制造方面的重要内容之一。如今的数控系统不再是一个孤 立的机床控制单元，而是处于企业f m s 和c i m s 环境下甚至处于i n t e r n e t 环境下的基 本制造控制单元。因此，现阶段开放式网络数控系统的研究与应用显得尤为重要。 网络数控系统是一种基于网络运行的数控系统，它不但应该能够在一个企业的内 部支持底层设备连网，与c a d ，c a m p d m 压r p 等计算机辅助系统进行无缝的集成，而 且应该能够支持基于i n t e r a c t 的各种远程服务功能，如远程在线编程、远程数控加工过 程仿真、远程监控以及远程故障诊断等，以实现数控加工过程的网络化。因此基于网 络环境的数控仿真系统的研究与开发也就变得十分的关键。 目前国内对于基于网络的数控加工仿真的研究仍然处于探索与起步阶段，一部分 数控仿真系统在原有的基础上实现了部分网络功能。但是仍然存在着许多问题：数控 仿真基于特定的几何造型系统或者特定的几何模型格式，未能实现基于i n t e m e t 的通用 化。数控仿真通过w e b 实现造成系统仿真质量下降，真实感与逼真度降低。与数控系 统的集成不够紧密，网络服务功能有限等等。针对这一实际情况，研究基于网络环境 的数控仿真系统，实现基于i n t e r a c t 与标准模型文件的开放式的高效数控仿真就具有重 要的实际价值。 1 3 2 基于网络的数控仿真系统课题来源 本课题来源于国家自然科学基金资助项目“基于网络的数字制造基础理论与关键 技术研究”。该项目提出了将w 曲技术应用于网络数字制造系统研究，旨在通过对网 络数字制造系统的研究，构造以p c 为平台具有开放式体系结构的模块化网络数字制造 系统。本文主要针对网络数控系统中的远程数控车削仿真模块进行研究，从网络环境 下数控车削加工仿真的需求出发，研究加工过程仿真与加工环境仿真的关键技术并进 行原型系统的开发。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 3 论文主要研究内容 1 1 基于网络环境的数控仿真系统的体系结构：对基于网络的数控仿真系统进行需 求分析，根据代码仿真以及实时监控仿真的不同特点与需求提出基予网络的数控仿真 系统的逻辑体系结构，确定基于网络的数控仿真系统的工作流程、软件设计策略以及 相应的技术实现路线。 2 、基于网络的数控仿真系统中的代码解析：研究适合于基于网络的数控仿真系统 需要的代码解析，确定数控代码解析方案。 3 1 网络环境下的数控仿真关键技术：研究网络环境下远程终端设备的控制，构建 可以实时跟踪设备状态、作业进度等与数控设备紧密相关信息的平台，要求实现能对 分布在网络终端节点的设备资源进行管理，实现设备资源的集中管理，从而实现资源 的优化分配和更合理应用。 4 、网络数控系统中的支撑技术：主要包括网络通信技术与基于o p e ni n v e n t o r 的 a c t i v e x 控件技术，以及s u nj 2 e e 企业应用标准。通过对数控仿真中的网络通信的需 求分析，确定网络通信模块的方案，采用多线程实现基于多用户服务机制的网络通 信。研究a c t i v e x 控件技术以实现基于w 曲的实时监控仿真，使监控仿真模块可以通 过w e b 浏览器与网络数控系统中的其他模块进行集成。 5 ) 在以上研究的基础之上，开发一个基于网络的数控仿真原型系统。 1 4 论文的组织结构 论文分为七章： 第一章：为全文总论，首先论述了数控技术的发展历程，现状和发展趋势。对数 控仿真技术国内外研究情况进行了简要的介绍。介绍了本研究的研究意义及课题来 源，并且对论文的主要研究内容进行说明。 第二章：主要研究基于网络的数控仿真系统的设计方法和系统体系结构。在对网 络数控仿真系统进行需求分析的基础上，对接个系统的逻辑体系结构和相应的工作流 程进行确定。论述系统开发的软件策略以及相应的技术体系结构。 第三章：研究基于网络的数控仿真系统中的数控代码解析。根据基于网络的数控 仿真中数控代码解析的需求确定数控代码解析的方案，并且对其中关键几何插补的实 现算法进行研究。 第四章：研究网络环境下的关键技术。对广泛分布的网络终端设备资源进行远程 监控，以期实现资源的合理管理和科学应用。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第五章：研究了基于网络的数控仿真系统中的主要支撑技术。包括多用户网络通 信技术与基于o p e ni n v e n t o r 的a c t i v e x 控件技术；论述基于t c p i p 的网络通讯技术 以及编程模型，根据基于网络的数控仿真系统的具体需求，提出多用户网络通信方案 并且加以实现；研究o p e ni n v e n t o r 在h c t i v e x 技术中的实现，对监控仿真a c t i v e x 控件进行设计。 第六章：对基于网络的数控仿真原型系统的设置与应用实例进行介绍。 第七章：对研究的主要工作和成果进行总结，并且对基于网络的数控仿真技术进 行进步的探讨和展望。 论文组织结构图如图i - i 所示； 第一章绪论 第二章基于网络的数控车削几何仿真系统体系结构 第三章数控车削 仿真系统代码解析 技术研究 第四章网络环境 数控车削仿真系统 关键技术研究 第五章系统的支 撑技术研究与实现 第六章网络环境下数控车削几何仿真实例 第七章总结与展望 图i - i 论文组织结构图 7 武汉理工大学硕士学位论文 第二章基于网络的数控车削几何仿真系统体系结构 数控仿真是数控加工中的一个重要环节。通过数控车削加工几何仿真，可以大大 节省数控程序的调试时间，减少昂贵的试切费用，提高数控机床的使用安全性；充分 利用网络技术进行异地远程的数控仿真，可以缩短程序编制者与加工者之间的距离， 同时也为网络用户使用w e bc n c 系统进行网络数控加工做好准备工作。 2 1 基于网络的数控车削几何仿真系统分析 2 1 1 基于网络的数控车削几何仿真系统需求分析 网络化制造是一种在网络经济时代按市场需求进行驱动，具有快速响应机制的全 新的制造模式，是一种在制造过程当中充分运用现代网络信息技术以期产生更大经济 效益的一种制造模式。它以数字化、柔性化、敏捷化为基本特征。柔性化、敏捷化是 快速响应客户需求的前提，表现为结构上的快速重组、性能上的快速响应、过程中的 并行性与分布式决策。为了更好的适应网络化制造环境的需要，作为网络数控系统一 项子系统之的网络数控仿真系统必须有效的支持上述的发展新趋热。其主要功能应 包含以下几个方面： 1 1 支持基于网络环境的远程数控加工代码切削仿真：仿真过程由远程数控加工代 码进行驱动，实现具有一般真实感的二维仿真。该功能为基于网络的数控仿真系统的 基本功能。 2 1 支持基于网络的远程加工设备的实时监控：在计算机终端重现远程特定的加工 环境和加工设备的监控。 3 ) 实现w e bc n c 系统中各个子系统的集成：通过网络在网络数控系统中子系统 之间实现信息共享和信息交互。 以上为基于网络的数控仿真系统的主要功能需求，另外，w e bc n c 为了实现对与 远程真实数控加工的监测。除了使用摄像头、传感器以及网络视频技术进行监控外， 同时要求在用户客户端可以对正在进行的远程数控加工进行仿真，该项仿真并不是由 数控加工代码插补驱动的仿真，而是由w e bc n c 数控系统通过网络直接传输至客户 端的坐标信息进行驱动的仿真，该仿真与数控加工代码仿真要求不同，在客户端只需 8 武汉理工人学硕士学位论文 进行图形显示而无需进行对数控加工代码的插补计算，但是仿真要求实时性高，要求 客户端仿真与远程数控加工现场同步。 2 1 2 基于网络的数控车削几何仿真系统模块划分 w e bc n c 系统主要由三个子系统组成：服务与管理子系统、网络数控仿真子系统 和网络数控加工子系统。如图2 - 1 所示。 图2 一lw e bc n c 系统基本关系结构图 w e bc n c 服务与管理子系统主要完成以下几个功能： 1 1 用户基本信息管理 用户管理模块负责管理使用w e bc n c 系统的所有用户，只有注册并通过身份验 证的正式用户才可以利用w e bc n c 系统提供的各种远程服务功能。 数控程序编制与管理 数控程序是任何一台数控系统信息的核心内容，w e bc n c 系统能够提供给用户基 于网络的数控程序编辑、校验功能。用户可以从零开始编制数控程序，也可以搜索并 下载系统数控程序库中的数控代码进行修改，最后上传到程序库中，供w e bc n c 中 其他子系统( 如仿真系统和远程控制系统) 使用。对于用户使用其他c a m 软件生成的数 控代码则可以利用系统提供的f i t 功能直接上传到程序库中。 3 1 加工设备信息管理与参数配置 加工设备信息管理主要完成数控设备及其相关辅助信息的录入、管理与对外发 布，以供w e bc n c 网络用户查询加工设备当前状态、加工能力等远程监控功能，进 而选择所要使用的加工设备。参数配置主要是配置与加工设备连接的下位机站地址以 及上层控制服务器和各种应用服务器的网络地址和端口号，这些参数将被存储在数据 库中，这样通过控制服务器端应用程序，网络用户就能够与所选定的加工设备自动建 立通信连接，完成基于网络的各项操作。 9 武汉理工大学硕士学位论文 w e bc n c 网络加工子系统接受网络远端用户的数控程序和数控指令，提供现场设 备执行结果信息，控制现场设备完成基于网络的数控加工。其主要功能包括【1 9 1 ： 1 ) 手动加工 实现快速点定位、定长进给、回零、自动对刀、对机械原点功能。 2 1 自动加工 使用数控加工代码进行自动加工，启动、暂停、自动升、降速处理；主轴速度、 进给速度、进给距离倍率调整。 3 】状态数据显示 实时显示当前刀具空间坐标、进给速度、主轴转速等；实时显示冷却、润滑、主 轴的开关状态i 对超程进行报警。 4 1 加工现场视频获取 随时获取加工现场的视频信息以提供给远程用户观察实际加工情况。 服务与管理子系统、网络数控子系统与网络加工予系统组合构成了整个w e bc n c 系统，系统中三个子系统的集成完全是由信息的共享来实现的。信息主要包括：数控 程序、仿真信息和监控信息。其中，数控程序为三个子系统之间共享数据的核心。 2 2 基于网络的数控车削加工几何仿真系统体系结构 2 2 1 基于网络的数控车削几何仿真系统功能体系结构 目前基于网络环境的应用软件结构主要有客户机，服务器结构( a i e n “s e r v e f ) 和浏览 器服务器结构( b r o w s e r ，s e r v e r ) 两种类型“、。 基于b s 模式的系统具有界面统一( 全部为浏览器，无需另外安装客户端软件) 、 操作相对简单、易于维护( 只需维护服务器端软件) 、扩展性好等特点。随着i n t e m e t 的 不断普及和应用，b s 已经成为一种流行的网络应用模式。但由于运行在浏览器的各种 脚本程序或者j a v aa p p l e 、应用程序等是一种解释执行语言，使得用它开发的应用系统 执行效率不高。从当前的技术水平来看，采用b s 模式的系统在信息的发布、共享以 及其他些非实时性要求的数据操作等领域有良好的应用前景，特别适用予系统同用 户交互量不大的应用中。 a s 结构在客户端有一套完整的应用程序与用户进行交互，可以完成大量的用户操 作。客户端程序的执行速度也比脚本语言快得多，在服务器端也省去了将程序执行结 果生成w e b 页面的过程a 此外采用c s 结构模式，客户与服务器端的应用软件可以直 接建立在t c p i p 协议体系的t c p 或u d p 协议基础上：而b s 结构应用软件通常是建 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 立在h 1 r p 协议基础上，h 兀甲协议是以t c p 或u d p 协议为基础的上层应用，因而运 行效率相对较低。 根据基于网络的数控车削加工几何仿真系统的需求分析可知仿真系统总体上分为 两部分： 1 1 非实时性的远程数控仿真：主要包括远程数控加工代码仿真，仿真主要由远程 的数控加工代码进行驱动，只要求仿真过程流畅准确，真实感高，但对于仿真本身并 无实时性要求。 2 1 有实时性要求的远程数控仿真与远程控制：主要为针对远程真实数控加工的监 控仿真，仿真由网络数控系统插补产生的坐标信息直接进行驱动，在客户端不要求进 行数控代码插补计算，但是要求客户端的仿真能与远程数控加工同步，实时性雾求 高。同时由于该仿真是与远程数控加工同时进行的以监控加工过程为目的的仿真，因 此要求仿真能够和w e bc n c 中的网络数控加工子系统通过浏览器，实现完全无缝的 集成。 为了满足上述仿真系统不同的要求，本系统采用b s 与c s 结构相混合的结构， 利用其各自的特点和优势以完成仿真系统中的不同功能：使用c s 结构实现仿真系统 中非实时性的远程数控加工代码仿真以及监控，通过t c p 协议在客户端与服务器端之 间进行高速可靠的数据传输，利用客户端较强的计算能力和方便的界面开发完成数控 代码的插补计算和数控加工仿真的多窗口显示，保证数控代码仿真可视化过程的流畅 真实，避免使用b s 结构造成控件或者脚本程序过于复杂或者由与脚本程序执行效率 较低而降低整个仿真系统的性能。使用b 届结构实现仿真系统中需要高实时性和高集 成性的仿真，使该仿真模块可以与网络数控加工子系统通过浏览器实现集成，仿真可 以与远程数控加工控制同时进行，由于无需对数控加工代码进行插补计算，因此通过 嵌入网页中的控件或者脚本程序完全可以胜任仿真显示任务。由此确定的基于网络的 数控仿真系统的系统体系结构如图2 2 所示。 第一层为应用层，对应于客户端仿真程序与w c b 浏览器。当需要对远程数据库中 的数控加工程序进行仿真时，客户端仿真程序通过服务层的仿真服务器向数据层发送 数控加工程序请求，仿真程序在获得需要的数控加工程序和相应的仿真信息之后完成 虚拟加工环境的生成、数控程序的译码、仿真插补计算以及动画显示仿真等过程。而 嵌入浏览器的实时仿真控件根据服务层的控制服务器所传输过来的坐标信息对远程数 控加工过程进行监控仿真。 第二层为服务层，主要对应于仿真应用服务器、w e b 服务器以及控制服务器。仿 真应用服务器主要负责数控加工代码仿真过程中用户身份验证、协调用户请求、数据 库操作以及完成应用层与数据层之间的数据通信等功能。w e b 服务器主要提供b s 结 构中的h t r p 服务。控制服务器除了实现远程数控加工服务之外，还将通过c a n 现场 总线获得的数控插补坐标信息通过t c p 协议传输至客户端实时仿真控件以实现对数控 n 武汉理工大学硕士学位论文 加工的实时监控。服务层与数据库服务器的交互由o d b c j d b c 数据库驱动来完成， 以实现数据存取与业务逻辑处理的分离。 第三层为数据层：即为数据库服务器，负责提供各种数据信息的存储与管理功 能，数据主要包括数控加工程序、机床仿真模型和刀具仿真模型等。 群，、端 数挎 客1 1 l 白6 蜜 i | _ 皤瞧栉i 加i ， _ ；l ；l 汁 川 浏匏器 街如 按a ， 牲件 博畦 。it c plr r t pt c pj t c p “”。“4 。 1 上上 上 l 数 协照心嘲 w e b 服努器跨裁j ：| | i 舞器 ，l 控 月 ；哿 ，： 了 礤 腻务辨 娩 | o 彳 a d o o d 3 c葛 _ 模态代码：又称为续效代码，其特点是一经被应用，直到出现同组其他任何一 个g 代码时才会失效，否则保留继续有效，两且在程序段中可以省略不写，在同一程 序段中出现非伺组的多个模态代码则不影响其他g 代码的续效。 非模态代码：特点是仅仅在显示出现的程序段有效，下一程序段需要时则必须 在程序段中重写。 不指定代码和永不指定代码：不指定代码主要用于将来修订标准时，有可能指 定新的功能定义。永不指定代码指即使将来进行修订时也不指定新的定义。不指定代 码在未被指定新的定义之前，机床设计者可以根据需要自行定义除表中己有定义的新 功能。 3 ) 尺寸代码：由地址码、+ 一符号以及绝对值( 或增量) 的数值构成。地址码有x 、 y 、z 、u 、v 、w 、p 、q 、r 、a 、b 、c 、i 、j 、k 、d 、 等。+ 一符号中+ 号可以省略，一 号必须明确写出。 4 ) 辅助功能m 代码：是控制机床开一关功能的指令，进行对机床辅助动作的指令。 由地址码m 和后面两位数字组成，从m o o m 9 9 共一百种。m 代码是与数控机床插补运算 无关的代码。 5 ) 主轴转速功能代码；用于指定主轴转速，由地址码s 和后面若干位数字组成。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 6 ) 刀具功能代码：用于选择刀具或者确定刀具偏置和补偿。由地址码t 和后面若 干位数字组成。 7 ) 进给功能代码：用于确定刀具中心进给速度，由地址码f 和后面若干位数字构 成。数字的单位取决于每个数控系统所采用的进给速度的制定方法。 3 2 数控代码解析方案研究 3 2 1 数控代码解析目标 在数控机床加工中，数控加工代码主要用于给出机床完成整个加工任务所需的加 工信息，其基本信息主要为代码中描述的几何运动信息，另外包括主轴状态( 正、反、 停) 和转速的自动选择、换刀及刀具补偿( 长度或者半径) 以及进给速度等与机床加工流 程有关的开关量控制。因此总结起来，数控加工代码中主要包括运动轨迹形成信息和 开关量信息。 对于基于网络环境的数控仿真系统而言，并不是加工代码中所有的信息都在仿真 过程中起作用，也不是所有的加工指令都需要被解析，最重要的信息主要是加工代码 中所包含的几何运动信息，相应的加工指令主要包括g 0 0 、c 0 1 、g 0 2 、g 0 3 、g 0 6 、 g 1 7 、g 1 8 指令等；另外主要是刀具补偿信息，相应的加工指令主要为g 4 0 g 4 3 指 令：而某些辅助指令在整个仿真过程中并不起作用，如m 0 3 、m 0 7 、m 0 8 等指令，在 仿真代码解析过程中这些可以忽略，仅仅作为信息保留下来面不进行具体的代码解 析。 数控解析程序一个十分重要的功能为对数控加工程序进行错误检查，按照数控系 统的编程规定，对n c 代码进行词法、语法分析等检查，从而检查出数控加工程序的 词法错误、语法错误等。 代码解析程序的实现要求如下： 1 ) 对数控加工代码中的加工指令c o o 、c 0 1 、0 0 2 g 0 3 g 0 6 g 1 7 、g 1 8 等进行符 合仿真要求的解析，生成相应的插补坐标数据，以用于驱动模型的运动。 2 ) 对数控加工代码中的刀具相关指令( f l 括t j 具插补和换刀指令) 实现相应的解析。 3 ) 对于不影响加工仿真过程的辅助指令进行忽略。 3 2 2 代码解析方案研究 对于数控系统，系统加工代码解析程序的类型主要有以下三种： 1 ) 逐行解释实现方法，系统在逐行对代码进行解释的厨时根据对上一行代码的解 释所得信息进行加工仿真处理( 解释、插补) ，在插补定时中断的同时，解释程序预先解 武汉理工大学硕士学位论文 释下一条程序，等到本条程序插补完成以后，再将下一条预先解释好的程序的结果放 到插补模块中，这种方法实现起来比较简单。 2 1 编译实现方法，即系统预先对要进行加工验证的程序进行全部编译，将结果存 放到缓冲区中去，当开始加工时，直接启动插补中断程序，从缓冲区中取出编译好的 数控程序，进行计算并同时控制加工。 3 1 解释编译方法，即译码解析程序首先扫描一遍零件加工程序，主要进行程序格 式分析及主词法、简单的词义考察，但通常不处理有关的数据，如果零件加工程序没 有语法、格式错误，则进行第二次扫描，即译码与数据处理工作。 第一种方案对于实际机床控制而言存在一定的缺点，机床各模块之间的控制是顺 序控制的，如果对一个程序段的解释过程比较慢丽使机床具有一定的等待时间。加工 工件表面有可能出现因为停顿而造成的不符合加工要求的痕迹。同时程序在中间部分 出现的错误会导致工件报废。但是对于基于网络的数控仿真系统而言，这种方法并不 存在以上的缺点，仿真系统对于程序解析的实时性要求并不如真实机床那么高，同时 基于网络的数控仿真系统相对真实的数控系统而言具有较高的计算能力，在实现上第 一种方案具有实现简单可靠的优点。 第二种解析实现方式在控制真实加工时效率比较