（机械电子工程专业论文）虚拟数控系统运动控制器开发及相关技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f l 数控技术是集机械、电子、控制、检测为一体的综合技术，作为现代 制造技术的基础，数控技术在国民经济和国防上占有非常重要的地位，随 着计算机科学的高速发展和广泛应用，使数控技术乃至整个机械行业发生 了重大变化，一系列的先进制造技术笳理论应运而生，包括软件重用，软 件芯片，开放式系统以及虚拟制造，本文便从基于软件芯片库的开放式数 控系统的构建和虚拟制造与数控技术相结合两方面进行研究和论述。 本文在介绍了数控系统的功能模块进行研究和实时性要求分类的基 础上，从软件可重用性和面向对象的角度分析了芯片的设计过程以及具体 数控功能的实现，对数控系统进行重构，针对数控系统是复杂的多任务并 行系统这一特点，着重阐述了芯片间如何相互协调，不至于引起数据存贮 和读取的冲突，以保证令人满意地在p c 机上实现数控加工的一系列流程， 包括预处理、插补、仿真等，并在w i n d o w s 平台v i s u a lc + + 5 0 软件下实 现了简单的数控车床的二维加工仿真和三轴铣床的三维加工及仿真。 | f 在d e n e b 公司提供的三维造型的开发平台上进行虚拟数控机床的几 何建模和运动学建模。 将数控技术与虚拟制造技术相结合，在虚拟环境下通过输入信息( 数 控是加工数据及状态控制信息) ，转换为虚拟环境可识别的控制命令，实 现机床运动，进行现实状况下数控机床的仿真，并能进行材料去除，碰撞 检测等。1 一 本课题的后续任务将继续深入结合虚拟制造理论和方法，采用远程网 络通讯技术、多媒体技术以及数据交换标准技术，开展基于网络的具有虚 拟现实功能的虚拟c n c 系统的研究和开发，创建虚拟c n c 系统的硬软件 设计平台，装配操作平台以及监控和评估平台。 关键词：数控系统软件芯片虚拟制造g s l 编程 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sa ni n t e r d i s c i p l i n a r y t e c h n i q u eo fm e c h a n i c s ，e l e c t r o n i c s ，a u t o m a t i cc o n t r o l a n d d e t e c t i o n ，c n c ( c o m p u t e rn u m e r a 】c o n t r 0 1 ) t e c h n i q u eb e c o m e so n eo ft h e m o s ti m p o r t a n ti n f r a s t r u c t u r e so f m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e s ，a n di to c c u p i e s a ni m p o r t a n ts t a t u si nn a t i o n a le c o n o m ya n dn a t i o n a ld e f e n c ei n d u s t r y w i t h t h eh e l po f r a p i dd e v e l o p m e n ta n dt h ew i l du t i l i z a t i o no fc o m p u t e rs c i e n c e s ， g r e a tc h a n g e s h a v e b e e nh a p p e n e di nt h ef i e l d so fc n ct e c h n o l o g ya n d f u r t h e r m o r et h ew h o l em e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g as e r i e so f n e wm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g i e sa n dn e wt h e o r i e sh a v eb e e nd e v e l o p e d ，s u c ha ss o f t w a r er e u s e ， s o f t w a r ei c c h i p s ，o p e ns y s t e m sa n dv i r t u a lm a n u f a c t u r i n g t h e r e f o r e ，t h e r e s e a r c ho ft h i st h e s i sa i m sa td i s c u s s i o n sa n dr e s e a r c h e so ft h ec o n s t r u c t i o n o f s o f t w a r e - i c c h i p s b a s e do p e nc n cs y s t e m sa n dt h ec o m b i n a t i o nb e t w e e n c n c t e c h n o l o g ya n d v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eg e n e r a la r c h i t e c t u r ea n dt h ef u n c t i o nm o d u l e s c l a s s i f i e db yt h e i rd i f f e r e n tr e q u i r e m e n t sa c c o r d i n gt or e a l t i m er e s p o n s eo fa c n c s y s t e m ，t h ew h o l ed e s i g nc o u r s ea n d t h ef u n c t i o nr e a l i z a t i o np r o c e s sa r e a n a l y z e d i n d e t a i l e s p e c i a l l y f o rt h ea v o i d a n c eo ft h e c o n f l i c t i n g o f i n f o r m a t i o n s a v i n ga n dr e a d i n gf o ram u l t i - f u n c t i o n a lp r o c e s s i n gs y s t e m ，g r e a t e m p h a s i s h a sb e e np u to nt h eh a r m o n y a m o n g t h o s es o f t w a r ei cc h i p ss oa st o s a t i s f yt h er e q u i r e m e n t st of u l f i l lt h ew h o l ep r o c e s s i n go fc n cm a c h i n i n g ， i n c l u d i n gp r e i n t e r p o l a t i o n ，i n t e r p o l a t i o n ，s i m u l a t i o n a n ds oo n a st h e e x a m p l e s ，a t w o d i m e n s i o n a ll a t h ea n dat h r e e d i m e n s i o n a l m i l l i n g a r e i l l u s t r a t e do np c c o m p u t e r t h et h r e ed i m e n s i o nm o d e l i n gs o f t w a r e ，v n ca n de n v i s i o nd e v e l o p e db y d e n e bc o m p a n yo fu s a ，a r eu s e dt or e a l i z et h eg e o m e t r ym o d e l i n go fv i r t u a l c n cm a c h i n et o o l sa n dt h e i rk i n e t i cm o d e l i n g d u r i n gt h e c o u r s eo ft h ec o m b i n a t i o nb e t w e e nc n ct e c h n o l o g ya n dv m t e c h n o l o g y ，t h ei n p u ti n f o r m a t i o n ( s u c ha s t h ep r o c e s s i n gd a t a ，t h ec o n t r o l s t a t e ) i sc o n v e r t e dt ot h er e c o g n i z e dc o m m a n d su n d e rv m e n v i r o n m e n ts oa s t or e a l i z et h em o v e m e n to fv i r t u a lc n cm a c h i n et o o l s ，t h em a t e r i a lc u t t i n go f i i r f k f ， r 华中科技大学硕士学位论文 t h ew o r k p i e c e sa n dt h ed e t e c t i o no fc o l l i s i o na v o i d a n c e t h ef u t u r er e s e a r c h e sa r ea l s o e m p h a s i z e do nt h ec o m b i n a t i o no ft h ev m t h e o r i e so rm e t h o d s ，r e m o t en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , m u l t i m e d i a t e c h n o l o g y a n dd a t at r a n s f o r m a t i o n t e c h n o l o g y s oa st o d e v e l o p a n e t w o r k - b a s e dv i r t u a lc n cs y s t e mf o rt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g n ， a s s e m b l i n g ，o p e r a t i o na n de v a l u a t i o n k e y w o r d s ：c n cs y s t e m s ，s o f t w a r ei cc h i p s ，v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，g s l p r o g r a m m i n g i l l 华中科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 课题概述 1 1 1 课题来源 本课题作为武汉市科委国际合作项目一一“虚拟c n c 系统的研究” ( 资助号：9 9 7 0 0 2 0 6 5 ) 和国防预研基金项目一一“虚拟制造关键技术研 究”( 资助号：9 9 j 1 8 1 3 j w 0 5 2 6 ) 的重要组成部分，重点对基于虚拟现实 的虚拟c n c 系统的基本理论、组成机制和相关关键技术展开研究。 1 1 2 课题的研究背景 随着先进制造技术和数控技术的迅速发展，制造业控制规模的日益 增大，控制系统的复杂度和自动化程度的逐步提高，控制系统的研究和开 发者相应地遇到了一系列的问题。如：控制系统投资较大，周期较长，在 整个系统正式建立和运行之前，难以对该系统的效益和风险进行确定而有 效的评估；开发一个新系统，无法在投入大量的人力和经费之前，就确定 其开发价值和对投产后所取得的效益及风险进行切实有效的评估；不能在 系统设计开发的各个阶段把握系统制造过程各个阶段的具体实际情况；不 能对系统的运行状况及运行过程中可能存在或产生的问题进行预测和监 视等【1 】【2 】。 数控技术是现代先进制造技术中的重要基础。数控技术水平已成为衡 量一个国家制造业水平的重要标志。目前，国际上各厂家生产的数控系统 大都是封闭式的，不能进行高可靠性的软件扩展。近年来，国内外众多的 数控软件开发者都在重复研究、开发相同或类似的数控系统，反复设计若 干基本模块，造成不必要的人力、物力、财力的巨大浪费。同时，没有统 一的标准，不同的软件开发者之间不能相互替换，缺乏兼容性，阻碍了数 控软件的更新换代，并且影响了数控机床生产者对市场和用户的快速响应 能力。 对数控系统进行模块化设计与开发，以使其具有软硬件的重构能力， 提高系统的可维护性和可扩充性，降低开发成本，缩短开发周期，无疑是 实现提高数控机床对市场适应能力这一目的的必由之路【4 】【5 1 。数控系统的 软件芯片化，即通过对数控系统的功能划分，建立类似集成电路芯片的数 控系统软件芯片库。当建立新的数控系统时，只需从软件芯片库中提取相 华中科技大学硕士学位论文 应的功能芯片加以组合即可。必要时可对软件芯片库加以扩充，而无需从 头开发整个系统。这样便改变了目前数控系统的封闭式设计，大大提高整 个系统的灵活性，很好地实现了数控系统开放性设计及资源重用，对数控 系统的及时升级换代和对市场的及时响应，都具有很好的开发前景。由此 实现 4 l ： ( i 】、分担基础设施建设费用和响应的商务风险： ( 2 ) 、分享核心竞争优势； ( 3 ) 、减少产品投放市场所需的时间： ( 4 ) 、协同产品开发： ( 5 ) 、增加市场占有份额和进入市场的机会等战略目的。 1 1 3 国内外的研究概况 近年来，国际上有关虚拟制造系统建模及加工过程的仿真方面的研究 正方兴未艾。日本的研究小组从1 9 9 1 年开始进行虚拟制造系统的研究工 作，于1 9 9 3 年提出了一个虚拟制造系统的系统框架1 6 1 1 7 j ，并基于该v m s 结构开发了工厂建模、产品生命周期建模、制造过程建模、和时间信息建 模系统。在此基础上，该研究小组以一个虚拟车间为研究对象，继续开发 了一个v m s 的建模和仿真框架，一个集成有各种仿真资源的建模方法， 和一个控制分布式仿真的机制。在该v m s 的建模和仿真框架中，该研究 小组将与该虚拟车间有关的各种建模和仿真任务功能性地划分为7 种活 动：设备模型准备，以面向对象建模的方法建立设备模型库：服务 开发，该模块是用于处理设备模型间的相互作用和在仿真过程中被激活的 基本功能：虚拟车间定义，使用设备库和仿真服务模块定义虚拟车间： 操作定义，这一功能块决定车间资源、生产程序和控制机器及操作器 的命令的操作时间表；产品处理，该功能块准备在产品生产中要用的 产品数据( 如：加工和测量机器的n c 代码) ；虚拟车间仿真：该功能 块执行车间仿真。它集成了车间模型，该模型包括：设备模型、仿真服务、 操作程序和上面提到的产品信息；仿真界面：该功能块处理v m s 界面 与用户、应用系统、和真实设备间的相互作用。为实现v m 系统仿真的分 布式处理，该研究小组以客户n 务器模型构建车间元素模型( 如：机床 等) ，即采用外壳程序( 与其它对象交互的界面) 核心程序( 可进行所要 求处理的核心) 形式，为每一个车间元素模型建模。该研究小组认为：由 华中科技大学硕士学位论文 于采用了客户服务器模型为每一个车问元素模型建模，因而该系统可用 真实的设备控制器控制已经存在的仿真软件，即：使得将外部仿真资源引 入v m s 系统成为可能，因此由他们提出的虚拟制造系统的系统框架具有 开放性。 除日本的研究小组外，美国的一个由机床一敏捷制造研究学会 ( m a c h i n et 0 0 1 a g i l em a n u f a c t u r i n gr e s e a r c hi n s t i t u t e ，m t a m r i ) i l l l 和一 些机床尘产厂家及最终用户组成的工作组正在进行有关虚拟机床的研究， 其虚拟机床模型如图1 1 所示。该工作组的研究目标是，开发个能对过 程和机床功能进行仿真的软件测试平台以及分布式的硬件测试平台，进而 提供可进行机床控制、误差和振动补偿仿真的商业化软、硬件环境 8 1 。为 此，该工作组正在进行：1 ) 基于j a v a 和分布式j a v a ( h o r b ) 的多平台 系统：2 ) 车间工人的计算机模型和对它们的控制( 面向虚拟制造系统) ： 3 ) 基于任意时间算法和多层次近似的过程仿真器的开发；4 ) 开放和灵活 的机器控制器的集成环境；5 ) 具有立体视觉、三维声音和力反馈的虚拟 用户界面：6 ) 制造系统的生命周期管理等方面的研究。由此，可以发现： 该研究小组的工作是以对一个车间的仿真为背景，从整个制造系统( 车间) 的角度出发，沿着虚拟制造系统结构一车间元素建模和仿真框架、建模方 法、仿真控制机制一具体模块的工作路线展开的，目前他们的工作正进行 到过程仿真器丌发阶段，最近还没有看到新的有关报道出现。 图1 1m t - a m r i 提出的虚拟机床模型 华中科技大学硕士学位论文 值得注意的是：在该机床模型中，热力学模型、刚性模型、伺服模 型和精确模型成并行关系；该模型的机床系统和切削系统为相对独立的 模块，机床刀具与工件间的相对位移量作为由机床系统模块产生的唯一的 输出值，送入切削系统模块；该位移量是由机床运动学模型、热力学模 型、刚度模型、伺服模型和精确模型所给出的对机床加工精度的影响，经 综合模块叠加得到的。这种结构使得该虚拟机床模型具有良好的开放性， 因它不仅保证了对四个子模型中的任一模型的修改不会影响其它模型的 内部结构，而且方便新模型的添加，使该系统具有可扩展性。 除此之外，美国马里兰大学已开发了用于分析所设计产品的可制造性 的系统【g 】，i m a c s 和敏捷制造中合作伙伴的选择系统o s p a m i 叭，美国华 盛顿洲立大学在p t c 的p r o e n g i n e e r i n g 系统上开发的面向设计和制造的 虚拟环境v e d a m 系统【i ，包括了加工设备建模环境，虚拟设计环境，虚 拟制造环境，和虚拟装配环境，英国b a t h 大学的g b a y l i s s 等人提出的 v m a n ( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 计划旨在探索简易额定拟实技术对工程领域 的计算机辅助设计作用i i ”，在该计划中，将利用拟实技术生成空间，允许 用户利用假想的机器设备来制造产品，然后将该过程再现于真实的数控机 床上。新加坡国立大学l e e 和n o h 等人利用因特网，专家系统开发工具， h t m l v r m l 语言和数据管理系统p d m 等开发了一个虚拟制造原形系统 作为工程和生产活动的实验台【l ”。日本大阪大学工业部电子控制机械工学 的岩天一明教授和小野里雅彦副教授领导的研究小组自1 9 9 1 年提出虚拟 制造系统的概念以来开发出了相应的虚拟制造系统v i r t u a l w o r k s 和o p e n v i r t u a l w o r k s f s l 。该系统与现实制造系统一样生成和处理有关制造系统的构 造，状态，行为等信息，包括模拟设计，规划，管理等制造活动和拟实逻 辑系统的建模，诸如机器，材料，工作人员，等生产现场中的物理实体并 模拟这些物理实体间的相互作用的拟实物理系统，美国西北大学等六所大 学提出的“虚拟机床”研究计划，针对机床整体结构、加工过程以及机床 特性等方面，利用热力学模型，刚度模型，动力学模型，控制模型和精度 模型，对加工机床进行建模分析，设计，仿真和诊断等研究，旨在为机 床的设计制造提供一个虚拟制造环境。日本东京大学和大阪大学的研究人 员自1 9 9 3 年起也在c i r p 上发表论文，论述虚拟环境下的产品建模的需求 及其关键技术，虚拟制造系统体系结构等方面的研究成果【i3 】【l ”。韩国的 p h o h a n g 大学的“虚拟c n c ”计划( 1 “，则将研究的重点放在切削过程 的仿真的建模和机床部件的建模上，希望由此为设计人员和用户提供一个 4 华中科技大学硕士学位论文 良好的虚拟c n c 环境， 同时，美国的n i s t ( n a t i o n a li n s t i t u t eo f s t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) 正在 建立虚拟制造环境( 称之为国家先进制造测试床n a m tn a t i o n a la d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gt e s t e d ) 波音公司和麦道公司联手建立了m d a ( m e c h a n i c a l d e s i g ha u t o m a t i o n ) 1 1 1 】【1 6 】1 1 7 1 。 在国内，有关虚拟制造系统建模及加工过程的仿真方面的研究开始不 久。目前的报道多数属于有关概念和结构框架的范畴，研究工作多数还限 于目标系统层面，较少深入到虚拟制造模型层面，而对于虚拟制造系统建 模工作的核心一一模型构造层面的研究就更少1 3 】【1s 】【1 9 】。而且大部分的研究 工作都是以避免布尔集合运算1 2 0 】为目的，研究采用何种基本几何体素构筑 实体几何模型，并进行相应算法的设计，以对材料去除过程进行仿真。如： 长沙铁道学院柳卓之等人的研究【2 1 1 ，从目标系统层面出发，指出了虚拟机 床应满足的要求，虚拟机床的模型构成及建模工作中所可能采取的方法。 机械科学研究院计算机应用中心康飞等人的工作【2 2 l 2 3 1 则以开发一个以 n c 代码驱动的并能检验n c 代码正确性的虚拟数控仿真系统为目标，提 出了一个以平扫体和旋转体为基本体素的新的碰撞与干涉检验求交算法， 避免了使用布尔运算构造工件和夹具的几何描述的难题。然而，由于该算 法所采用的以多面体逼近实际形体的边界描述方法，使得对孔和曲面的几 何描述有一定的误差，因而不得不采用适当减少刀具直径的措施，以避免 该系统对干涉检验的错误报警。由此可见，由该虚拟数控仿真系统对材料 去除过程所进行的仿真，无疑有相当大的误差。东北大学的葛研军等人【2 4 1 采用光线跟踪技术，在研究整体光照模型下高真感画面的实时产生工作 中，以一台由卡盘、车刀、钻头、回转体工件以及盘状刀库组成的虚拟车 削加工中心为研究对象，采用两种基本几何体素圆锥体和平面对上述 实体建模，将零件视为由若干加工特征按一定拓扑关系组合起来的组合 体，将对整个零件的加工转化为按序实现对各特征的加工，由此避免了繁 复的布尔运算，但此方法的效率较低，难以满足加工过程仿真中对画面生 成的实时性要求。上海交通大学的李琪等人基于体元素( 柱状体) 构建实 体模型【2 4 1 ，将对工件的加工转化为对大量柱状体高度的改变，并由刀具连 续移动点轨迹得出柱状体高度变化的顺序，从而在w t k 2 o ( w o r l d t o o l k i t 2 o ) 软件创建的虚拟环境下实现了对简单形体( 平面) 铣削加工过程的模 拟。显而易见，该方法的缺点是不能对曲面铣削加工过程进行仿真。 华中科技大学硕士学位论文 在加工过程模型的建模方面，自8 0 年代以来1 2 ”，大量的工作集中在 工艺过程的分析、建模和仿真上，对不同工艺过程的不同方面及不同的加 工材料做了大量的工作，取得了丰硕的成果。但是由于研究的非系统性， 即研究人员各自独立的研究只针对工艺过程的某个侧面，而且各自采用了 不同的数据结构及不同的分析处理方法。因此，当人们正在尝试建立一个 规范化的体系结构，想解决一个稍微不同的问题时，不可能集成来自不同 研究者的不同的模型【2 6 1 1 ”l ，以期最终形成能反映切削过程各个侧面的数 字工艺模型。 这些研究尚处在探索阶段，完善的理论体系尚未形成，虽然在某些基 础单元有较深的认识，但是即便是欧美等发达国家，目前也主要是分析虚 拟环境下的基础单元技术要求，对其进行理论上的研究。 1 1 4 目的和意义 众所周知，所谓虚拟制造是指在虚拟空间内模拟把生产要素转变为虚 拟产品的制造机能的全部行为。日本的k a z u a k i1 w a t a 等研究人员认为， 虚拟制造系统由两个子系统构成，即虚拟逻辑系统和虚拟物理系统 2 s 1 1 2 9 l 。 虚拟逻辑系统要仿真的制造行为主要是处理信息，即设计、规划和管理等： 而虚拟物理系统则对工厂层的物理实体( 如：机器、材料和工人等) 进行 建模，并仿真基于这些模型的实体间的相互物理作用。其中，成功开发出 虚拟物理系统是实现虚拟制造系统的关键，因为它是保证虚拟制造系统与 真实制造系统信息等价的主要因素。 虚拟制造系统的建模分为目标系统层、虚拟制造模型层和模型构造 层三个层次【3 0 】，模型构造层用于描述制造活动及其对象的基本模型结构， 其中虚拟机床的建模及加工过程的仿真是最基础的工作，涉及面最广，同 时也是构造虚拟工厂乃至虚拟公司的基础。 作为现代制造技术中的一项关键技术，数控技术是自动控制技术、机 械技术、信息技术和计算等多种技术门类的高度集成，是新一代生产技术 柔性制造系统( f m s ) 、计算机集成制造系统( c i m s ) 和自动化工 厂( f a ) 的基础，为制造企业提供了高效率、高质量的加工手段，在国家 经济和国防建设中具有重要的地位。因此，本课题将以数控系统为对象， 在虚拟硬件设备的支持下，为虚拟c n c 系统建立虚拟的运行环境，用以 接收c n c 系统发来的控制信号，并使虚拟数控机床在该信号的控制下对 机床的加工过程进行三维仿真；建立系统与虚拟硬件设备间的联系，使用 6 华中科技大学硕士学位论文 户能够通过虚拟硬件设备控制仿真过程的进行，并由此产生有如身临其境 的感觉。在完成上述任务的基础上，探索本系统在网络环境下的异地通讯 方式和运行机制，并设法实现虚拟机床库的异地信息共享。 研究过程中，利用所开发出来数控机床库创建一个虚拟的数控对象， 作为设计的参考模型和检测载体，并依据该数控对象的几何、物理和运动 特性，将开放式虚拟c n c 原型系统加载到迅速组建的各类数控机床上， 检验该开放式虚拟c n c 系统的可装配性、互操作性和移植性，提高数控 系统的开发效率，缩短系统的开发周期。 由此可见，进行基于虚拟现实的、开放式数控系统的研究，就是要将 虚拟现实( v r ) 技术与数控技术结合，建立一个基于虚拟现实的开放式 的虚拟c n c 系统，将为数控系统的研究和开发者提供一个基于虚拟现实 的、开放式的、基于网络的研究与开发环境，创建数控系统硬、软件设计 平台，数控系统的装配操作与运行平台，数控系统的仿真平台，以及数控 系统的监控与评估平台。它将为初学者提供一个培训环境，为数控系统的 研究开发者提供一个创新舞台，为数控系统的操作运行者提供一个虚拟现 实的接口。同时将该开放式虚拟c n c 系统加载到迅速组建的各类虚拟数 控机床上，又能检验这一系统的可装配性，互操作性和移植性。 1 2 相关技术和概念 1 2 1 软件重用 软件重用p t l ( 如f t w a r er e u s e ) 是八十年代以来国际上非常重视的一 项新技术，被认为是最有希望成数量级地提高软件人员劳动生产率的技 术。软件重用性被认为与可靠性、准确性和可维护性同等重要地位。软件 重用是一种软件集成机制，用以将已成熟的软件单元制成一个相对独立的 可以重用的实体，使其无需修改或经很少修改就能应用到相应的软件系统 中，从而减少重复劳动，提高软件开发率。 软件重用包括如下三个方面【3 ) j ： ( 1 ) 、数据重用：缺少标准的数据交换格式不利于软件重用，尤其是在 数据的基本定义扩大到包括声音、图像的现阶段，这一问题变得尤为突出； ( 2 ) 、结构重用：有效的重用需要一个结构出发点，而非仅仅将模块简 单地组合连接； ( 3 ) 、模块重用：能重用模块的最初概念是不必进行逐行编码就可将其 华中科技大学硕士学位论文 连接到程序里实现相应功能。现在这一概念扩充到可重用模块包含某种方 式利用的函数，而非一定要列入程序中。 1 2 2 软件芯片 我国的数控行业，众多的研究人员都在重复开发研究功能相同或相似 数控系统，造成了巨大的浪费。由于不同的数控系统的基本功能模块是相 同或者是类似的，我们设想如果把数控系统软件中相同类似的部分做成类 似于硬件电子芯片的软件芯片( s o f t w a r e i cc h i p s ) ，每一个软件芯片具有高 度的功能独立性、易移植性，易组装性及易扩充性，这样当我们建立数控 系统的时候只需从中取出所许的芯片进行组合即可，必要时加以扩充，而 不必从头开发整个软件系统。从而缩短数控软件的开发周期、提高数控软 件的质量和可靠性、降低数控软件的开发成本。 软件芯片 3 2 j 3 4 1 也称为软件组件( s o f t w a r ec o m p o n e n t ) ，是运用类属 化( 参数化) 、抽象( 包括数据抽象、功能抽象、过程抽象) 、封装、继承 等现代软件工程技术设计的，完成特定功能，并具有良好接口的自包含实 体。软件芯片的概念是指一种软件集成机制，用来将己成熟的软件单元制 成一个相对独立的、可以重用的实体，使它们可以不加修改或很少修改就 可以应用到新的软件系统中去。 软件芯片的设计遵循如下几个规则【3 6 】： 实现信息隐藏保证各芯片数据和状态只能通过接口访问。 为了保证功能完整性，只能由芯片的生成对象而非生成对象的某 一部分接收来自另一芯片的生成对象的消息。 为了保证软件芯片的独立性和良好的可重用性，芯片的设计不依 赖于或尽可能少地依赖于其他芯片。 两个芯片之间的相互作用应是显式的，也就是说，应尽量减少和 消除全局变量，一个芯片所需要的任何信息都应该是由另一芯片或其他软 件模块由参数显式传递。 采用继承方法开发新的软件芯片时，其公共接口定义的概念应与 父芯片保持一致，且应保证父芯片公共接口是子芯片公共接口的子集，这 样便于软件的自动生成和维护。 1 2 3 虚拟制造概念 华中科技大学硕士学位论文 虚拟现实技术在制造业中的应用，产生了虚拟制造技术，它包括 【3 8 】【3 9 】： ( 1 ) 、设计和管理决策对生产成本、周期和能力的影响信息，正确处 理产品性能和制造成本，生产进度和风险之间的平衡关系，做出正确的决 策： ( 2 ) 、提高生产过程的开发效率，按照产品的特点优化生产系统设计； ( 3 ) 、通过生产计划的仿真，优化资源的利用，缩短生产周期； ( 4 ) 、根据用户的要求修改产品设计，及时做出报价和保证交货期。 目前尚没有基于加工环境的仿真系统【4 2 】【43 1 ，随着制造业的发展，在 几何仿真中仅仅建立了刀具和工件的几何模型，已经满足不了虚拟制造的 要求，必须建立加工环境模型，包括夹具、工作台和虚拟机床。 而我们要求利用虚拟制造的理论和方法，与数控技术相结合，采用远 程网络通讯技术、多媒体技术和数据交换标准技术，开展基于网络的具有 虚拟现实功能的虚拟c n c 系统的研究与开发，创建虚拟c n c 系统的硬软 件设计平台，虚拟c n c 系统的装配操作平台、虚拟c n c 系统的仿真平台， 以及虚拟c n c 系统的监控与评估平台。 开发环境虚拟控制器是虚拟c n c 系统中关键的一部分，实现的任务是 在不同的机床结构、不同加工轴、不同驱动方案、不同插补和运动控制算 法下仿真出对零件的加工过程，一方面对加工过程仿真，检验数控编程和 加工过程的可行性和效率，另一方面对不同c n c 机床设计方案进行综合评 估，以实现合理可行的c n c 机床方案。 1 3 本文所做的工作 本文将就以下内容进行研究与实践： ( 1 ) 、通过对数控系统的分析，进行数控系统软件功能模块的划分与 数软件芯片开发的理论研究； ( 2 ) 、基于软件重用的思想对数控系统进行重构； ( 3 ) 、在w i n d o w s 平台下利用v i s u a lc + + 静态库机制编程实现数控系 统的刀补、插补、位控、仿真，并以类的形式进行封装； ( 4 ) 、运用d e n e b 公司的v n c 及e n v i s i o n 软件实现虚拟数控机床的几 何建模和运动学建模； 9 华中科技大学硕士学位论文 第二章虚拟数控系统运动控制器的总体设计 2 11 哥言 - 数控技术是集自动控制技术，机械技术，信息技术和计算机技术等多 种技术为一体的复杂过程【5 】，是现代制造技术中的关键技术之一，对国家 经济和国防建设具有重要地位，因而开发高效率及高质量的数控软件有着 很重要的现实意义。 由于目前在数控软件开发中存在着大量的重复性，各数控开发者反复 设计若干基本模块，如用户界面模块，数控程序编辑模块，代码解释模块， 插补计算模块，通讯模块，伺服驱动模块，刀具控制模块等。这些模块在 许多系统中是相同或类似的。因重复性的开发与设计造成了巨大的人力财 力浪费，所以，为了缩短数控软件开发周期，提高效率，降低成本，我们 采用软件芯片设计方法实现数控系统。 然而，在实际的制造系统中，随着数控编程的复杂化，其错误率越来 越高，如过切、欠切，或加工出废品，甚至出现零件与刀具，刀具与夹具， 刀具与工作台的干涉和碰撞。这些现象不仅降低生产效率，影响系统整体 功能，而且还非常危险。基于此种情况，制造业急需一个计算机虚拟仿真 加工环境，以代替真实的机床来完成零件生产前试切工作，从而克服上述 缺点。如果能将虚拟仿真软件嵌入到实际系统中，使其成为实际加工的支 持环境，这无论是对工厂企业的制造系统还是对c i m s 都有十分重要的意 义。 2 2 虚拟数控系统与虚拟环境间的关系 作为一个虚拟数控系统运动控制器，将接收来自数控系统的数据，进 行控制命令的转换，进而控制机床运动。通过虚拟环境对机床实际加工情 况的仿真模拟，校验其加工方案和数控代码的可行性，二者的相互关系如 图2 1 所示。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 n c 代码输入 机床零部件库 儿 彳 解释代码 虚 反馈刀具库 u 拟 l 数 n 八夹具库 i 毳 预处理( 刀补) 控 l l 系 床 统 数据流 l 工件库 i 插补处理 l 机床附件库i u l 仿真处理 l 圈2 1 虚拟数控系统与虚拟机床的关系示意图 2 3 基于软件重用思想对虚拟数控系统进行重构 数控系统的重构是为适应新的生产环境的需要而提出的。新的生产环 境是指在产品需求不断变化下，如要求增加新的功能，产品的更新，生产 工艺流程的改进等，可以通过重新安排和改变生产部件来满足新的要求。 而虚拟仿真部分是为了所重构的虚拟数控系统提供一个虚拟现实环境，以 确保其能否达到快速调节生产能力的目的。 虚拟数控系统的开发一开始就应从可重构的角度出发【1 2 1 1 5 1 ，否则可重 构系统将变得不切实际而半途而废。可重构系统应该满足的条件如下： ( 1 ) 、模块化：可重构系统中的所有功能部件必须是模块化的。如动力 学控制、轨迹运动控制和仿真等。如果有必要，各部件可以分别加以更换 以满足新的要求，而不必改动整个系统。模块化思想使得整个系统易于维 护并降低了成本，但是，如何划分模块，以及采用什么系统合成方法尚有 待进一步研究； ( 2 ) 、集成化：据报道，美国生产的5 0 的机床都不具有集成性。因 此，有必要建立起一系列系统集成方法和原则，对数控软件也要求有一整 套集成的软件工具以实现整个数控软件生存期的自动化： ( 3 ) 、可诊断性：由于可重构系统需要经常改变其布局格式，系统则应 具有对重新布置好的系统进行相应的修正和微调的能力，以确保产品的质 量。因此，一个可重构系统必须具备可诊断性。 软件技术包括工具和方法。如结构化设计、结构化分析和结构化程序 设计等。软件重用是以结构化的方式，采用已有的设计成果、设计片段、 华中科技大学硕士学位论文 程序文本、文档或其他的程序表示形式来支持建造新的程序手段。把可重 用性作为丌发方法，就不必再从开始建立软件系统，而是直接进入包括各 种可重用软件组成的自动化库，取出可用部分进行修改，然后将它们组合 成为新的系统。 针对目前数控软件开发在重复模块上的大量人力财力浪费，我们考虑 将数控系统中这些相同或相似的功能模块进行分类和封装，运用软件重用 的思想，对数控系统进行重构。以类似于硬件芯片的软件芯片模式实现数 控系统的功能。并将这些芯片组织为芯片库，进行有效的管理，便利于浏 览、增补或删除各项功能。这样，当建立新的数控系统时，我们只需从芯 片库中取出所需的软件芯片按照一定的规则组合，而不必重新开发新系 统。 数控系统软件化的生成过程： ( 1 ) 、数控系统的面向对象功能抽象 首先要将数控软件进行面向对象的建模，对数控功能进行合理的划 分，识别各任务执行体与子任务之间的自然接口，使数控软件具有重构能 力，并针对数控系统的特点在软件系统中建模，并在此基础上将数控软件 系统的通用模块做成独立可重用的软件芯片。 ( 2 ) 、以软件芯片方式实现数控系统功能 传统方式下，为满足实时性的要求，采用在d o s 环境下的中断来解 决需要的实时性问题。由于d o s 下人机交互能力弱，且要编写庞大冗长 的代码，为克服这些不足以保证数控软件芯片能应用于更为通用的平台， 这厦采用了w i n d o w s 操作系统下开发。按照数控各功能的实时性进行分 类，采取不同的调用策略，由此实现基本数控系统( 包括二维车床和三维 铣床) 的数控代码解释、数控加工轨迹的插补与刀补运算及加工仿真等软 件芯片。 软件芯片的构建过程即采用面向对象技术将特定软件中的一些通用 模块做成独立的可重用对象类。也就是将功能模块的本体部分进行黑箱封 装，使它输入输出接口尽量简单、规范。由于v i s u a lc + + 语言面向对象特 性和封装性较好，本系统将采用v c 作为编程工具进行芯片构建。整个芯 片是基于静态库创建的，最后生成一个l i b 文件。用户使用时无需知道芯 片内部功能如何实现，只需将相应的头文件和库文件( 1 i b 文件) 加入系 统中，依照芯片说明提出的接口要求，通过接口参数调用相应的方法即可。 根据c n c 系统的整体特点及模块的功能对软件芯片库的任务芯片进 行划分，整个数控系统被分为： ，专 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 1 、系统代码解释芯片：负责对程序进行语法检查、解释执行和输出 g 代码及辅助代码； ( 2 ) 、插补预处理芯片：从处理代码解释芯片的缓冲区取得指令，根据 系统参数值及时对指令执行过程进行控制，以保证加工控制的及时性： ( 3 ) 、插补计算芯片：该芯片负责加减速控制、插补、重点判别等工作， 包括圆弧、直线插补： ( 4 ) 、位置控制芯片：负责伺服系统的位置控制： ( 5 ) 、仿真芯片：包括刀具加工轨迹的静、动态图形显示。 对数控系统进行功能模块的合理划分基础上，运用软件重用的思想对 数控系统进行重构，其过程如图2 2 所示。 圈2 2 基于软件芯片生成c n c 系统 2 4 虚拟环境下对原型数控系统加工仿真的校验 接收数控系统输入的数据，使虚拟环境接收并识别，然后转换成控制 命令实现虚拟机床的加工运动。其中，包括接收数控加工轨迹信息、控制 信息以及虚拟机床加工情况的反馈信息。 虚拟制造是为了能在实际的制造系统真正建立或运行之前对其设计、 布局、组织体制与运行机制做出合理性评价【4o j 【4 “。其总体思想是先虚拟 后实施，用面向对象分析方法抽象现实制造活动是虚拟环境下实现制造开 发工具原型的关键。虚拟制造中对象描述【4 ”1 4 8 】( 任务，制造任务，车间 布局，制造框架，应用框架，加工中心，钻削中心) 制造环境中有代表 性的类对象。任务类代表应用者接受的具体任务，其派生类对象制造任务 代表具有数控加工特征的任务。车间布局设计与零件加工都是制造任务的 一部分。制造框架代表现实制造活动的抽象应用类，其派生类对象应用框 架具有一般制造活动属性和操作。类对象模块化设计将通用组件层与应用 层分离，使得应用设计变得容易。对于不同任务，引入不同的类派生对象， 华中科技大学硕士学位论文 从而充分发挥框架工具可重复利用的优点。开放式虚拟制造开发工具框架 模型设计为网络服务层，通用组件层，应用层。 数控加工是计算机集成制造系统的重要组成部分，在实际制造系统 中，经过c a d c a m 的零件，在加工前，一般要经过试切这一步骤。试切 的过程也就是对数控程序的检验过程。随着n c 编程的复杂化，错误率越 来越。如果数控代码有错误可能会造成过切、欠切、或加工出废品，也可 能发生零件与刀具，刀具与夹具，刀具与工作台的干涉与碰撞，这显然是 很危险的，会造成人力，物力的浪费，同时延长生产周期，增加产品的开 发成本，降低生产效率，从而影响系统整体功能【45 1 。 目前国内所谓的虚拟制造软件层出不穷，大多不过为仿真模拟。仿真是 实现虚拟制造的主要手段，而虚拟数控加工系统不同于传统数控加工仿真 系统区别在于f 4 4 】f 4 6 】： ( 1 ) 、虚拟数控加工系统是一个通用框架，可以产生实例，仿真众多的 数控加工过程： ( 2 ) 、虚拟数控加工系统是对真实数控系统和加工过程更逼真的仿真， 体现在完善的加工数据获取以及逼真的图形和虚拟现实界面； 在本课题中我们主要实现对数控加工的仿真，在d e n e b 虚拟制造开放 式开发平台上，建立一具有代表性的虚拟机床，并开发虚拟运动控制器接 收数控系统的加工信息控制机床运动。 2 5 本章小结 本章简要介绍了虚拟数控系统运动控制器的功能，并对虚拟数控系统 运动控制器开发的步骤进行概述性介绍，包括虚拟数控系统的重构、软件 芯片的设计，