（机械制造及其自动化专业论文）web环境下的虚拟数控加工系统研究.pdf

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 abs tract t h e o b j e c t i v e o f t h i s d i s s e rt a t io n i s t o s t u d y n c m a c h i n i n g s i m u l a t i o n s y s t e m s u n d e r d i s t r i b u t e d v i rt u a l r e a l i t y e n v i r o n m e n t . s u c h a s i m u l a t i o n s y s t e m i s d e f i n e d a s a v i rt u a l n u m e r i c a l c o n t r o l m a c h i n i n g s y s t e m ( v n c m s ) . a v n c m s s h a l l t e c h n i c a l ly f a c i l i t a t e v i r t u a l - m a n u f a c t u r i n g - c e n t e r e d a c t i v i t i e s i n c l u d i n g m u l t i - u s e r c o l la b o r a t i o n , p r o d u c t m a c h i n a b i l i t y e v a l u a t i o n , a n d p r o c e s s p la n e v a l u a t io n . t h e d is s e r ta t i o n c o v e r s f o l l o w i n g c o n t r i b u t i o n s : t h e f u n c t io n a lity o f v n c m s is e x a m in e d , a n d it s a r c h ite c t u re is p r o p o s e d a s w e ll f r o m a v i e w p o i n t o f v i r t u a l m a n u f a c t u r in g ( v m ) . t h e a r c h i t e c t u r e c o n s i s t s o f f o u r m a i n c o m p o n e n t s , i n c l u d i n g t h e s i m u l a t io n i n p u t i n t e r f a c e , t h e d i s t r i b u t e d v i rt u a l r e a l i ty ( d v r ) i n t e r f a c e , t h e v irt u a l w o r k e e l l , a n d t h e s e rv i c e l i b r a ry . t h e d e t a i le d c o m p o s i t i o n o f v n c m s i s a l s o d e s c r i b e d b a s e d o n p r e v io u s w o r k , a d v r e n v ir o n m e n t o v e r w e b is b u i lt b y e m p lo y in g v r m l , w e b p l u g - i n t e c h n o l o g y , d i s t r i b u t e d o b j e c t t e c h n o l o g y a n d j a v a g e n e r a l a n d o p e n , t h e e n v i r o n m e n t l e v e r a g e s e a s y - t o - d e v e l o p , e a s y - t o - d e p l o y , e a s y - t o - u s e , a n d e a s y - t o - i n t e g r a t e v r s i m u l a t i o n s y s t e m s . a o r i g i n a l 即 p r o a c h , w h i c h c o m b i n e s d e x e l m o d e l a n d v r m l , is a d o p t e d t o r e p r e s e n t w o r k p ie c e in n c m a c h in in g s im u la ti o n . a d e x e l- b a s e d s e t o p e r a t io n a lg o r it h m , in t e r f e r e n c e d e t e c t io n a lg o r it h m s u s in g b o u n d in g b o x , a n d d e x e l- b a s e d a lg o r it h m s c o m p u t in g m a c h in i n g e r r o r s a r e p r e s e n t e d t o s p e c i a l l y t a r g e t v r m l e n v i r o n m e n t . p e r f o r m a n c e a n a l y s i s a n d s o m e r u n n in g e x a m p l e s a r e a l s o g i v e n . t o k e n m o d e l i s u s e d t o d e f in e t h e k e rn e l o f t h e m u l t i- u s e r c o l l a b o r a t i o n p ro t o c o l ( m c p ) f o r v n c m s . t h e p r o to c o l s o ft w a r e is i m p le m e n te d in j a v a . v e r if ic a t io n u p o n t h e p r o t o c o l is a ls o p e r f o r m e d b a s e d o n p e w n e t . t h e p e r f o r m a n c e i s s u e s e v e r a l a me l i o r a t i v ea r e c o n s i d e r e d . . r o t o c w i t h o f p ro f s o ft w a r e i s a d d r e s s e d , a n d j a v a , t h e m c p g a in s p l a t f o r m - i n d e p e n d e n c e a n d f a s t d e p l o y m e n t theby i n a mu l t i - u s e r c o l l a b o r a t i o n e n v i r o n me n t o v e r o f s i m u l a t i o n a n d t h e c o m p u t a t i o n w e b , t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n p o w e r o f c o m p u t e r is s t u d ie d . b o t h d v r i n t e r f a c e a n d v i rt u a l w o r k c e l l t h e i r o w n g e o m e t r ic d a t a c o p y , a r e a s o n a b l e r e a l - t i me a s s i g nin g t r a d e - o ff i s r e a c h e d b e t w e e n a c c u r a c y a n d r e a l- t i m e f e a t u r e o f s i m u l a t io n . f i n a l l y , a n o v e l w e b b a s e d v n c m ss y s t e m is i m p l e m e n t e d . b o t h t h e i 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 c o m m u n i c a t i o n b o tt l e n e c k a n d t h e s i m u l a t io n b o t t le n e c k a r e ana l y z e d . t h e p r o t o t y p e s y s t e m i s a b l e t o a d j u s t t h e r a t e t o r e f r e s h i n g l o c a l v i rt u a l r e a l i t y s c e n e c o m p u t e r s c o m p u t i n g p o w e r , a n d m a k e s u s e r o n d i f f e r e n t h a r d w a r e s i m u l a t io n r o u g h l y a t t h e s a m e s p e e d . a c c o r d i n g t o t h e h o s t p la t f o r m s t o p e r f o r m t h e r e s u l t o f t h i s d i s s e rt a t i o n s h o w s t h a t i t i s f e a s i b l e t o b u i l d v nc ms o v e r we b . v r ml i s a n e n a b l i n g t o o l t o i m p l e m e n t d v r s y s t e m s . i n t e g r a t in g e x is t i n g g e n e r a l t o o l s c a n m a k e m an u f a c t u r i n g s i m u l a t i o n s o ft w a r e m o r e g e n e r a l an d o p e n . w i t h r e s p e c t t o s u c h a s y s t e m , s y s t e m a r c h i t e c t u r e s h a l l i m p o s e s i g n i f i c a n t i n fl u e n c e o n t h e c o s t o f s y s t e m d e v e l o p m e n t an d u s a g e . b e c a u s e t h e w h o le s y s t e m i s b u i l t o n g e n e r a l p l a t f o r m , t h e p e r f o r m a n c e i s s u e s h o u l d b e c o n s id e r e d i n i m p l e m e n t a t i o n s t a g e . s u r e l y , t h e r e s e a r c h i n t h i s d is s e rt a t i o n b e a r s m u c h r o o m f o r i m p r o v e m e n t . t o m a k e s y s t e m m o r e o p e n , m o r e g e n e r a l , an d f a s t e r ., f u t u r e e f f o rt s s h a l l b e f o c u s e d o n f a s t e r j a v a v i rt u a l m a c h i n e , m o r e p o w e r f u l p r o t o c o ls s u p p o rt i n g m u l t i - u s e r c o l la b o r a t i o n an d m o r e v e r s a t i l e v r m l p r o g r a m m i n g i n t e r f a c e . k e y w o r d s : d i s t r i b u t e d v i rt u a l r e a l i t y , w e b , n c s i m u l a t i o n , m u l t i - u s e r , c o l l a b o r a t i o n 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 第一章 绪论 号 ， . ，课题概述 课题来源 本 学 位 论文“ w e b 环 境 下 盛 拟数 控 加 工 系 统 研究 ” 接受国 家 科 技部 中国一 新加 坡 合 作 项目“ 虚拟 数 控 系 统 理 论 及 运 行环 境 研究 ” 和武 汉 市 科委 国 际 合 作 项目“ 虚拟 制 造关 健 技术 研 究 ”( 9 9 7 0 0 2 0 6 5 ) 资助. 课题提出 计 算 机学 科的 迅 速 发 展 令 人嘱目 。 这 种发 展的 根 本 驱动 力 在 于 计算 机硬 件的 高 速发 展。 这 种 发 展为 人 类 提 供了 前 所 未 有 的 强大 计 算 能 力。 计算 机 硬 件 高 速发 展同 时 推动 计 算 机软 件的 发 展. 计 算 机 软 件， 从 狭 义 上 讲， 是 计 算 机 指 令的 集 合; 从 广 义上 讲， 是 经 过 形式 化的 人 类 智 能 在 计 算 机上 的 实 现。 计 算 机软 件替 代人 类 智 能中已 经成 熟 和 确 定 的 部 分 进 而 解 放了 人 脑的 部分， 使 其 能 从事 更 具 创 造 性的 工 作。 可以 预测， 随 着人 类 科学 技术 的 发展， 机 器 将 更 复杂 且 能 力 将 更 强。 人 类 对 客 观事 物 ( 包 括人 类自 身 的 行 为) 的 了 解更 透彻， 会 让 机 器 承 担更 多 的 贵 任， 而 人 类 社 会 将会 致 力 与向 更 高 级 形 态的 文明 演 进。 软 件不 仅是 对人的 部分智 能行为的 替 代，同 时 也是 对客 观事物运动 规律的描述。 我 们目 前 处在一个物质和信息 都必不 可少的 社 会， 其中大 t存 在通过物质的 运动产生 信息 的 人类活动， 诸如科学 实脸. 在我 们所 在 的 物 质 资 源 有限 的 星 球上， 计 算 机 在 一定 条 件 下 可以 替 代真 实 事 物的 运 动 而向 人 类 提供同 样的 信息， 从 而 不消 耗 相关的 真 实 资 源。 这 种 计 算能 力 和 软 件 相 结 合 将改造从前由 人 控制的 世界。 人的 发 展是 一个 不断 求 知 和 实践 的 过 程。 上 述 过 程总 是 伴随 着 对信 息的 感知 和 对知 识的 获取; 这是人类 社会发展的 羞础。 通信 技术的 作用 在于信息 传摘与知 识共享， 对人 类文明 创新和发展有 极其重大的 惫义。中国 古 代四 大发明 中 造纸和活字印 刷起了 信息 传 抽和知 识共 享的 伟大历 史作用; 现 代通信技术 如电 话和电 子邮 件等已 经成为 社会生 活的 重 要部分。 现代 通信 技术将更多的 信息以 更快的 速度传播到更 远的 范围; 现 代计算机技 术将使人 类拥有更 强的 信息处 理能力: 它们的 结合将持续地 对人 类 社会的 未来起到深 远 的 影响。发 达国 家电 子商务的 兴盛， 正是计算 机和通信技术相结合 对传统商业流 通领域 一-，一护一一一-一一一 、 l 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 进 行 改 造的 表现. 可以 预测， 这 种 结 合 在 制 造 领域同 样也 会 起 变革 作用。 制 造业的发 展大体从原始的 手工 作坊生 产、 近代的流 水线大 规 模生 产到 现代的 单件 / 小批f快 速生产。 现 代的 单件 i d 、 批盆生 产的背 景是: ( 1 ) 在不断 发展的 技术、 充足的自 然 资 源、 人 类当 前 主流 世 界 观的 导引 下， 人 类 物质生 活 水 平的 提 高 诱发 对物 质的 进 一 步 僻求; ( 2 ) 在市 场经 济条件下， 企业 对高额利润的 追求日 趋激烈。 其结 果是企业寻求更 加快捷、更 加经济的 制造 模式 来成 得市 场竞 争。 为此， 企业探求多 种变革， 例如:( 1 ) 组织结构上垂 直领导和水平协 作相结 合; ( 2 ) 在制造过程中 强调利用 计算机和通信技术 来提商 效率、降 低成本。 就上 述两 种变革在制 造哲理上体现为并 行工程， 在技术手段上 体现为虚拟制造。 虚 拟 制 造系 统 是 制 造 系 统 在信 息 空间 的 映 射。 计 算 机仿 真 是实 现 虚 拟 制 造系 统的 基 本 方 法. 在侧 造 过 程中， 存 在 大f的 设 计 行 为， 如 产品 设计 和 工 艺 规划 设 计。 设 计， 是 设 计 人员 在设 计方 案 空间 中 寻 求 合 理 解的 过 程， 而 对 解的 合 理的 判 断 来 源 于设计 人 员的 经 脸知 识以 及实 践 对设 计 方 案 的 检 验。 对 于 设 计方 案 利用 实 践 进行 检 脸 是 需 耍 付出 较 大 成 本的， 而 这 部 分 成 本 仅 仅用 来 获 取设 计 是 否 可行 这 类 信息 。同 时， 由 于 现实 条 件的 限 制， 不 可 能 对 所 有的 设 计 进 行 检 脸， 因 此 设 计 人员 无 法 搜 索 解 空间 的 全 部。 虚 拟 制 造系 统 将 对 设 计的 检 脸映 射到 信 息 空间 来完 成， 可以 降 低 设计方 案的 检 验 成本， 并 探 素更 大 范围的 解空间。 通信网络 图1 . 1 分 布 式 虚 拟 现 实 系 统 虚拟 制 造系 统 不 仅完 成 对制 造 过 程的 仿真， 同 时 从 技 术上 支 持 并 行 工 程。 并 行 工 程 迫求 扁平组织结 构， 弧调 各单位 人员 协同 工 作。由 于协 作人员 来自 不同 领城， 孺要共同 的 沟 通方式。同时， 僻耍能 将异 地协作人员 随时组织 起来的 技术手段。 对前 者， 虚拟现 实 将发 挥作用; 对后者， 计算机网 络将发 挥作用。由 此 可见， 分布式 虚拟现实是实 现并 行 工 程 及盛 拟 制 造的 重要 支 持 技 术. 分布式 虚拟现实 技术能使多用 户同时 通过网 络 在同 一虚拟现实环 境中 协作。网 络 将 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 所有协 作人员 连接， 而 虚拟现实提供宜人化的 界面来完 成 人一 人和 人一 机之间的 通信。 分 布式 虚拟现实目 前的研究 还很少: 一方面是由 于虚拟制造作为 一种新的制 造方法还刚 刚开始 受到重 视， 如何 将仿真和虚拟 现实有效 应用 于实践 还在摸素阶段; 另 一方面 虚拟 现实设备还处在 在不断发 展之中， 且 价格十 分昂贵。 对如 何在网 络上传抽巨 盆的 虚拟 现 实 信息， 偏要大f的 研究。 对分布式 虚拟现实的 实现， 合理的思 路是集成现有的 技术和 平合 构造开放的系统。同 时， 称重现有的技术和工具能使用 户的 使用 成本降低。 利用 w e b 作 为网 络 通 信平 台 是 合 理的 选 择， 因 为w e b 已 经 成 为 用 户 使用 计算 机网 络的 事 实 标 准 模式. 利用v r m l ( v i rt u a l r e a l i ty m o d e l i n g l a n g u a g e , 虚拟现实 建模语言) 作为分布 式 虚拟 现 实的 实 现 工 具， 是目 前唯 一 合理的 选 择， 因 为: ( 1 ) v r m l 受 到 工业c a d开 发商的 支持; ( 2 ) v r m l 受到 主流w e b 浏 览器的 支持; ( 3 ) v r m l 本身具备描述虚拟 现实 场景的能力。 利用v r m l 和w e b 建立分布式 虚拟现实系 统是本课 题的 基本构想。 根据生 产过 程的 实践， 选 择数控加工 作为 虚拟制造的 突破口 是 合理的。 原因 有如下 几点: ( 1 ) 数 控仿 弃已 经 广 为生 产实 践 所 接收 。 数 控 机 床 是 现 代侧 造业的 关 键设 备， 而 对 数 控 代 码的 校脸由 仿 真 完 成较 之 传统 数 控 代 码 校 脸 方 法 如 空 走刀成 加 工 软 材 料 等 具有 明 显的 优势。 尽管目 前 不少先进的c a d / c a m / c a p p 系统都 提供了 一定的n c 仿真功能， 用 于 检查 刀 具 切削 过 程的 正 确 性， 检 查 是 否 存 在过 切 和 干 涉 现 象 等， 但 这 些 仿真 功 能或 者 墓 于 特定 数 控 系 统， 成 者 无 法 应用 于 特定 数 控系 统。因 此， 建 立一 个 通用的 数 控 仿 真 框架是十 分必耍的。 ( 2 ) 数 控加 工 过 程的 仿 真 能 为 产品 设计 方 案的 可 加 工 性和 工 艺 规 划的 可 行 性 评 估 提 供数据。目 前现有的 数控 仿真软 件无 法提供全部的 加 工数据， 即 其 应拟 程度不够; 而进 行 产品 的 可加 工 性 分 析 擂 要加 工 过 程中 各个 方 面的 数 据. ( 3 ) 现 有 数 控 仿 真 软 件的 图 形 能 力 不 强。 它 们 成 者 只 能 从 一 个 视角 进 行观 察， 成 者 只能 提 供整体加 工过程某局 部的图 形显示， 或 者只能 在加工完 毕后 对成品 工件进行显 示。 这 种 程 度的 仿 真 无 法 让 不 熟 悉加 工 过 程的 设 计 人 员 全 面 理 解 加 工过 程 和 其 设 计的 关 系。 因 此， 利用 墓 于v r m l 和w e b 的 分 布式 虚 拟 现 实 技 术对 制 造 过程 的 数 控 设备 和 数 控加 工过程进行仿真进而实 现虚拟数控系统， 是本课题的目 标。 !亏卫.，马盆.，了.月.，;1!.，.1| 课题目 的和意 义 课翅目 的 在于: ( 1 )对虚 拟 数 控 系 统 进 行 功能 分 析， 并 确 立其 体 系 结 构。 体 系 结 构 应 针对 虚 拟 制 造 环境， 并且易于在通用 平合 上 实现。 ( 2 )利用 通用 技术 ( v r m l , j a v a 等) 建立分 布式 虚拟 现实环境。 通用 技术能够降 低盛拟数控系统的 开发、部 署和使用成本， 并且 容易和其他应用 程序集成。 ( 3 )研究 在网 络环境下对数控 加工过 程 仿真中 相关实体的 表示。 仿真的 实时 性应予 以 充分 考盛. !les，.卫月.，.1.，.叮盆.j.口飞.1荟 3 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 ( 4 )探 讨在 通用 网 络 平台 ( 如w e b ) 上 异 地用 户 通信 协 议的 实 现方 法。 协 议的 设 计 原则是 尽盆 减少异 地用 户之间的 数据传 摘量， 从而降 低通信瓶颈发生 的可能 性。 课题意义在于: ( 1 )对虚拟 数控系 统进行整体构筑和细致分 解， 这 将促进对在虚拟 创造环 境下 数控 加工仿真系 统所起作用的 了 解。 ( 2 )利用 通用技 术确立的 分布式 虚拟现实环境能用 于其 他类似系统的 开发， 为并行 工程和虚拟制 造提供了 技术支持。 ( 3 )对基于网 络的 数控加 工过 程仿真做了 有益的尝 试; 获取面向网 络环境的 实体表 达方式， 为 现 有数 控 仿 真系 统向 网 络 环 境的 迁 移 打下 基 础。 ( 4 )计划实 现原型系 统， 为开发自 主版 权的 分布式 虚拟 现实环 境下的数 控加工仿 真 程序打下基础。 ( 5 )所获得的 初步研 究成果可 首先在远 程教育 领城 应用，以 降低培训成本， 普 及数 控加工的 相关知 识. 1 .2文献综述 .!胜、.，llll.、.几1 虚拟制造 虚拟侧 造由日 本 大阪 大学k . l w a t a 等 于1 9 9 1 年提出， 至今已 经成为学 术界和工业 界 研 究 的 宜 点 . 根 据l w a t a 的 定 义 iii , 盛 拟 制 造 系 统 为 一 组 准 确 而 全 面 表 示 制 造 系 统 结 构 的 计 算 机 模型， 并 能 对 该 侧 造系 统的 物 理 和 逻 辑 行为 进 行 仿 真; 而 虚 拟 制 造则 是 虚拟 制 造 系 统 设 计、 实现 和 运 行过 程的 总 和.目 前， 有 关 虚拟 制 造的 研 究 工 作 主 要 在 如下 几 个方 面 展 开: 盛 拟制 造系 统总 体 框架; 虚 拟设 计; 虚 拟 装配; 虚 拟 数 控; 虚 拟 原 型; 各 类 支 掉 技 术包 括 应 拟现 实 、 数 据 库、 通信网 络 、 多 用 户 协 作 环 境等。 虚 拟 设 计的目 标 是 利用 虚拟 现实 技 术为 产品 设 计 人 员 提 供 通 真而 虚 拟的 环 境， 以 便 快 速 进 行 概 念 设 计 . 产 品 概 念 设 计 可 决 定 产 品 制 造 成 本 的6 0 % - 7 0 % ) . - 7 0 % ) , 传 统 概 念 设 计 方 法 僻要 概念设计师 和 c a d人员两 人之间 进行口 头沟 通， 效率不高; 而训练概念 设计 师 熟 练 操 作 复 杂的c a d软 件而 要 大 盆的 时间 . 虚拟 现 实 系 统 使 概念 设 计 师 能 够 在 虚 拟 环 境中 直接 将 概 念 设 计 转 换为c a d模型， 从 而 能 够 加 快概 念 设 计的 速 度.目 前有 两 种 虚拟 设 计 界 面 技 术: 增强 型 可视 化系 统和 虚 拟 现 实c a d系 统. 增强 型 可 视 化系 统 将 现 有c a d 文 件 经 过 转 换 后 枪入 虚拟 现 实环 境. 继 而， 用 户 可 使用 数 据 手 套 、 3 d鼠 标和3 d 显 示 器等 仪 器 在 虚 拟 环境 中 检查 设 计 数 据. 增 强 型 可 视 化系 统的 研 究 实 例 包 括v e n u s 项目 p i和c le m s o n 大 学 的 相 关 研 究 p l 虚 拟 现 实c a d 系 统 则 允 许 设 训 堵直 接 在 虚 拟 环 境 中 进 行 设计 和 检 脸. 同 时 还 支 持 声 音 和 姿 态 愉 入. 美国s ta n d f o r d 大 学开 发的d e s ig n s p a c e 系 统 15 1属 于 虚 拟 现 实c a d 系 统 。 该 系 统 支 持 概 念 设 计 和 虚 拟 装 配 。 其 他 类 似 研 究 成 果 包 括g e o rg ia 理 z 学 院 的 c o n c e p t u a l d e s ig n s p a c e 系 统 i6 1, 3 - d r a w 系 统 h i和j d c a d 系 统 19 1 . 一. . .叫 . ， 峪，. 网 a 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 a t ( 2 )评价方案的优劣;( 3 )最后给 出改进建议。大多数虚拟装配及分析系统没有集成到 c a d软件中去， 缺乏几何推理能 力， 因 而无法发现工件和装配工具之间的干涉。 虚拟装配的典型应用领城为装配拆卸 序 列自 动生 成以 及工具 可接 近性分 析。 在 装配 序列生 成方 面， d e f a z io , d e m e ll o , k h o s l a 和s w a m i n a t h an b a r b e r 可行装配 / 拆卸序列的生 产进行了 研究。 m i l l n e r 引入目 标函数对装 配 序 列 进 行 评 估以 在生 成 的 多 个 序 列中 得 到 较 优 解12 1在 工 具 可 接 近 性 分 析方 面 ， 主 耍 问 题是在装l l 拆卸过程中 工具和部件之间的 相互千涉预侧以及装配过程的 复杂度分析。 d i a z 等提出 能根据对工具的 使用自 动评价装配任务复杂性的方法。 w i l s o n 提出了合适安 里 工 具 的 算 捧 0 3 1 i 该 算 法 首 先 确 定 对 装 配 过 程 中 使 用 的 工 具 最 小 擂 要 空 间 ， 并 根 据 空 间 大小对工具进行分类。 虚拟原型 ( v p ) 指在生产实际产品之前对其c a d模型进行分析， 主要包括产品 可 制造性分析和产品可装配 性分 析等。产晶 可制造性分 析需要获取产品设计的 各类特征。 这些特征可通过基于特征的c a d系统或者特征提取系统获得。 在处理传统c a d系统生 成的 数据时， 需要 采用 特征提取系统获取产品 商级加工特征以 供分析。 g a d h 提出了 特征 提 取 的 算 法 ， 并 从 算 法 复 杂 度 的 角 度 分 析 了 特 征 提 取 系 统 的 计 算 效 率 1e p s e w u e r g e r 考 虑 在 净 成 形 产 品 模 具 设 计 时 如 何 产 生 分 型 线 e p e te r s , s o n th il 和w ils o n l i也 分 别 在特征提取方面取得了 相应的研究成果。 在对产品 设计进行特征提取后， 可通过构造评 价系统来对产品 的可制造性进行评价。 产品的 可制造性评价主耍考虑产品零件可装配性、 结构工艺性和加工可行性三方面约束， 其最终目 标是达成具有最短生产周期、最优质盆 和 最 低 成 本 的 产 品 设 计 ( 19 虚拟数控通过对数控 机床及其加工过程进行仿真， 帮助工艺规划人 员设计出优良 的 加 工方案， 同 时 可 协助产品 设计人员 对 设计方 案的 可加 工 性进行 评估。由 于虚 拟现 实是 虚拟数控的重要实现手段， 下面 将介绍 虚拟现实的有关研究成果。 虚拟现实 虚拟现实技术起源于仿真建模、c a d 、 可视化计算、遥控机器人、计算机艺术和先 期技术验证等。 其共同需求是建立直观的 计算 机抽入 枪出系统， 和各类传感器相连， 能 对用户造成一定的 沉浸感。 虚拟现实技术在制 造领域的用途是为虚拟制造系统提供适人 化的 界面， 使人、软件和设备能完美地协同工 作。 和一般意义上的建模和仿真不同， 虚 拟现实技术试图在如下两点有更大的 进展: ( 1 ) 通真性。 用户希望在仿真系统中得到的感受与在真实系统中得到的感受尽可能 一- 一. 一 - 一. ，-. 口 . - 一一一 卜 -一 一 一一.一 -一一- 一一 一.- . . . -. -. 一一一 5 旧口rl。 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 地相同; 用户希望能沉浸在仿真系统之中， 并能通过各种感官和仿真系统发生交互作用; 用户孺要仿真系统有 “ 身临其境”的 通真性; ( 2 ) 虚拟性。 用户 希望通过仿真系统能够得到在真实物理世界中所无法亲身体验的 感受， 突破物理空间、 时间的限制和避免涉及生命安全的危境; 用户俗要仿真系统有“ 超 越现实”的虚拟性。 4 0 年代初， 美国e d w i n l i n k 和a d m i r a l l u i s d e l f lo r e z 两家 公司 进行飞 行模拟器的 研究。 他们的 成果使训练员能坐在计算机或者电 视屏幕前观察到屏幕上所模拟的 一系列 仪表指示， 这些成果进而发展为大屏幕显示器和全景式惰景产生 器。 1 9 6 5 年， 美国a r p a 信 息 处 理办 公 室s u th e r la n d 首次 提出 使 计 算 机屏 幕 成 为 观 察 客 观 世 界窗口 的 设想 2 0 1 。 随 后3 0 多年内， 人们基于上述设想开展了 大量的 工作， 其中 主耍包括: ( 1 ) 改进和创建感 知工具和环境;( 2 ) 改进和创建认知工具和环境。 前者包括各种传感器及各种先进的 遥 感惬洲技术、 立体图 和宽银幕电 影、 场景发生 器、 传感景院和体脸剧场。 后者包括信息 获取、信息融合、基于计算机的 各种支撑技术等。目 前虚拟现实技术在美国的研究和应 用 最为成功。 在欧洲， 则英国的研究相对领先。 虚拟现实 技术 在制 造业 应用的 典范 是波 音7 7 7 飞 机的 设计。 波 音7 7 7 飞 机由3 0 0 万 个零件组成， 这些零 件的 设计以 及飞 机的 整体设计是在一个由 数百白 工作站组成的 虚拟 环境系统上进行的。 这个v r 系统是在原有的b o i n g - c a d的基础上所建立的 一个通真的 3 d模型。 当设计师级上头盔显示器后， 就能穿 行于这个虚拟的飞 机中， 去审视飞 机的 各 项设计。 过去为设计一架新型飞 机必 须先建造两 个实体模型， 每个造价约6 0 万美元。 应 用 虚拟 现实 技术后， 节 省了 费用， 缩 短了 研 制周 期， 同 时 使最 终的 实际 飞 机与 设计方案 相比， 偏差小于千分之一英寸， 且实现了 机典与机身结合的一次成功， 缩短了 数千小时 设计 工 作量。 利用该 系 统还能自 动 产生 设计文 件， 从图 库 取出 部 件模型 并加以 注释2 1 1 在军事领域和航天领域， 虚拟现实技术同 样发挥作用。 8 0 年代初， 美国国防远景规 划局开始为坦克的 编队 作战训练开发一个实用的虚拟战场， 最主要的目 的是为了 降低作 战训练的费用， 同时也为了确保安全和减低对环境的影响， 最后形成了 一个由 美国 和德 国的2 0 0 个坦克训练器互联而成的网 络， 该网 络称为s i m n e t ， 并已 正式投入使用。 而 美国 航空航天局利用虚拟现实设备训练宇航员 在太空特殊环境下的实验行动， 如更 换已 损坏的太空器件等等。 虚拟现实致力于提供通真、 虚拟的人机界面， 其根本目 的是为了 使计算机能以 直观、 形象的 方式和人沟通; 而人类8 0 %的信息来源于视觉，因 此3 d虚拟场景是虚拟现实技 术中的关 键。 在多数情况下， 人类对虚拟场景的 追求是对真实的 虚拟3 d视觉场景的 迫 求。 在虚拟数控系统中， 虚拟现实技术的 作用主要是提供一个3 d虚拟视觉场景。 虚拟数控 数控机床是现代制造系统的关 键设备，因 此虚拟制造的 实现依赖于对数控机床和数 控加工过程的 仿真。 机床仿真针对机床本身的 运动特性， 主耍面向 机床设计人员。 由 于: -一一-一一. . -一- - . 一 一-. -. 一一一 6 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 ( 1 ) 在机床实际运动过程中 机床部件不是理想刚体而发生受力形变; ( 2 ) 机床部件受热 发生形变;( 3 )伺服系统的非理想瞬态响应;( 4 )伺服系统的非理想稳态响应， 机床在 一定负 载条件下在几何空间运动时会产生误差。为此， 机床设计人员需要在设计阶 段中 对设计方案进行不断测试，以力图辨明误差并消除或校正之。机床仿真系统能使机床设 计人员 快速进行上述工作。 机床仿真要求对机床的 运动学、力学、动力学和热力学等各 方面行为进行综合建模和 仿真。 在这个领域， 美国 西北大学等6 所大学建立了 虚拟机床 的 体系结 构并 分别给出了 虚拟 机床 拓扑 模型、 加工 过程 模型和 机 床功 能行为 模型2 2 1 。 通 过建立虚拟机床模型进而对机床设计起辅助作用， 该项目 试图 建立机床动态补偿机制来 达到更高的加工精度。西北大学等提出的 虚拟机床体系结构如图 1 .2 所示。 该模型是机 床的通真映射， 理论上可以 进行任何层面上的数控加工仿真。不过， 该体系结构庞大， 需要考虑各个模型之间 复杂的相互联系，因此实现的 难度很大。 一种不同的思想是根据 具体问题的需要对某个特定层面进行建模和仿真。 德国亚深工业大学 机床与生产工程实 验 室 提出 用 于 机 床 设 计 和 计 算 的 工 程 平0 2 3 1 . 该 平白 以c a d模型 为 基 础 数 据， 利用 有 限 元分析模块和各 种力学、 热学及动力学等仿真计算模块加快机床设计和生产周期。韩 国p o h a n g 大 学 的“ 虚 拟c n c ， 计 划 2 4 1专 注 切 削 过 程 仿 真 建 棋 和 机 床 部 件 建 模， 希 望 藉此为设计人员提供一个良 好的 虚拟c n c环境。 力场 精助轴入 位移 表面拓扑 加工误差 表面一致性 图 1 . 2虚拟机床体系结构 数控加工过程仿真的 必要性基于如下事实，即: 工艺规划和数控代码足够复杂， 以 致于它们的行为无法通过人的直接经验知识预测。因此，需要借助于精确的数控机床模 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 型和数控加工过程模型进行数控加工仿真来代替人去进行这种预测。 仿真结果用于产晶 设计的可加工性分析， 并为产品设计人员提供决策支持。和机床仿真不同， 数控加工仿 真主要在几何层次上进行， 其核心研究工作包括切削 过程仿真和刀具千涉检脸两个方面。 另外， 进行数控加工仿真时通常假定机床模型是精确的。 切削 过程仿真模拟刀 具的 运动以及经切削后的工件。由 于在刀具运动过程中刀具几 何形状不改变，因此 模拟刀具运动是简单的， 在此不再赘述。 切削过程中工件的 仿真需 要产生加工过程中工件不断变化的几何形状。实现这种过程可采用扫描体法，即沿刀具 轨 迹产生 刀 具 扫描体 并进 行扫描 体和 工 件的 集合 差运算. h u i , s o u r in , w a n g 和k a w a s h im a 的 工 作 基 于 此 思 路 2 5 12 6 2 7) 2 8 1 。 产 生 的 扫 描 体 多 为c s g ( c o n s t r u c t io n s o l id g e o m e t ry ， 构 造实体几何法) 实体， 而基于c s g的实体表示十分不利 于实现实体之间的快速集合操作。 由 于数控加工仿真过程需要 在实 体之间 进行高 效率的 集合 差操作，因此需要采用基于空 间 分割的实体表示法。 m e a g h e r , r o y 和s a m e t 都采用八叉树表示方法 ( 空间分剖方法的一种) 对工件和刀 具 进 行 实 体 造 型 j2 9 ji 30 1 13 1 。 采 用 八 叉 树 表 示 方 法 能 够以 任 意 精 度 表 示 实 体， 并 且 十 分 便 于 干涉 枪测。 其缺陷 是 在 表示复 杂几 何 形体时 播 要消 耗大 量存 储空间， 从 而将影响 数 控 仿 真程序的 运行性能。 在 多 种 空 间 分 割 表 示 法 中 ， d e x e l 深 度 元 素 表 示 法 最 早由v a n h o o k 提出 3 2 1 该 方 法 利用沿视线方向的等距线段表示工件和刀具， 非常适合工件和刀具的集合运算。h u a n g 对d e x e l 模型进行了 改进， 解决了 原先方法中 用户无法改变观察角度的问题，同时还提 出 基 于d e x e l 模 型 的 加 工 误 差 测 盆 方 法 13 3 1 。 另 外， m a y r , k o n ig , 梁 小 军 和 罗 望 等 都 采 用d e x e l 模 型 进 行 工 件 切 削 仿 真 3 41 13 5 13 6 3 3 1 采 用d e x e l 方 法 进 行 加 工 仿 真 时 ， 随 着 切 削 过程的 延续工件几何形状渐渐复杂， 但其表示复杂程度不变， 并且集合操作效率十分高。 由 于上述优点，目 前大部分数控加工仿真系统 ( 几乎所有3 轴数控加工仿真系统) 都采 用d e x e l 模型 表示实 体。 除 了 上 述 两 大 类 外， 一 些 学 者 还 提 出 了 其 他 的 方 法 。 s a ito 的g 级 冲 方 法 3 81是z 级 冲 方 法 的 一 种 变 形 . y a n g 提出 了 适 于w ir e - e d m加 工的 仿 真 方 法 3 9 1 . g la e s e