（机械电子工程专业论文）虚拟环境下cnc系统控制技术的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 1 岛玉( 1 【作为现代制造技术基础的数控技术是集机械、电子、控制、检测为一体的综 合技术，它在国民经济的发展中占有非常重要的地位。而随着科学技术尤其是计 算机技术的发展，逐渐形成了以虚拟制造为代表的一系列先进技术。虚拟制造技 术将是中国制造业实现信息化的助推器和企业提升产品创新能力、参与全球化市 场竞争的重要技术保证。虚拟数控系统则是虚拟制造技术和数控技术结合的产 物，即数控系统在虚拟现实环境下的映射。因此，研究实现基于虚拟现实环境下 的虚拟数控系统并实现它的本地或远程操控将具有重要理论价值和实际意义。，1 本文在介绍了虚拟数控系统的功能特点和体系结构的基础上，比较了面向对 象技术和组件技术与数控系统结合的优缺点，提出了基于c o m 技术组建虚拟数 控系统的思想，并将虚拟数控系统划分为虚拟控制系统和虚拟物理系统，并将虚 拟控制系统按组件思想细分为六个部分。 本文重点分析了虚拟数控系统的n c 代码解释组件、插补预处理组件和插补 组件的任务、特点，并就代码解释的通用性，刀补处理的方法进行了探讨，同时 归纳总结了插补算法，并就误差进行了分析，最后，利用v i s u a l c + + 6 0 软件开 发平台基于组件技术和o p c 规范，开发了上述三个组件。 本文还简单介绍了组件管理的方法，并就已经完成的虚拟数控系统进行了小 结。最后，总结了本文的工作，并指出了进一步的研究方向。 差毽圃：虚拟制造c o m 插补代码解释 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tr o l e si n 也en a t i o n a le c o n o m yd e v e l o p m e n ta n dt h e b a s eo fm o d e m m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o 西e s ，c n c ( c o m p u t e rn u m e r a lc o n t r 0 1 ) t e c h n i q u e i sa s y n t h e t i ct e c h n i q u ei n t e g r a t e d w i t ht h e m 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 la n dd e t e c t i o n w i t ht h e d e v e l o p m e n to fs c i e n t i f i ct e c h n o l o g y e s p e c i a l l yc o m p u t e rs c i e n c e s ，as e r i e so fa d v a n c e dt e c h n o l o g i e s ，r e p r e s e n t e db yv i r t u a l m a n u f a c t u r i n g ，h a v e b e e n d e v e l o p e d v i r t u a lm a n u f a c t u r i n gw i l l b eo n eo ft h e p r o m o t e r sa n da ni m p o n a n tg u a r a n t e ef o rm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e so fo u rc o u n t r yt o p r o m o t ep r o d u c tc r e a t i v i t ya n d t ot a k ep a r ti ni n t e m a t i o n a lc o m p e t i t i o n w h i l ev i r t u a l c n c s y s t e m sa r et h er e s u l t so f t h ec o m b i n a t i o no fv i r t u a lm a n u f a c t u r i n ga n dc n c t e c h n o l o g y t h e r e f o r e ，i ti sv e r ys i g n i f i c a n ti nt h e o r ya n dr e a l i t yt os t u d yc n cs y s t e m s u n d e rv i r t u a lr e a l i t ye n v i r o n m e n ta n dt or e a l i z el o c a la n dr e m o t ec n c o p e r a t i o n s b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no ft h eg e n e r a la r c h i t e c t u r ea n df u n c t i o n a lf e a t u r e so fa v i r t u a lc n c s y s t e m i nt h i st h e s i s t h ed i f i e r e n c e so ft h eo b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g y a n dt 1 1 ec o m b i n a t i o no f c o m p o n e n tt e c h n o l o g ya n dc n cs y s t e m sa r ec o m p a r e d a n d t h ei d e a st od e v e l o pav i r t u a lc n c s y s t e mw i mc o mt e c h n o l o g yi sp r o p o s e d a l s o a v i r t u a lc n c s y s t e mc a nb ed i v i d e di n t oav i r t u a lc o n t r 0 1s y s t e ma n d av i r t u a lp h y s i c s s y s t e m w i t hs i xf u n c t i o n a lm o d u l e sb a s e do ni t sc o m p o n e n tf e a t u r e s e s p e c i a l l y ，i n t h et h e s i s ，t h et a s k sa n df e a t u r e so fn cc o d e i n t e r p r e t a t i o n c o m p o n e n t i n t e r p o l a t i o np r e d i s p o s a lc o m p o n e n ta n di n t e r p o l a t i o nc o m p o n e n t sa r e a n a l y z e d a i d e rt h es t u d yo f t h eu n i v e r s a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o d ei n t e r p o l a t i o na n d t h et o o lp a t hc o m p e n s a t i o nm e t h o d s t h ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m sa r es u m m a r i z e da n d t h ee r r o r sa r ea n a l y z e d b yt h ew a y t h er e l a t e dt o m p o n e n t sa r ed e v e l o p e dw i t l lt h e c o m p o n e n tt e c h n o l o g ya n d0 p cs p e c i f i c a t i o n su n d e rv i s u a lc + + 6 0e n v i r o n m e n t f u r t h e r m o r e ，t h em e t h o d so fc o m p o n e n tm a n a g e m e n ta r e p r e s e n t e da n d t h e c o m p l e t e dv i r t u a lc n cs y s t e m i ss u m m a r i z e d a tl a s t ，a l lt h ew o r ko f t h et h e s i si ss u m m e d u p a n df u r t h e rr e s e a r c hi sp o i n t e do u t k e _ k _ 盟w o r d s ：v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g c o m i n t e r p o l a t i o n c o d e i n t e r p r e t a t i o n 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题概述 1 1 1 课题来源 本学位论文研究属国家科技部和新加坡国家科技局的“中新联合研究计 划”项目“基于网络的产品快速开发平台”、国防预研基金项目“虚拟制造关键 技术研究”( 项目批准号9 9 j 1 8 1 3 j w 0 5 2 6 ) 和武汉市科委国际合作项目“虚拟 c n c 系统”( 项目批准号9 9 7 0 0 2 0 6 5 ) 的重要组成部分。 1 1 2 课题研究背景f j 卅 二十世纪后期，随着计算机技术和信息技术的发展及广泛应用，随着市场 经济的发展和成熟，世界制造业市场的特征逐渐由过去的相对稳定演变为动态 多变，由局部竞争转变为全球范围的竞争，为了适应这一转变，国内外的制造 业企业提出了以新的技术改造传统制造业的迫切要求，与此相适应，新概念和 新技术也不断涌现。 九九一年美国里海大学发表了具有划时代意义的“2 1 世纪制造企业发展 战略”报告，提出了敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 和虚拟企业( v i r t u a l e n t e r p r i s e ) 新概念，这一新概念正在使传统的制造业发生根本性的变化。1 9 9 4 年美国能源部牵头制订一个“实施 敏捷制造的技术”的五年计划， 1 9 9 5 年，该项目的策略规划和技术 规划公开发表，它将实施敏捷制造 的技术分为产品设计和企业并行工 程、虚拟制造、制造计划与控制、 智能闭环加工和系统集成五大类 ( 图i i 为虚拟制造与其它先进制造 图1 1 虚拟制造与其他先进制造技术的关系 技术的关系图) 。由此可见，虚拟制造概念及其技术的提出是计算机技术、信息 技术、网络技术等发展的产物，适应了现代化制造环境发展变化所产生的需 求。 在另一方面，随着制造技术和信息技术的不断融合，数控技术得到了长足 的发展，控制系统越来越复杂，机床自动化程度日渐提高，但随之也产生了 一些新的问题。目前在数控机床设计过程中所普遍采用的传统的样机试制方 华中科技大学硕士学位论文 法，使得在进行大量的实质性资源投入之前，无法对设计方案的可行性、零部 件的可制造性、开发价值和投资风险进行切实有效的评估，因而导致用于数控 机床设计与开发阶段的投资增加，开发周期延长，新产品投资风险过高，而虚 拟现实技术的产生为上述问题的解决提供了切实可行的途径。 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 技术利用仿真设备和真实或虚幻环境的动态模 i型，生成或创造出使人能够凭借直觉作用于由计算机产生的三维仿真模型，和 使人能够感知的虚拟环境。基于虚拟现实技术的虚拟制造技术( v i r t u a l m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ) 以产品一次性制造成功为目标，利用信息技术、仿 真技术、计算机技术对实际制造活动中的设备、工件、制造过程及制造信息进 行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题，在进行产品实际生产前就采取 预防措施，从而达到降低成本、缩短产品开发周期，增强产品竞争力的目的。 此外，利用虚拟制造技术也可以对想象中的制造活动进行仿真，它不消耗现实 资源和能量，所进行的过程是虚拟过程，所生产的产品也是虚拟的。虚拟现实 技术走出仅仅依赖经验的狭小天地，发展到全方位预报阶段。 鉴于此，将虚拟现实技术和数控技术及系统相结合，就产生了虚拟数控的 概念。虚拟数控系统是在虚拟制造的基础上为数控系统的开发者提供一个虚拟 现实的、开放式的、基于网络的数控系统开发平台。这样，产品的开发者就可 以根据有关所设计的产品数据在计算机上仿真出产品的模型，或者验证所开发 的数控系统，从而对所出现的问题进行总体把握，提高产品的精度，减少投 资，并缩短产品开发周期，以占领市场。但是由于数控系统及机床的设计与开 发过程比较复杂，一般都是由地理位置不同的团体共同协作完成，因此，研究 与开发基于i n t e m e t 技术的虚拟c n c 系统分布式虚拟c n c 系统就显得特 别重要。基于此点，华中科技大学和新加坡国立大学建立了密切的合作伙伴关 系，签订了合作协议，共同开展了对分布式虚拟c n c 系统的理论模型和开发 环境的研究，准备开发分布式合作工程环境( d c e e ) 。 与实际制造相比较，虚拟制造的主要特点是： 产品与制造环境均为计算机模型。产品开发人员可在计算机上对相应的 虚拟模型进行产品设计、制造和测试，设计人员或用户甚至可“进入”虚拟的 制造环境，对虚拟产品的设计、加工、装配和操作过程进行检验或体验，使他 们能够在不依赖原型样机评估结果的情况下，对设计方案进行反复修改；还可 将已开发的产品( 部件) 模型存放在计算机里，不但大大节省仓储费用，而且 能够根据用户或市场需求的变化快速进行改型设计，并迅速投入批量生产，从 而大幅度压缩新产品的开发时间，提高质量、降低成本： 2 华中科技大学硕士学位论文 可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产品模型上同 时工作，相互交流，共享信息，减少大量的文档生成及传递所造成的时间浪费 和误差，从而使产品开发得以快捷、优质、低耗地响应市场变化； 支持敏捷制造。开发的产品( 部件) 可存放在计算机里，不但大大节省 仓储费用，更能根据用户需求或市场变化快速改型设计，快速投入批量生产， 从而能大幅度压缩新产品的开发时间，提商质量，降低成本： “虚拟制造”虽然不是实际的制造，但却实现了实际制造的本质过程， 是一种通过计算机模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等可能存在的 问题，提高了人们对实际生产中可能存在问题的预测和决策水平： 由虚拟制造的上述特点可以推知，虚拟制造技术主要由以下技术组成：虚 拟制造建模技术、虚拟制造仿真技术、虚拟制造信息交换技术、产品可制造性 评价技术、产品可装配性评价技术、远程产品快速反应制造技术。 1 1 3 虚拟制造技术国内外概况和预测 1 国外研究概况 “m 由于虚拟制造技术具有诱人的应用前景，因此当虚拟制造这一概念在2 0 世 纪9 0 年代一经提出，就迅速成为科学研究的热点之一，一些著名大学及公司也 相继投入大量的人力和物力开展该课题的研究。短短几年的时间里，其对制造 业的影响已很快显示了出来。 在美国己形成了由政府、产业界、大学组成的多层次、多方位的综合研究 与开发力量。由政府支持的研究计划主要有： t e a m ( t e c h n o l o g i e se n a b l i n ga g i l em a n u f a c t u r i n g d e p t o fe n e r g y ) n a m t ( n a t i o n a l a d v a n c e d m a n u f a c t u r i n g t e s tb e 由 s i m a ( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m sa n dn e t w o r k i n gt e s tb e d ) n i p 烈a t i o n a li n d u s t r i a li n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r ep r o t o c o l s ，n i s t ) m a v e ( t h e m a t r i c e sf o rt h ea g i l ev i r t u a le n t e r p r i s e d a r p a ) t h e j a s t ( j o i n t a d v a n c e ds t r i k et e c h n o l o g y ) f a s tt r a c kp r o g r a m ( u sa i rf o r c e ) 同时也有了一些虚拟制造技术应用的成功例子： 波音公司对波音7 7 7 的设计全面应用了v m 技术，其整机设计、部件测 试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，使其开发周期从 过去8 年时间缩短到5 年，甚至在一架样机未生产的情况下就获得了订单； 华中科技大学硕士学位论文 日本m a t s u s h i t a 公司开发的虚拟厨房设备制造系统，允许消费者在购 买商品前，在虚拟的厨房环境中体验不同设备的功能，按自己的喜好评价、选 择和重组这些设备，他们的选择将被存储并通过网络送至生产部门进行生产： 欧洲空中客车一改过去的传统产品研制及开发方法，采用虚拟制造技 术，把空中客车试制周期从4 年缩短为2 5 年，不仅提前投放市场，而且显著降 低了研制费用及生产成本，大大增强了全球竞争能力。 p e r o t s y s t e mt e a m 利用d e n e br o b o t i c s 开发的q u e s t 及i g r i p 设计 与实施一条生产线，在所有设备订货之前，对生产线的运动学、动力学、加工 能力等各方面进行了分析与比较，使生产线的实施周期从传统的2 4 个月缩短到 9 5 个月。 f o r d 和克莱斯勒公司与i b m 合作开发的虚拟制造环境用于其新型车的 研制，在样车生产之前，发现其定位系统的控制及其他许多设计缺陷，缩短了 研制周期。由于实施了虚拟产品开发策略，f o r d 和c h r y s l e r 将他们新型汽车的 开发周期由3 6 个月缩短至2 4 个月。 波音西科斯基公司在设计制造r a h 6 6 直升机时，使用了全任务仿真 的方法进行设计和验证，通过使用数字样机和多种仿真技术，花费4 5 9 0 小时仿 真测试时间，却省却了1 1 5 9 0 小时的飞行时间，节约经费总计6 7 3 亿美元，获 得了巨大收益。同时，数字式设计使得所需的人力减到最少，在c h 5 3 e 型直升 机设计中，3 8 名绘图员花费6 个月绘制飞机外形生产轮廓图，而在r a h 一6 6 中，一名工程师用一个月就完成了。 通用电动机车部( g e n e r a lm o t o r se l e e t r om o t i v ed i v i s i o n ，e m d ) 于 图12m t - a m r t 的虚拟机床模型 1 9 9 7 年，利用u g i i 软件建成了第一个完全数字化的机车样机模型，并围绕这个 4 华中科技大学硕士学位论文 数字模型并行地进行产品设计、分析、制造、夹模具工装设计和可维修性设 计。 另一方面，美国成立了机床一敏捷制造研究机构( m t a m r j ) 。其主要成员 为几所美国西部的大学，还包括一些机床制造商和用户，目的是把各个学校的 力量联合起来，集成所有的技术，开发新型机床，提出先进方法，以便共同解 决机床设计、选择、制造、执行评价中的关键问题。该组织提出了一个为期三 年的“虚拟机床”计划，以达到如下目的：开发一个可对过程和机床功能进行仿真 的虚拟机床系统( v m t ，如图i 2 ) ，为机床在操作过程中的误差补偿和震动 抑制开发先进的技术和方法，为验证和评价方案的可行性。他们将建立分布式 的硬件测试平台，用网络连接各点，实现远程实验。 图1 2 中的机床系统包括两个功能模块：第一个模块描述在加上温度场和力 场之后的切削过程下机床结构的模型，第二个模块表示机床各部件在相关误差 的条件下的运动的特征。这两个模块都受输入到动态模型中的n c 代码的影响。 运动、误差、力和温度都会使刀具和工件之间产生相对运动，把这个相对运动 和其他一些辅助量作为切削模型输入，切削模型评估力和温度的变化结果以及 已加工工件的特征。归纳起来，该虚拟机床模型包括了以下几个模块：机床模 块、过程模块、机床功能行为模块。虽然他们只是提出了设想和计划，并没有 成型的产品，但他们的机床模型很完善，其思想很值得我们借鉴。 2 、国内研究概况简介【2 ” 目前，国内在虚拟制造技术方面的研究处于刚刚起步状态，只有少数大学 和科研院所开始涉及该方面的研究，且主要集中在几个方面： 产品虚拟设计技术：主要包括虚拟产品开发平台、虚拟测试、虚拟装配 以及机床、模具的虚拟设计实现等。其中清华大学利用美国国家仪器公司的l a b v i e w 开发平台实现了锁相电路的虚拟，北京机械科学研究院采用c 语言和 o p e n g l 进行编程初步实现了立体停车库的虚拟现实下的参数化设计，可以直观 地进行车库的布局、设计、分析和运动模拟。 产品虚拟制造技术：主要包括材料热加工工艺模拟、加工过程仿真、板 材成型模拟、模具制造仿真等。北航与一汽用o p t r i s 开发的板料成型软件已经 基本能够模拟类似车门的中等复杂程度的汽车覆盖件和其他冲压成型件的冲压 成型过程：沈阳铸造研究所开发的电渣熔铸工艺模拟软件包e s r d 3 d 已经应用 于水轮发电机变曲面过流部件生产中，其产品在刘家峡、李家峡、天生桥、太 平役等7 个电站中使用；合肥工业大学研制的双刀架数控车床加工过程模拟软 件已经在马鞍山钢铁股份有限公司车轮轮箍厂应用，使数控程序现场调试时间 由几个班缩短到几小时并保证一次试切成功；北京机床研究所、机械科学研 5 华中科技大学硕士学位论文 究院、东北大学、上海交大和长沙铁道学院等单位也研制出一些这方面的仿真 软件。华中科技大学邱智明博士将分布式虚拟现实应用到数控加工仿真中，设 计了虚拟数控加工系统的体系结构，并利用j a v a 、t c p 、v r m l 、插件和j a v a r m i 等通用技术在w e b 环境中实现了虚拟数控加工原型系统。 虚拟制造系统：主要包括虚拟制造技术的体系结构、技术支持、开发策 略等。其中提出了比较成熟的思想并可能实现的是由上海同济大学张曙教授提 出的分散网络化生产系统和西安交通大学谢友柏院士组建的异地网络化研究中 心和国家c i m s 中心的虚拟制造基地的结构( 图1 3 为虚拟制造技术体系结 构) 。 总之，虚拟技术在国内、外均处于探索阶段，国外的虚拟制造系统功能强 i 一一百；互疆赢；夏i ，i 一一i 哥；石茬i i 弄磋i 环可 虚拟装配平台ll 虚拟布局平台l l ；i 虚拟企业平台 ! = 王= _ r = = = = 丁= = = jl - j ： 霹熏一 ! i 冷加工零部件虚拟制造平台 ! i 热加工零普件虚拟制造平台；： l h - 一- 一一l l 一一o l 一一一一一一一一一一墨蒯曼堡璺壅于茎! 苎一一一一一一一一一： 图l3 虚拟制造技术体系结构 大，系统完善、复杂，但是价格较高。我国由于网络配套能力较弱，数控机床 的发展处于较低阶段。针对我国国情，开发出功能针对性强，系统简洁，费用 较低的虚拟数控系统具有非常重要的意义。而且，国内研究尚未涉及到虚拟数 控系统的研究，因此可以说对国内外对虚拟制造的研究和虚拟制造系统的开发 都是方兴未艾，将会给信息时代的社会带来巨大的变化。 1 2 课题研究的意义和目的 1 2 1 虚拟制造研究的意义f 1 1 ( 2 1 f 珂 为保证我国制造业的持续发展和在国际市场中竞争能力的提升，积极开展 虚拟制造技术的研究与应用开发具有重大的现实意义。 一方面，虚拟制造技术是中国制造业实现信息化的助推器。二十一世纪是 6 华中科技大学硕士学位论文 信息化的时代，在过去的三十年里，计算机与信息技术已经逐步渗透到传统的 制造业，大大改变了传统产业的开发与生产模式，同时催生了一系列新的设计 与制造理念和技术。制造业信息化已经成为用现代计算机与信息技术改造传统 产业和促进技术创新的重要目标，是先进制造技术的核心和基础，其基本特征 是数字化( d ) 、网络化( n ) 与敏捷化( a ) 。虚拟制造技术将很好地满足制造 业信息化的要求。 制造业典型的产品开发过程主要包括产品设计、产品试制、产品设计评 价、生产组织与准备等多个环节，而且通常采用“设计一试制一试验一再设计”的 方式，即在按照设计人员的意图试制出物理样机后，需要进行大量的试验与分 析，进而改进设计，导致新一轮试制与试验的进行。如此经过反复修改，产品 设计方能定型，提供给生产准备。其中一些环节，如产品试制是产品开发的必 须环节，但通常又是产品开发的瓶颈环节。据统计，机械产品的试制通常占产 品开发时间的2 5 ，汽车等产品的比例更大。由于产品开发环节多，各项开发 活动又常常是在未经过充分预测的情况下进行的，不仅导致产品开发周期延 长，而且容易造成人力、生产设备和材料的巨大浪费。 虚拟制造技术瞄准产品开发数字化，是克服传统产品开发弊端的重要技 术。通过创建对应和反映物理产品特性的仿真模型，在物理产品设计与加工出 来之前，即可对其性能进行全方位分析与预测，从而在虚拟的环境中完成产品 可行性研究和产品优化。以计算机环境下的模拟试制与试验替代实际的试制与 试验，可以减少甚至避免物理原型的制作，大大减少人财物的投入、加快产品 开发速度、提高产品质量。另一方面，虚拟制造技术可以将分散在计算机网络 上的设计制造资源和设计制造活动予以集成化，从而促进网络化协同产品开发 的实现。产品及其相关过程的数字化模型可以通过网络环境实现快速传递和跨 空间共享，达到知识人员设备的有效集成。这些集成包括产品生命周期中各种 活动的集成，各种软硬件、人力资源、技术标准等各种资源的集成，以及现实 世界与虚拟世界的集成等。 另一方面，虚拟制造技术是中国制造业企业提升产品创新能力，参与全球 化市场竞争的重要技术保证。二十一世纪是经济竞争全球化的时代，标志着一 个国家经济实力、科技水平、生活水准和国防实力并因此作为国民经济持续发 展重要支柱的制造业处在全球化产品创新竞争的压力之下。 工业发达国家通过将加工业务委托别国的方式，集中精力研究和牢牢控制 产品创新开发技术。反观中国制造业企业，自改革开放以来，在引进国外先进 技术与先进产品方面取得了显著成绩。但不可否认的是，许多企业只顾盲目引 进，松懈甚至完全放弃了同时加强自主创新设计的努力。制造业企业存在的最 7 华中科技大学硕士学位论文 突出的问题是缺乏具有竞争力的“产品”，而其根本是设计开发不出适销对路的 产品。据机械工业部统计，我国自主开发的产品只占全部机械产品的4 6 ，而 且这些产品仍需要部分或全部利用国外先进技术。另有资料表明，我国大多数 企业的产品5 0 以上完全照抄的，其余5 0 中，一半是改型设计的，大多数是 低水平重复，创新性设计为数甚少，因此，总体竞争能力尚处于较低水平。加 入w t o 后，中国制造业面临着来自发达工业国家严峻的挑战。对于中国制造业 大多数企业来说，持续发展能力和参与国际竞争能力的增强是当务之急，必须 步入加强和提升产品创新能力和水平的轨道，而现有企业产品设计与开发的技 术手段严重地束缚着设计与开发人员潜能的发挥。我们认为，从其内涵看，虚 拟制造技术无疑是有利于调动设计与开发人员的创新能力的有效手段，是中国 制造业企业提升产品创新能力，参与全球化市场竞争的重要技术保证。 采用虚拟制造技术，可以在产品开发的上游设计阶段就实时并行地对 产品形状结构、工作性能、加工方法、工艺流程、装配调试乃至维护的整个生 命周期和企业的作业计划、物流管理、资源调配以及产品开发成本和风险的分 析与估算等生产活动进行模拟与仿真，实现产品性能综合评估以及产品付诸实 际生产之前的生产活动预验证。因此，从技术方面，虚拟制造技术能够提供产 品开发人员更直观和更有效的手段和工具以支持提出更多产品及其过程的创新 设计方案并实现快速评价分析比较，最终确保产品的创新性和质量。另外，虚 拟制造技术可以用于制造业企业或教育部门的技术技能培训与教育。接受培训 或教育的人员可以通过设计和操作虚拟制造系统来了解和掌握各种基础制造技 术在生产系统中的应用情况，从而达到提高技能和掌握知识的目的。因此，从 人员方面，虚拟制造技术能够提高作为产品创新主体的产品开发人员的创造能 力和素质。 随着先进制造技术和数控技术的发展，制造系统规模越来越大，控制系统 越来越复杂、自动化程度越来越高。这相应地也给研究和开发者带来一系列问 题，例如，系统投资较大、开发周期较长，开发一个新产品，无法在投入大量 人力和经费之前，就确定其开发价值和对投产后所能取得的效益及其相应的风 险进行确实有效的评估：不能在产品设计开发的各个阶段把握产品制造过程各 个阶段的实况：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 行预测或监视；不能确实有效地协调设计与制造各阶段的关系，以寻求整个产 品的生命周期乃至企业整体全局的最优。虚拟制造正是在这样一种需求下，以 企业或产品的柔性、快速响应市场及一次制造成功为标志，以虚拟现实技术为 其基础而提出的，其研究和发展得到人们的极大重视，将为制造业带来革命性 的影响。 8 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 研究虚拟c n c 系统的意义 3 6 】 本课题所研究的以制造开发主要目的虚拟c n c 系统，其意义如下： 一、能够创造可观的经济效益，减少加工风险。在虚拟制造环境中，数控 加工过程仿真为产品设计可制造性分析提供关键数据。在实际数控加工过程 中，为了校验数控代码的正确性，需要进行反复试切直至确认数控代码能够完 成预定的加工任务。同时数控加工参数也需要反复调试这些操作不仅效率低 下，占用了机器资源，而且有可能引起刀具碰撞而造成经济损失。通过对数控 机床建模进而仿真数控加工过程，能节省资源并避免风险。 二、能够实现脱离实践环境，达到数控系统操作培训的功能。对机床建模 和加工过程仿真的好处还体现在通过真实地模拟机床及加工过程的行为来快速 地对机床操作人员进行培训，也可帮助机床制造商向潜在的远程客户逼真演示 其产品。 三、能够在机加工前提供大量有用的数据。数控加工过程仿真可以产生加 工过程关键数据如总体加工时间、刀具轨迹长度、刀具空程运行时间等等，它 们可以被用来进行虚拟制造中加工方案评估、产品可加工性分析和产品可制造 性分析。 由此可知，虚拟制造技术的广泛应用将从根本上改变现行的制造模式，对 相关行业也将产生巨大影响。可以说虚拟制造技术的应用与否不仅将决定制造 企业的未来，而且也将决定我国制造业能否在激烈的国际竞争中立于不败之 地。 1 2 3 课题的目的 现在虚拟数控系统已经引起了人们的广泛关注，成为研究的新方向。开发 虚拟c n c 系统达到的主要目的是： ( 1 ) 为数控人才培训提供快速、安全且不消耗资源的环境。传统的数控学习 和培训不仅需要实际的数控系统，而且需要实际的设备，数控机床的种类繁 多，操作和编程也各有特点，因此很难在一种数控系统或在机床上培训比较全 面的人才。而在虚拟c n c 系统中，可以用计算机来仿真实际的数控环境，让学 生在安全的、不消耗资源的情况下深入学习复杂的各种c n c 命令，在虚拟 c n c 下进行远程教育和培训，从而更广泛的培养数控人才； f 2 ) 为分布在不同地区的制造团体提供分布式合作工程环境( d c e e ) ： f 3 1 提供进行多媒体仿真的环境，创造一个逼真的具有视、听等多种感知的 虚拟环境。在这样的环境下，能够实现数控系统的运行仿真和加工过程的仿 9 华中科技大学硕士学位论文 真： ( 4 ) 提供让设计者在虚拟c n c 系统上进行全面的设计新产品和数控系统的 环境。虚拟c n c 将提供软件开发环境并附有机床库、可重用芯片库。设计者可 以在此基础上选择不同拓扑形式的机床，不同的软芯片，并在虚拟c n c 系统上 进行仿真，以发现设计问题，满足设计要求，减少重复性开发，提高数控系统 开发的生产率： ( 5 ) 提供对设计好的数控系统进行综合评价的环境。 1 3 虚拟c n c 系统相关技术与概念 4 】1 6 1 1 3 1 虚拟制造技术 虚拟制造是利用制造过程的计算机模型和仿真来实现产品的设计和制造。 虚拟制造技术是由许多先进学科的先进知识形成的综合系统技术，其本质是以 计算机支持的仿真技术为前提，对设计、制造等生产过程进行统一建模，在产 品设计阶段或产品制造之前，就能实时、并行地模拟出产品的未来制造全过程 及其对产品设计的影响，预测产品的性能、成本和可制造性，从而有助于更有 效、更经济灵活地组织生产，使工厂和车间的资源得到合理配置，使生产布局 更合理、更有效，以达到产品的开发周期和成本的最优化，生产效率的最高化 之目的。 通过对虚拟制造技术的研究，创建一种近于实际的但具备物理性能的虚拟 环境，建立包括属性表达、功能分析、层次结构和数据结构在内的产品设计与 制造原形。而虚拟c n c 系统是虚拟现实技术( v r ) 和数控技术的结合，是在虚拟 制造的基础上为数控系统的开发者提供一个虚拟现实的、开放式的、基于网络 的数控系统开发平台。这样，产品的开发者就可以根据有关所设计的产品数据 在计算机上仿真出产品的模型，或者验证所开发的数控系统，从而对所出现的 问题进行总体把握，提高产品的精度，减少投资，并缩短产品开发周期，以占 领市场 1 3 2 虚拟制造系统 虚拟制造系统是基于虚拟制造技术实现的制造系统。是现实制造系统在虚拟 环境下的映射。虚拟制造系统可分为虚拟逻辑系统和虚拟物理系统两部分，前 者包括设计、计划、管理等信息，后者包括机器、材料、工人等的拟实信息。 虚拟制造技术和虚拟制造系统涉及整个产品开发和制造过程的方方面面。 对于产品来说，涉及整个产品生命周期的各个方面。v m t & v m s 是计算机网络 技术、图形学、机电产品c a d c a m 技术、人工智能技术、计算机仿真技术、 华中科技大学硕士学位论文 计算机集成制造技术、并行工程技术、系统工程、虚拟现实( v r ) 等多学科先进 技术的综合应用。 1 3 3 虚拟数控机床 3 0 1 3 6 1 虚拟数控机床是真实中世界机床的计算机抽象建模。在虚拟制造环境中， 数控加工过程仿真为产品设计可制造性分析提供关键数据。在实际数控加工过 程中，为了校验数控代码的正确性，需要进行反复试切直至确认数控代码能够 完成预定的加工任务。同时数控加工参数也需要反复调试。这些操作不仅效率 低下，占用了机器资源，而且有可能引起刀具碰撞而造成经济损失。通过对数 控机床建模进而仿真数控加工过程，能节省资源并避免风险。对机床建模和加 工过程仿真的好处还体现在通过真实地模拟机床及加工过程的行为来快速地对 机床操作人员进行培训，也可帮助机床制造商向潜在的远程客户逼真演示其产 品。另外数控加工过程仿真可以产生加工过程关键数据如总体加工时间、刀具 轨迹长度、刀具空程运行时间等。它们被用来进行虚拟制造中加工方案评估、 产品可加工性分析和产品可制造性分析。国内外对数控机床模型展开了广泛而 深入的工作，如美国西北大学等7 所高校提出了虚拟数控机床的概念。虚拟数 控机床，即虚拟制造环境中数控机床模型。美国l a m b 公司、d e n e b 公司等也一 直在进行虚拟机床的研究。 数控加工过程仿真主要包括两个部分：数控机床建模和切削过程仿真。数 控机床模型主要由机床的硬件( 或物理) 部分和软件部分组成。硬件部分由机 床部件、被加工零件、刀具、夹具等构成。软件部分则由c n c 控制器构成。切 削是一个机床接受数控代码并驱动机床运动加工零件的过程。在这里，对数控 机床建模，即建立虚拟数控机床( v i m a a lm a c h i n et 0 0 1 ) ，是虚拟数控加工过程 仿真的关键。 1 4 本文所做的工作 1 通过查阅国内外文献和进行广泛的调研工作，分析和掌握了虚拟制造的 现状和发展动态； 2 追踪软件设计的思想，利用可重用的组件软件思想，将虚拟数控系统按 功能组件模块来划分，并进行分析； 3 针对n c 代码种类繁多的特点，采用代码重用原则，构建了n c 代码解 释组件； 4 对插补预处理和插补组件的任务进行分析，基c o m 技术构建了这两个 组件。 华中科技大学硕士学位论文 2 基于组件技术的虚拟c n c 系统 2 1 前言 从软件业的发展历程来看，程序设计方法经历了多次变革，从最初的功能分 解法，到结构化程序设计方法，再到至今仍在广泛使用的面向对象程序设计方 法。人们对程序设计方法的选择取决于程序设计方法对应用软件的实用性，随着 时间和技术的发展，人们会主动创造新的设计软件的思路。 到了二十世纪9 0 年代，为了解决一些现代业务问题，如易修改和复用功能， 软件组件的概念应运而生。 2 2 组件化程序设计 2 2 1 面相对象程序设计【3 7 “】 在二十世纪6 0 年代中期，为了组建一些大型复杂的软件系统，w e d i j k s t r a 首先提出采用结构程序设计方法的方案，就是把软件开发看作数学求解，沿用数 学上的枚举、抽象、归纳、类比等思维方式，把问题简化；用工程的概念、方法、 原理和技术来开发和维护软件，产生了结构化分析和设计的方法。但是这种方法 存在着认知上的缺陷，它着眼于局部的程序结构，所开发的软件不能适应系统的 不断演化，同时开发周期长、成本高、质量差。 到了二十世纪8 0 年代，面向对象技术重新得到人们的重视。面向对象的认 识论是将系统看成由多个对象组成，通过对象之间的通信形成了系统，为客观世 界过渡到软件系统提供了途径和编程的思维方法。 面向对象技术给出了软件系统的体系结构，引入了软件复用的思维方法。面 向对象技术是软件系统的设计与实现的新方法。这种方法是通过增加软件可扩充 性和可重用性来改善并提高程序员的生产能力。面向对象的方法已成为软件开发 领域的热门话题。， 面向对象设计方法以抽象数据类型为基本数据结构，通过继承、消息等概念 和手段，建立抽象数据类型的实例对象之间的联系，从而形成由对象及对象 之间的关系而构成的一种软件体系结构。这种结构十分类似于由客观实体及实体 关系而构成的客观世界，因而与客观世界的自然结构有一种良好的映射关系。这 一类似性决定了面向对象设计方法相对于其它设计方法有更大的优势。 面向对象设计方法其主要特征是：抽象、类和封装性，实现数据抽象和信 息隐蔽，给出了对象类型和参数化，通过生成实例后组装成系统，提供了实现复 用的手段。继承性，提高了代码复用性；多态性。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 地筮是决定如何实现对象之前，人们对被开发对象的意义和行为的总体认 识。使用抽象可以避免过早考虑被开发对象的一些细节。抽象有两种机制：数 据抽象。它将一组数据对象及作用在它们之上的操作组成一个程序实体对象，使 得外部只知道它做什么，而不必知道它如何做，也不必知道其数据对象是如何表 示的；过程抽象。它为对象的相互作用提供依据。具体化是指在细化过程中， 对对象的必要细节加以刻划。有助于确定系统对象，加强系统模型的稳定性。数 据封装是将对象的各种独立的外部特性与内部实现细节分开，防止由于程序的相 互依赖性而带来的影响。基本思想是使系统的每个部分都封装或者隐藏为一个设 计决策，各个部分设计得尽可能少地与其内部工作状态相联系。封装改变了传统 的数据访问方式，把数据结构与它的操作封装在一个对象中，不允许其它类直接 访问它的数据，从而彻底消除潜在的不一致性，有效地解决了健壮性方面的问题。 同时如果分析和设计能封装系统的各个部分，则需求的更改对整个系统的影响将 会减到最少。 继承指的是能直接获得已有的性质和特征而不必重复定义它们。面向对象技 术的继承性是对人类的认知过程的一种仿真。继承性模仿了人类的认知过程，并 简化了对象设计。面向对象技术允许子类继承父类的属性( 数据结构) 和行为( 操 作、方法、函数) ，这使软件的修改变得容易。只需增设一个子类，使它具有要 修改的属性和行为。由于这样的修改不涉及原有代码，就不存在修改的副作用， 因而从根本上改善了软件的可修改性这一极为重要的问题。也正是由于面向对象 技术对数据结构( 属性) 和行为( 操作和方法) 的继承性允许在没有冗余的情况 下，各相似子类共享共同的属性和操作，它可促进各个级别上的共享。对面向对 象语言，使用继承还能实现代码共享。共享能有效地减少软件设计和软件测试的 工作量。 墨态丝是用一个操作名称实现不同数据类型的多种操作，它允许每个对象以 适应自身的方式去响应共同的消息，极大地提高了软件操作的透明性、可理解性 和可维护性。采用虚函数与动态束定机制后，允许用户以更为明确、易懂的方式 去建立通用软件。多态性与继承层次相结合，使软件具有更广泛的重用性和可扩 充性。 面向对象技术虽然被大家接受，公认为当前的发展主流，然而在实际应用时， 还存在着一系列问题。 ( 1 ) 模型和概念尚未统一，不同的人对系统和对象的理解不一致，导致了各 种对象语言均有很大差异，且语言自身与纯面向对象理论有许多不一致的地方， 就难以形成统一的标准和开发规范。 ( 2 ) 要求使用面向对象技术的人员素质较高，要掌握的东西很多，如要熟练 1 3 华中科技大学硕士学位论文 掌握c + 十必需了解大量的m f c 类库，且要了解每个类的细节