（机械电子工程专业论文）面向快速原型的网络化制造技术研究与应用.pdf

面向快速原型的网络化制造技术研究与应用 摘要 快速原型技术与网络化制造技术的研究与应用是当前先进制造技术领域 的重要研究课题之一 两者的结合必将导致快速原型技术及应用领域的深远发 展 本文论述了快速原型技术的现状与发展趋势 并通过快速原型技术与网络 技术结合的必要性分析 提出了快速原型网络化制造的基本框架 在此基础上 进行了快速原型网络化制造软件设计及相应的加工实验 建立了快速原型网络化制造的基本框架 该框架不仅是编制远程通信程序 的前提 而且是快速原型网络化制造实现的基础 开发出一种简单可靠的快速原型网络化制造软件 并通过远程加工实验进 行了验证 表明 该软件的开发是成功的 探讨了快速原型网络化制造所要解决的问题 分析了网络化制造的核心技 术 键盘与鼠标模拟 针对快速原型系统远程控制应具备的特点 分析了v c 6 0 环境下网络 套接字编程的各种模式 提出了基于t c p i p 协议下的面向连接的多线程编程 思路 针对s t l 文件数据量大的特点 采用了文件串行化分段传输的方法 从 而保证了缓冲分配的成功和高效 啥夫曼压缩 r u nm n g t h 编码解码方法以及网格化技术的应用减少了数据 传输量 提高了网络传输速度 关键词 快速原型客户机 服务器网络化制造框架远程控制 r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fn e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g yf o rr a p i dp r o t o t y p i n g a b s t r a c t r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fr a p i dp r o t o t y p i n ga n dn e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g yi so n eo ft h ec u r r e n t l yi m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c si nt h ef i e l do fa d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y t h e i rc o m b i n a t i o nw i l li n e v i t a b l yl e a dt o f u r t h e r d e v e l o p m e n to fr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o n n l ep r e s e n tw o r k d e s c r i b e st h es t a t u sa n dd e v e l o p i n gt r e n do fr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y t h r o u g h t h ea n a l y s e so ft h en e c e s s i t yo ft h ec o m b i n a t i o no fr a p i dp r o t o t y p i n ga n d n e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ar u d i m e n t a r yf r a m e w o r kf o rt h en e t w o r k e d m a n u f a c t u r i n go fr a p i dp r o t o t y a gi sp r o p o s e d t h e nan e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g s o f t w a r ef o rr a p i dp r o t o t y p i n gi sd e s i g n e d a n dt h ec o r r e s p o n d i n gf o r m i n gt e s ti s p e r f o r m e d ar u d i m e n t a r yf r a m e w o r kf o r t h en e t w o r k e d m a n u f a c t u r i n go fr a p i d p r o t o t y p i n gi sc o n s t i t u t e d w h i c hi sn o to n l yt h ep r e m i s eo fd e s i g n i n gar e m o t e c o m m u n i c a t i n g p r o g r a mb u ta l s ot h er e a l i z i n gp r e m i s eo fn e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g o fr a p i dp r o t o t y p i n g an e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n gs o f t w a r ef o rr a p i dp r o t o t y p i n g r e l a t i v e l ys i m p l e a n dh i g h e rr e l i a b i l i t y i sd e v e l o p e d a tt h es a r n et i m e i ti sv e r i f i e dt h r o u g hr e m o t e f o r m i n gt e s t a n dt h ec o n s e q u e n c es h o w st h a ti t sd e v e l o p m e n ti ss u c c e s s f u l p r o b l e m st h a tt h en e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n gf o rr a p i dp r o t o t y p i n gc o n f r o m s h a v eb e e nd i s c u s s e d k e yt e c h n o l o g i e si nn e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g k e y b o a r da n d m o u s es i m u l a t i o n a r ea l s oa n a l y z e d a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e m o t ec o n t r o lf o rr a p i dp r o t o t y p i n g s y s t e m m o d e l so fn e t w o r k e dp r o g r a m m i n gw i t hs o c k e ti nv i s u a lc 6 o d e v e l o p i n ge n v i r o n m e n ta r ea n a l y z e d a n dap r o g r a m m i n gm e t h o dw i t hm u l t i t h r e a d f o rc o n n e c t i n gb a s e0 1 3 t c 哪p r o t o c o li sp u tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fv a s td a t ao fs t lf i l e t h es e r i a l i z i n ga n d c o m m i n u f i n gt r a n s f e r i n g m e t h o di sa d o p t e d t h u s b u f f e ra l l o c a t i n gc a l lb e s u c e e s s f u u ye s s u r e dw i t hh i g h e re f f i c i e n c y t h r o u g ht h ea p p l i c a t i o no fh u f f m a nc o m p r e s s i o nm e t h o d r u nl e n g t hc o d e d e c o d em e t h o da n d 西ds p a c i n gt e c h n o l o g y t h ea m o u n to fd a d at r a n s f e r i n gi s r e d u c e da n dn e t w o r k e dt r a n s f e r i n gs p e e di si n c r e a s e d k e yw o r d s r a p i dp r o t o t y p i n g c l i e n t s e r v e r n e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g f r a m e w o r k r e m o t ec o n t r o l 附件三 学位论文独创性声明 本人声明 所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果 文中 引用他人的成果 均己做出明确标注或得到许可 论文内容未包含法律意义上已 属于他人的任何形式的研究成果 也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果 与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品 知识产权归属山东轻工业 学院 山东轻工业学院享有以任何方式发表 复制 公开阅览 借阅以及申请专 利等权利 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时 署名 单位仍然为山东轻工业学院 论文作者签名 导师签名 缸肆 蓝篚匾 日期 兰 堕肆立月 生日 日期 2 2 里互年 立一月 业日 山东轻工业学院硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 快速原型 r a p i dp m t o t y p i n g 简称r p 技术是2 0 世纪8 0 年代末期发展起 来的一种新型制造技术 它有机地结合了c a d 技术 数控技术 材料科学 机械工程 电子技术及激光技术等学科的最新成果 是一种多学科高度集成的 技术 1 1 不同于传统加工的材料去除法或变形成形法 快速原型法制造的零件 是采用增长 离散 堆积 法制成的一次成型件 从成型角度来看 任何零件 均可看作是由无数个空间薄片叠成的兰维几何体 薄片的形状就是几何体的截 面形状 如果能够将这些薄片逐片制作出来 然后依次将它们逐层粘合在一起 最终即可得到想要的零件 这就是快速原型技术的基本贩理 因此 快速原型 就是将三维零件的制造问题转化为 维切片的制作 从而使三维复杂实体的制 作变得非常简单 因而 快速原型技术一出现 就引起各界的广泛关注 迅速 出现了多种基于快速原型技术的快速原型制造方法 并得到了广泛的应用 2 1 从全局上看 快速原型技术发展是迅猛的 虽然只有十几年的历程 现在 却已有许多种成熟的商用快速原型技术 但是软件较硬件的发展却相对滞后 特别在网络远程加工方面还是一个比较薄弱的环节 当今时代是信息的时代 信息产业的异军突起使整个社会发生了巨大的变 革 它不仅缩短了人们地域之间的差距 更提高了人们的工作效率 特别是 i n t e m e t 在通讯领域的成功应用和迅猛发展 使信息技术越发显示其强大的时 代趋势 而信息产业的发展必将促进其它各行业的发展 信息技术和计算机网 络技术的发展使得制造环境与传统经济时代相比发生了根本性的变化 棚 特 别是以实现多种资源配置为目标的远程协同设计制造模式为开展机械产品的 异地设计提供了支撑环境 能有效合理地完成项目的管理与实施 实现各种网 络资源的最优配置和共享 以及设计者在弼上实时 非实时协作等功能 快速 原型技术与网络技术的结合必将是时代发展的趋势 在网络上实现对快速原型机的远程控制 是阿络技术在机械领域的探究 是一项较为新颖 非常具有发展前途的应用技术 在快速原型机上实现网络功 能的扩展 可缩小对快速原型机加工的地域限制 便于实现远距离的操作加工 迅速的实现对原型的加工以及产品的要求 因此 将网络制造技术与快速原型 制造技术相结合 研究开发相应的网络化制造系统 不仅具有重要的理论意义 而且可以实现快速原型制造资源的共享 促进技术韵产业化和企业的进步 具 有重要的应用价值 第1 章绪论 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 快速原塑技术 快速原型技术经过十几年的发展 设备与材料方面都有了长足的进步 并 已在工业和医疗领域得到了广泛的应用 虽然就目前来讲 该项技术成本较高 加工件的精度 强度及耐久性能还不能完全满足用户的要求 但随着技术的进 步 这些问题会逐一得到解决 1 2 1 1 快速原型技术的几种典型工艺 目前 国内外比较成熟的商品化快速原型技术主要有1 5 1 立体印届l s t e r e o l i t h o g r a p h ya p p a r a t u s 立体印刷于1 9 8 6 年获专利 是研究最早和较为成熟的一项快速原型制造 技术 它是利用液体光敏聚酯材料 在紫外光照射下固化的特点而实现三维造 型 首先 将造型平台置于液体聚酯材料液面以下 在紫外光激光器照射下 要成型的部分液体固化在平台上 其余部分仍保持液体状态 然后 将平台下 移微小的距离 刮平固化部分上表面并涂上第二层液体 激光光源再对第二层 实施加工 这种过程重复进行直至完成模型制造 2 分层实体制造皿瓤曲a 自e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g 这项技术基本原理是涂有热触胶的纸铺在工作台上 先用加热辊施压使纸 张与工作台上模型架粘合 然后用激光在第一层纸上切割出模型平面轮廓 并 将其余部分切碎以备清除 制好第一层后 转动送纸器 按上述原理加工第二 层 直至加工好模型为止 3 选择性激光烧结 s e l e c t e dl a s e rs i a t e r i n g 此技术是利用激光束将粉末材料如尼龙 合成橡胶或金属选择性烧结成固 体件 在工作台上放置装有热熔粉末的容器 激光束扫过模型的第一层 按设 计形状选择性地将粉末烧结在一起 然后工作台下移 敷上第二层粉末 再烧 结 直至完成工件制造 每层中多余的粉末作为制造过程的支撑 4 熔融沉积成形0 0 u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g 此技术是靠数控挤出头将细丝状热塑材料加热 在制造平台上沿 i y 平 面首先沉积制造模型的第一层 然后下移工作台 挤出头再沉积制造第二层 直至制成模型 用另一种材料或同一种材料打孔交叉的方法构成支撑 随着对快速原型技术研究深入 新材料 新工艺的研究和开发以及制作件 精度进一步提高 使r p 向直接金属零件的快速制造方向发展成为现实 例如 c o n n e c t i c u t 大学提出了一种基于活性气体分解沉积的成型方法 s a i d 它 使用高功率激光的热能或光能分解一种活性气体 从而沉积出一层层的陶瓷或 金属轮廓刚 2 山东轻工业学院硕士学位论文 1 2 1 2 快速原垂技术的应用 r p 技术特别适合于形状复杂的零件加工 成功地解决了c a d 三维造型 中 看得见 摸不着 的问题 设计制造不需要专门的工装 夹具和模具 缩 短了新产品的试制时间 目前它的主要应用如下 1 加速新产品开发 r p 技术能在较短的时间内将三维c a d 模型制成实 体原型 从而使设计者对产品性能及时评估 找出好的设计方案 2 在医疗领域的应用 主要用于医疗诊断和外科手术策划 能有效地提 高诊断和手术水平口 第一 作为采集到的数据的硬复制件 为诊断 治疗和 教学提供直观 能触摸的信息记录 第二 用于复杂外科手术的策划 这些手 术往往需要在三维模型上进行操作 第三 用于术前制作移植的阴模或母模 3 快速模具制造 基于快速原型制造的快速模具技术集成快速原型制造 的高新技术和传统的非机械加工型腔复制技术 发挥各自优势 已成为产品快 速更新换代和新产品开发及中小批量生产的有效手段之一嘲 4 r p 技术与反求工程的集成 在反求工程中引入r p 技术 能使反求检 测结果以最快的速度仿制出优化设计的产品原型嘲 r p 技术与三坐标测量仪 三维激光扫描仪 工业c t 和核共振 m r i 仪 自动断层扫描仪等反求测量 手段以及传统的数控加工结合 形成了一个包括设计 制造 检测的快速设计 伟4 造闭环反馈系统 这样就加快了反求工程的发展 扩大了快速原型技术的应 用范围 此外 r p 技术还可在微型加工 工艺品制作 文物复制等方面得到应用 1 2 1 3 快速原型技术的发展趋势 快速原型是一项兴起不久的高新技术 一方面它正迅速在愈来愈多的领 域 行业中推广应用 另一方面又在进一步地完善 发展 这主要表现在以下 几个方面 1 伽 1 新型分层叠加成形法的研究与开发 快速原型的基础是分层叠加成形原理 然而 用什么材料进行分层叠加 以及如何进行分层叠加却大有工作可做 2 高性能材料直接成形的实用化 目前 用树脂 塑料和纸等材料制造的快速原型件与真实材料相比尚有差 别 而直接用金属 陶瓷制造的原型件时 容易出现粘结与翘曲变形 如何克 服这些弱点 使其更加实用化都是有待进一步解决的问题 3 成形精度的再度提高 影响成形件精度的主要因素有两方面 第一 由c a d 模型转换成s t l 格 式文件 以及随后的切片处理所产生的误差 第二 成形过程中制件的翘曲变 3 第1 章绪论 形 以及成形后由于制件吸入水分 温度和内应力变化等不稳定因素所造成的 无法精确预计的变形 这两种问题都有待于解决 多色彩工件的制作 目前 快速原型机制作的样品 往往是单一颜色的 然而 随着用户要求 的提高 许多领域都希望快速原型技术直接制作多色彩的工件 5 应用范围的扩大和深入 由于快速原型技术的巨大吸引力 现在 不仅工业界和医疗界对其十分重 视 而且许多其它的行业都纷纷致力于它的应用和推广 因此 其应用范围不 断扩大和深入 1 2 2 网络化常i 造技术 在国外 最早通过网络提供远程快速原型服务的是3 ds y s t e m s 公司属下 的一服务中心 从1 9 9 4 年开始 这家服务中心开始帮助客户检验并剔除c a d 造型中的缺损 生成快速原型过程所需的s t l 文件 并通过互连网传回到加 工中心进行原型制作 之后 这家服务中心在互联网上建立了专用信息服务器 客户可从中下载s t l 文件检视器 s t lf d ev i e w e r 及其电子委托合同书 客户 在正式提交其快速原形制作服务委托前 可自行校验其s t l 文件的完整性 以避免因s t l 文件的缺损而导致原型制作的失败 客户可将其确认后的电子 合同及压缩后的s t l 文件 作为e m a i l 的附件发送到该服务器上 服务中心 的人员定期对其进行作业处理 美国s a nd i e g o 大学把快速原形设备当作远程可共享的计算机 外围设 备 开发了一种类似于打印服务器的软件 1 2 1 远程用户通过互联网向服务中 心端提交快速原形服务的委托 就如提交文档到网络打印机上一样 该软件具 备c a d 文件检查 s t l 文件局部修补 快速成形服务计费等功能 此系统只 可供学生实习之用 不具有商业用途 事实上 快速原形制作前需要专门的技 术人员设置大量过程工艺参数 如扫描方式 速度 模型摆放方向等 对那些 需添加支撑结构的快速原形过程 如s l a 技术 f d m 技术等 则需要更多的 现场人工干预及技巧 快速原形过程前的数据准备工作无法全部在远程客户端 完成 把远程快速原形服务当作完整的制造过程和系统来研究的 是加州大学伯 克利分校的 开放式体系制造系统 项目中的 m e c h a n i c a l m o s a i c 计划 3 该计划提出在线商务处理 快速原形进程异地客户监视 作业编排 快速原形 工艺准备 在线双向网络会议 电子白板等模块的构成框架 遗憾的是 该计 划把互联网技术作为支撑功能模块 集成到其按传统编程语言开发的 m e c h a n i c a lm o s a i c 软件中 而不是把远程快速原形服务的功能模块镶嵌到互 4 第1 章绪论 形 以及成形后由于制件吸入水分 温度和内应力变化等不稳定因素所造成的 无法精确预训的变形 这两种问题都有待于解决 多色彩工件的制作 目前 快速原型机制作的样品 往往是单一颜色的 然而 随着用广要求 的提高 许多领域都希望快速原型技术直接制作多色彩的工件 5 应用范围的扩大和深入 由于快速原型技术的巨大吸引力 现在 不仅工业界和医疗界对其十分重 视 而且许多其它的行业都纷纷致力于它的应用和推广 因此 其应阁范围不 断扩大和深入 1 2 2 网络化伟i 澄技术 在国外 最早遁过网络提供远程快速原型服务的是3 ds y s t e m s 公司属下 的 服务中心 从1 9 9 4 年开始 这家服务中心开始帮助客户检验并剔除c a d 造型中的缺损 生成快速原型过程所需的s t l 文件 并通过互连网传回到加 工中心进行原型制作 之后 这家服务中心在互联网j 建立了专用信息服务器 客户可从中下载s t l 文件检视器 s t lf i l ev i e w e r 及其电子委托合同书 客户 在正式提交其快速原形制作服务委托前 可自行校验其s t l 文件的完整性 以避免因s t l 文件的缺损而导致原型制作的失败 客户可将其确认后的电子 合同及压缩后的s t l 文件 作为e m a i l 的附件发送到该服务器上 服务中心 的人员定期对其进行作业处理 美国s a nd i e g o 大学把快速原形设备当作远程可共享的计算机 外围设 备 开发了一种类似于打印服务器的软件 l 远程用户通过互联网向服务中 心端提交快速原形服务的委托 就如提交文档到网络打印机上一样 该软件具 备c a d 文件检查 s t l 文件局部修补 快速成形服务计费等功能 此系统只 可供学生实习之用 不具有商业用途 事实上 快速原形制作前需要专门的技 术人员设置大量过程工艺参数 如扫描方式 速度 模型摆放方向等 对那些 需添加支撑结构的快速原形过程 如s l a 技术 f d m 技术等 则需要更多的 现场人工干预及技巧 快速原形过程前的数据准备工作无法全部在远程客户端 完成 把远程快速原形服务当作完整的制造过程和系统来研究的 是加州大学伯 克利分校的 开放式体系制造系统 项目中的 m e c h a n i c a l m o s a i c 计划 该计划提出在线商务处理 快速原形进程异地客户监视 作业编排 快速原形 工艺准备 在线双向网络会议 电子白板等模块的构成框架 遗憾的是 该计 划把互联网技术作为支撑功能模块 集成到其按传统编程语言开发的 m e c h a n i c a lm o s a i c 软件中 而不是把远程快速原形服务的功能模块镶嵌到百 m e c h a n i c a lm o s a i c 软件中 而不是把远程快速原形服务的动能模块镶嵌到互 4 山东轻工业学院硕士学位论文 联网技术中 在今天看来 前者将导致跨平台不兼容和维护困难的问题 以上 的研究和工业开发 基本上局限于以快速原形技术为远程客户制作模型方面 现在的服务中心已围绕快速原形技术向更广泛的服务领域扩展 包揽了快速模 具谁4 造 产品的c a d 造型服务 反求工程服务等 研究并建立基于互联网的 多功能远程服务中心具有重要工程意义 此后 国外好几所大学都相继开展了基于网络方面的快速原型制造研究工 作 使远程用户可通过互连网向服务中心提r p 服务的委托 另外 c o l u m b i a 大学提出了建立远程 虚拟r p 机 的思路 也就是在成型机上安装摄相机 r p 过程的动态画面转换成视频数据流 通过互连网传送到远程的操作者工作 站上 在国内 西安交通大学受全国机械制造工艺协会快速原型制造分会之托 已建立了中国r p 网络站点 为我国r p 制造商 r p 技术应用服务中心 科研 院所及广大用户提供信息服务 这使我国r p 技术的发展和应用推广开始就有 一个高的起点 有一个高技术的环境 同时 信息网可以使我国有限的制造资 源得到充分发挥 使用户的需求得到最快韵响应 1 4 中国快速原型制造信息网 络中心将在沟通用户与r p 应用服务中心方面发挥积极作用 通过i n t e r n c t 远程传递c a d 的s 1 l 格式数据 而不涉及到数控加工的 c a d c a m 编程闯题 是快速原型制造逸程服务的主要手段 在实现上也是楣 当方便的旧 但当用户通过互连网向r p 服务中心传输s t l 数据文件后 以后 的事情就无法预知 而造成了服务序列排队或其它麻烦 这也是当前急需解决 的问题 如果服务中心提供的是用户远程聿莹制加工的服务方式 使用户处于制造模 型的主体地位 则会解决上述远程服务方式所带来的问题 这种想法的的根本 是使用户获得远程控制权 用户便可以进入远程加工的操作中去 并且可以通 过快速原型端的摄像头 远程传送加工韵现场情况 用户可以了解加工的整个 过程 可以看出 远程控制方式不仅可以节省用户的时间 更增翔了用户对快 速原型服务的主动性与参与性 但是 这种方式对网络要求较高 网络要提供 较高的传输速度和较好的数据分组传输技术及高效的纠错能力 但是这些影响 将随时代的发展 技术的进步而不断消除 随着市场竞争的加剧 快速响应市搦的需要己成为制造业发展的主要走 向 而快速原型技术为机械制造业快速响应市场信息提供了强有为的支持 在 机械制造中 要实现快速加工 必须集成 优化多学科领域的基础理论与知识 实旋系统工程技术 将分散网络制造技术与快速原型制造技术结台起来 可以 实现不同地区的快速原型制造资源的共享 有效增加企业使用快速原型技术的 第1 章绪论 机会 促进企业进步m l 一方需求 八方响应 将是这个时代的最大特点 而通过远程进行加工制造正是这个特点的完全体现 发展远程制造是驱动制造 领域全球性竞争的手段 将使制造领域发生深刻的变革 同时 发展远程快速 原型制造 也将赋予快速原型制造的 快速 更加深远的意义 快速 将不 仅仅体现在加工过程中的快速 而且还体现在对加工产品需求的 快速 反应 对加工成品的 快速 的供应当中 总之 远程加工制造是市场竞争的要求 是时代进步的体现 1 3 论文的主要内容 本文的研究工作是从快速原型基本原理出发 构造了快速原型网络化制造 的基本模型 并在此基础上设计出了简单实用的快速原型网络化制造软件 最 后在先进材料与特种加工实验室的h r p i i b 快速原型设备上得到了验证 1 构造出了基于客户机朋匪务器模式的快速原型网络化制造的基本框架 2 对网络通信与编程基础进行了概述 3 设计了一套简单实用的网络化制造软件 4 h r p i ib 快速原型系统远程网络化加工实验 6 山东轻工业学院硕士学位论文 第2 章快速原型网络化制造的基本框架 快速原型的基本过程是实现快速原型制造的基础 依照快速原型的制造过 程与网络化制造的原理 可以构造出快速原型网络化制造的基本框架 2 1 快速原型制造过程德介 快速原型制造把c a d 设计出的实体模型平行切割 获取切片层的加工数 据 目前普遍的作法是把c a d 实体模型数据转换成s t l 格式 其核心是把 c a d 产生的三维零件实体表面分割成无数相邻接的小三角形平面 然后 再 用切片程序处理后送给原型机 2 1 1s t l 文件标准 迄今为止 快速原型技术领域并没有标准的零件文件格式 由美国3 d s y s t e m s 公司开发的s t l 文件格式被工业界认为是目前的 准 标准 该公司 1 9 8 8 年制定了一个接口协议n 7 随后 各商用c a d 软件公司纷纷推出带有 s t l 文件输出的软件包 如美国s d r c 公司和i d e a s p t c 公司的 p r o e n g i n e e r i n g 和a u t od e s k 公司的a u t o c a da m e 等 以提供从c a d 实体 数据模型转换成快速原型技术输入数据模型的接口 转换后的数据模型是一种 用许多空间三角形来逼近原c a d 实体模型的数据文件 2 1 2s t l 格式下快速辰墅膀造过程 三维c a d 实体模型通过s t l 文件进行软件 切片 处理 得到切片信息 及其扫描路径信息 s u 文件形式 然后把所得到的切片信息及扫描路径信息 转化为数控命令代码形式输入到计算机数控系统 c n c 中 最后由计算机数控 系统完成零件的扫描加工成型 如图2 1 所示 由上图可以看出 从s t l 文件作为输入到数控加工 每一阶段 2 3 4 阶段 都相对独立地完成所要求功能 并提供给下一阶段完整接口信息 2 3 阶 7 第2 章快速原型网络化制造的基本框架 段s t l 模型作为输入 完成对s t l 文件的切片 3 4 阶段以切片信息及扫描 路径信息 数据文件的形式 作为输入 完成计算机数控系统数控代码的生成 4 5 阶段以数控代码作为输入 完成数控加工的操作 2 2 快速原型网络化制造的基本框架构造 快速原型网络化制造实际上就是通过网络对快速原型设备进行远程控制 从而达到远程加工的目的 2 2 1 远程控制 远程控制是在网络上由一台电脑 主控端 客户端 远距离去控制另一台 电脑 被控端朋臣务器端 的技术呻 当操作者使用主控端电脑时 就如同坐 在被控端电脑的屏幕前一样 可以启动被控端电脑的应用程序 可以使用被控 端电脑的文件资料 甚至可以利用被控端电脑的外部设备和通信设备 调制解 调器或者专线 进行打印和访问互连网 不过 有一点需要明确 那就是圭控 端电脑只是将键盘和鼠标的指令传送给远程电脑 同时将被控端电脑的屏幕画 面通过通信线路回传过来 从而达到控制与被控制的目的 远程控制软件一般分为两个部分 客户端程序和服务器程序 在使用前需 要将客户端程序安装到主控端电脑上 将服务器端程序安装到被控端电脑上 控制的过程一般是先在被控端电脑上执行服务器端程序 然后在控制端电脑上 执行客户端程序 与服务器程序建立一个特殊的远程服务 然后通过这个远程 服务 使用各种远程控制功能发送远程控制命令 控制服务器中各种程序的运 行 双方交互过程模型图如图2 2 所示 客户端 服务器端 2 2 2 客户机 服务器 c l i e n t s e r v e r 结构 客户机 服务器技术是计算机技术发展史上的一场革命 它与集中式平台 计算机局域网体系结构不同 此系统以其系统成本低 功能强大为广大用户所 采用 它描述的是一种物理模型 在这种模型中 客户机向服务器发出请求 山东轻工业学院硕士学位论文 服务器对该请求进行服务 或者说服务器响应客户机的请求 图2 3 为客户机 服务器体系结构图 图2 j 客户机 服务誊体系结构 在客户机 服务器体系结构中 客户机是用户与系统交互的接口 它应该 具有以下几个特点 1 客户机提供一个用户界面 用户界面完成用户命令与数据的输入 并 显示服务器处理结果 典型的客户机用户界面是一种图形用户界厦 2 一个客户机 服务器结构可以有多个客户机 它可以有多个用户界面 但每个客户机要有一种用户界面 3 客户机使用预定义的结构化查询语言 来构成一条或多条命令发送到 服务器 4 客户机可以利用网络操作系统的远程通信机制与服务器通信 并向用 户屏蔽进程通信机制的细节与差异性 客户机 服务器体系结构中 服务器是一个或一组应用进程 它能向一个 或多个客户机提供服务 它应具有以下特点 1 j l 艮务器可以向客户机提供一种服务 服务器的服务类型可以是大量文 件的存储服务 也可以是集中计算的各种应用 2 服务器负责响应来自客户机的s q l 艮务访问命令 但不主动与客户机 建立会话 它只负责系统数据存储管理与提供应用服务 在理想的客户机 服务器模式中 客户机与服务器的通信可以独立于服务 器平台与网络平台 在一个多服务器的环境中 服务器应能协同工作 共同为 用户提供服务 而服务器之间的通信过程对用户是透明的 网络环境是客户机 服务器模式的主要应用环境 一般雨言 作为服务器 的计算机拥有较为非富的资源 而客户机相对较少 用这种基于客户机棚l 务 器体系结构的开放式网络环境便可以实现整个系统的并行处理 同时充分利用 不同机器的特征 完成特定的任务 从而提高整个系统的性能 保证整个网络 9 第2 章快速原型网络化制造的基本框架 范围内的信息和资源高度共享m l 2 2 3 快速原型网络化制造的基本框架 基于客户机 服务器结构的r p 网络化制造就是客户机向服务器提出申请 而服务器提供有关服务 从而对原型机进行远程控制 进而达到远程加工的目 的 2 2 3 1s t l 文件的远程传输 以s t l 文件作为远程输入 控制远端提供切片信息 扫描加工路径及数控 代码的生成和加工操作 这样在远端可方便的对s 膜型文件进行观察及加工 仿真 s t l 数据传输完后 客户机便可输入远程加工参数对服务器提出加工申 请 图2 4 为其远程传输示意图 在客户机e 完成在服务器匕生成砌憧各加工 图2 4s t l 土 d 的远程传输 实际上 三维模型在进行远程传输时有三种方式 其特点如下 1 以数控代码进行远程传输 大部分工作都在客户机上完成 但这样却 大大的增加了数据的通信量 易增加传输过程中的出错率 2 以s l i 文件作为远程传输 数据通信量小相对较小 但涉及到快速原 型本身所带软件的改动 不具有通用性 3 以s t l 文件进行远程传输 传输时只传输最初的s t l 文件 其余数据 处理均在r p 系统上完成 这样不涉及到快速原型设备本身所带软件的改动 到时直接通过客户机来启动服务器的r p m 程序 安全可靠 作为远程通信软件 除了网速外 最主要的是相对简单 可靠 通用 尽 量不要对外部的硬件设备及本身相关软件进行改造 因为现在快速原型设备所 用软件大都以s t l 文件格式输入 所以 相对大型的三维c a d 模型来说 在 远程传输时 应尽量采用以s t l 文件进行远程传输 2 2 3 2 远程控制所要解决的问题 通过远程控制软件 可以进行很多方面的远程操作 包括获取目标电脑屏 幕图像 记录并提取远端键盘事件 鼠标事件 对文件操作等 在谈到远程控 制的时候 还不得不讨论网络自身的问题 尤其是网速 网速过慢是很多网络 程序的瓶颈 远程控制也不例外 获取被控电脑屏幕图像的过程 实际上就是 山东轻工业学院硕士学位论文 服务器端传输一幅屏幕的图片到客户端的过程 这个过程需要传输大量的数 据 并且还要做到及时传输 这就牵涉到如何对屏幕图片数据进行压缩 有损 或无损 什么时候发送屏幕阻片数据 是不是每次都需要发送整个屏幕的数 据 这些都是远程控制必须面对的问题 2 2 3 3 以s t l 文件作为远程输入的网络化制造框架 建立在图2 4 基础上 能解决远程控制所面临问题的远程通讯与加工控制 过程须由以下几个功能模块组成 图2 5 图2 sr p 系统罔络f f u 造的远程控翻横块 1 远程检测模块 主要检测服务器及r p 原型机状态 以便客户机对下一 步工作作出决策 2 数据处理模块 包括选用好的压数据压缩 解压缩法来提高网络传输速 度 以及传输前后数据的对比 3 数据传输模块 负责传输各种类型的数据 要及时反馈各种传输信息 如传输出错信息 信道阻塞信息及排队数据的安排 4 远程加工控制模块 初始化r p 原型机 设置加工参数及加工控制 5 安全模块 完善的日志记载 强大的备份工具以及多级权限管理等 6 扩展模块 有待完善的功能模块 如加工现场实时监控 协同设计 网络数据库等 上述所建立的基于c s 结构的以s t l 文件作为远程输入的网络化制造基 本框架功能相对完善 在此框架基础上开发的网络化制造软件会使远程加工者 完全介入到现场加工中去 从而实现快速原型设备真正意义上的远程加工 第3 章网络通信与编程基础 第3 章网络通信与编程基础 每种网络都有自己的 语言 i n t e r n e t 上的 语言 就是t c p i p 网络通 信协议舢 现在w i n d o w s 下的i n t e r n e t 软件都是在w i n s o c k 基础上开发的 而 w i n s o e k 开发工具可以在d e l p h i v i s u a lb a s i c 及v i s u a lc 找到 但就其程序 效率及灵活性方面 s u a lc 是首选 3 1t c p i p 协议 t c p i p t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c 0 1 是发展至今最成功 的通信协议 它起源于2 0 世纪6 0 年代末美国政府资助的一个分组交换网络研 究项目 到2 0 世纪9 0 年代已发展成为计算机之间最常用的组网协议 它允许 分布在各地的装着完全不同系统的计算机互相通信 它是一个真正的开放系 统 该协议族的定义及其多种实现可以通过多重途径无偿得到 3 1 1 t c p i p 结构 网络协议通常分不同层次进行开发 每一层分别负责不同的通信功能 一 个协议组件 比如t c p i p 是一组不同层次上的多个协议的组合 t c p i p 通 常被认为是一个四层协议系统 如图3 1 所示 2 2 1 应用层 传输层 网络层 链路层 备种应用层协议 t c p u d p 口 设备驱动程序及接口卡 每一层负责不同的功能 1 链路层 有时也称作数据链路层或网络接口层 通常包括操作系统中 的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡 它们一起处理与电缆 或其他 传输媒介 的物理接口细节 2 网络层 处理分组在网络中的活动 例如分组的路由选择 在t c p i p 协议组件中 网络层协议包括 协议 网际协议 i c m p 协议 i n t e m e t 互连 网控制报文协议 以及i g m p 协议 i n t e r n c t 组管理协议 3 传输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信 在t c p i p 协议组件中 有两个互不相同的传输协议 t c p 传输控制协议 和u d p 用 户数据报协议 山东轻工业学院硕士学位论文 t c p 为两台主机提供了可靠的数据通信 它所做的工作包括把应用程序 交给它的数据 分成合适的小块交给下面的网络层 确认接收到的分组 设置 发送 最后确认分组的超时时钟等 由于传输层提供了可靠性的端到端通信 因此应用层可以忽略所有这些细节 另一方面 u d p 则为应用层提供一种非常简单的服务 它只是把称作数 据报的分组从一台主机发送到另一台主机 但并不保证该数据报能到达另一 端 4 应用层负责处理特定的应用程序细节 几乎各种不同的t c p i p 实现 都会提供下面这些通用的应用程序 t e l n e t 远程登录 b t p 文件传输协议 s m t p 用于电子邮件的简单邮件传输协议 s n m p 简单网络管理协议 3 1 2i p 地址 互连网上的每个接口必须有一个唯一的 n t e m e t 地址 也称作m 地址 地址长3 2b i t t 每个3 2 位口地址分割成两部份 前缀和后缀 前缀用于 确定计算机从属的物理网络 后缀则用于确定网络上的一台单独的计算机 互 联网中的每一个物理网络都有一个唯一的值作为网络号 p 地址的层次性保 证了以下两个重要性质 每一台计算机分配一个唯一的地址 虽然网络号分配必须全球一致 但后缀可本地分配 无须全球一致 i n t e r n e t 地址并不采用平面形式的地址空间 如1 2 3 等 d 地址具有 一定的结构 网络地址与本机地址的组合便是完整的m 地址 m 地址共分五 类 a 类 b 类 c 类 d 类和e 类 其中a 类 b 类和c 类为基本类 d 类用于多播传送 e 类属于保留类 现在不用 蛋地址一般采用点分十进剖的 表示方法 例如 0 0 0 0 0 0 0 l 0 0 1 l o l o o0 0 0 0 0 11 00 0 0 0 0 0 0 0 1 2 9 5 2 6 0 采用点十制表示方法后的地址分类如表3 1 所示 表3 1 备类口地址范圈 类型范围 a 类0 0 0 0 1 2 7 2 5 5 2 5 5 2 5 5 b 类 1 2 8 o 0 0 1 9 1 2 5 5 2 5 5 2 5 5 c 类1 9 2 0 0 0 2 2 3 2 5 5 2 5 5 2 5 5 d 类 2 2 4 0 0 o 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 e 类2 4 0 0 0 0 2 4 7 2 5 5 2 5 5 2 5 5 第3 章网络通信与编程基础 除了每个主机分配一个口地址外 i p 协议规定也应给路由器分配一个m 地址 事实上 每个路由器被分配了两个或更多的p 地址 一个路由器连接 到多个物理网络 每一个口地址包含一个特定物理网络的网络号 一个i p 地 址并不标识一台特定的计算机 而是标识一台计算机和一个网络间的一个连 接 3 1 3i p 路由选择 从概念上说 选择口路由是简单的肼1 特别对于主机来说 如果目的主 机与源主机直接相连 如点对点链路 或共享网络 以太网或令牌环网 那 么m 数据报就直接送到目的主机上 否则 主机把数据报发往一默认的路由 器上 由路由器来转发该数据 大多数的主机都是采用这种简单机制 口层在内存有一个路由表 当收到一份数据报并进行发送时 它都要对 该表搜索一次 当数据报来自某个网络接口时 m 首先检查目的d 地址是否 为本机的p 地址之一或疋广播地址 如果是 数据报就被送到由m 首部协 议字段所指定的协议模块进行处理 如果数据报的目的不是这些地址 那么对 路由器而言 就需要对数据报进行转发 3 1 4 螭口号 t c p 和u d p 采用1 6 比特的端口号来识别应用程序t 2