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1、4 5 5 62 0 0 9，3 0(1 9)计算机工程与设计C o m p u t e rE n g i n e e r i n ga n dD e s i g nO 开发与应用基于O p e nI n v e n t o r 的虚拟数控培训系统开发罗陆锋1，孙爽1，李国琴1，邹湘军2(1。天津工程师范学院天津市高速切削与精密加工重点实验室，天津3 0 0 2 2 2；2 华南农业大学虚拟现实技术实验室，广东广州5 1 0 6 4 2)摘要：针对传统数控培训中存在的场地受限、经费不足等问题，结合虚拟现实与人机交互等技术，提出了一种基于O p e n I n v e n t o r 的数控培训
2、系统实现方案。阐述了虚拟数控培训系统的软硬件开发平台，给出了软件系统的结构框架及开发流程重点研究了虚拟加工场景的绘制及其模型优化、数控代码编译处理，给出事件处理的编程模型，并以直线进给为例阐述了机床的运动行为仿真。运用O p e n I n v e n t o r 工具包在V i s u a l c+6 0 环境下实现初步原型系统，该系统运行效果良好。关键词：虚拟数控培训；O p e nI n v e n t o r；编译：行为仿真中图法分类号：T P 3 9 1 9文献标识码：A文章编号：1 0 0 0 7 0 2 4(2 0 0 9)1 9 4 5 5 6 0 4D e v e l o p
3、 m e n to fv i r t u a ln u m e r i c a lc o n t r o lt r a i n i n gs y s t e mb a s e do no p e ni n v e n t o rL U OL u f e n 9 1，S U NS h u a n 9 1，L IG u o-q i n l，Z O UX i a n g-j u n 2(1 T i a n j i n K e y L a b o r a t o r y o f H i g h S p e e d C u R i n g a n d P r e c i s i o n M a c h
4、i n i n g，T i a n j i n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y a n d E d u c a t i o n，T i a n j i n3 0 0 2 2 2，C h i n a；2 L a bo fV i r t u a lR e a l i t y,S o u t hC h i n aA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y,G u a n g z h o u510 6 4 2，C h i n a)A b s t r a c t：A c c o r d i n gt ot
5、h el a c ko f v e n u e sa n df u n d i n gw h i c ha r ec o m m o n l yf o u n di nt r a d i t i o n a ln u m e r i c a lc o n t r o l(N C)仃a i n i n ga r e a,w i t ht h ed e v e l o p m e n to f v i r t u a lr e a l i t ya n dh u m a n-c o m p u t e ri n t e r a c t i o nt e c h n o l o g y,ap r o
6、 g r a m m eo f v i r t u a lN Ct r a i n i n gs y s t e mb a s e do no p e ni n v e n t o ri sb r o u g h tf o r w a r d F i r s t l y t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r m so f v i r t u a lN Ct r a i n i n gs y s t e mi se x p o u n d e d，t h es o f t w a r ea r c h i t e c t u
7、r ef r a m e w o r ka n dd e v e l o p m e n tp r o c e s sa r ep r o p o s e d T h e nt h er e s e a r c ho nv i r t u a lm a c h i n i n gs c e n em a p p i n ga n dm o d e lo p t i-m i z a t i o n N Cc o d ec o m p i l e rp r o c e s sa r ef o c u s e do n T h ec o m m o np r o g r a m m i n gm o
8、 d e lo fa ne v e n th a n d l i n gi sp r o p o s e d，a n dt a k es t r a i g h t-l i n ef e e d 鹪a ne x a m p l ei l l u s t r a t e dt h es i m u l a t i o no fm o t i o nb e h a v i o r F i n a l l y，a ni n i t i a lp r o t o t y p es y s t e mi sr e a l i z e di nV i s u a lC+6 0。a n dt h i ss
9、y s t e mi ss t a b l ea n dg o o dr u n n i n g K e yw o r d s：v i r t u a lN Ct r a i n i n g；o p e ni n v e n t o r；c o m p i l e r；b e h a v i o rs i m u l a t i o n0引言随着数控系统的不断发展，数控技术已成为先进制造体系中的核心技术，它的应用水平已成为一个国家的工业现代化水平和综合国力的强弱的标志。数控培训是为国家培养数控技术人才的一个重要途径，传统的数控培训都是在实际机床上进行，这种培训方式不仅受到场地的限制，同时还存在
10、着培训成本高、设备风险大等问题。随着虚拟现实技术、计算机接口及人机交互技术的不断发展，基于虚拟现实的数控培训已成为可能。虚拟数控培训是以计算机技术为核心，运用虚拟现实开发工具构建逼真的视、听、触觉一体化的虚拟数控加工环境，用户借助专用数控交互设备以自然的方式与虚拟环境中的机床对象进行交互，进而沉浸其中，产生与亲临真实数控加工环境等同的感受和体验。近年来，国内一些科研机构与工科院校在数控加工仿真方面开展了较多的研究，并取得了许多非常可喜的研究成果。如上海宇龙与天津工程师范学院联合研制了数控机床加工仿真系统软件；南京斯沃研制的数控加工仿真软件；同济大学研制的数控程序微机动画仿真系统；哈尔滨工业大学
11、的N C M P S 系统“1；华中科技大学利用J a v a 与V R M L 开发出一个可通过W W W 进行多用户相瓦交流的N C 加工仿真软件0 1。但由于目前的数控仿真系统大多以桌面式系统为主，系统的交互性和沉浸感不够强。本文提出基于O p e n I n v e n t o r 的虚拟数控培训系统解决方案，从虚拟数控培训系统的软硬件开发平台、软件系统的结构框架、虚拟加工环境的绘制、N C 代码编译技术、运动仿真等几项关键技术展开研究，旨在研发出一套具有深度沉浸感的虚拟数控培训系统，从而提高虚拟数控的培训效果。收稿日期：2 0 0 8 1 0-1 2；修订日期：2 0 0 9 0 4
12、 0 2。基金项目；国家自然科学摹金项目(5 0 7 7 5 0 7 9)；天津市教育科学“十一五”重点规划课题摹金项目(Z G C 0 2 0)；广东省自然基金项目(0 7 0 0 6 6 9 2、0 7 3 0 0 7 2 0)；广东省科技攻关基金项目(0 7 1 1 0 5 0 l 0 0 0 7)；天津工程师范学院科研基金项目(J H 2 0 0 7 0 0 7)。作者简介：罗陆锋(1 9 8 2-)，男，湖南新化人，硕士，研究方向为虚拟现实技术、制造过程仿真；孙爽，副教授，研究方向为机械设计、数控加工仿真；李国琴，博士研究生，副教授，研究方向为数控过程仿真；邹湘军，博士，教授，博士生
13、导师，研究方向为虚拟现实、智能设计与制造。E-m a i l：l u o l u f e n 9 6 1 7 1 6 3 c o m万方数据罗陆锋，孙爽，李国琴，等：基于O p e nI n v e n t o r 的虚拟数控培训系统开发2 0 0 9，3 0(1 9)4 5 5 71 系统的软硬件平台以O p e n I n v e n t o r I”和V i s u a l C H 缶0 作为虚拟培训系统的开发平台。O p e nI n v e n t o r 是T G S 公司开发的面向对象的3 D 工具包，它对O p e n G L 的主要三维图形接口函数进行了封装，由完整的C+大型
14、类库组成，提供了一个基于3 D 场景数据库的程序设计模型，显著地简化了图形程序设计。用O p e n I n v e n t o r创建的每一个三维图形都可以旋转、平移、放大缩小或动画。O p e nI n v e n t o r 支持多线程计算处理、远程图形绘制、立体图像浏览、3 D 纹理叠加、实时性交互分析。借助O p e n I n v e n t o r 开发平台，能高效地开发和调试虚拟数控培训系统“1。本论文采用双C P U 微机带专业级图形加速卡作为虚拟数控培训系统的硬件平台，为了提高虚拟数控培训系统的真实感和沉浸感，使用V R 投影仪、偏振屏幕和三维立体眼镜作为立体感成像设备，以
15、真实的U S B 数控交互面板作为人机交互设备。系统可达到与真实数控机床相同的效果，大大提高学员的学习效率。2 系统的结构框架虚拟数控培训系统的结构框架主要由身份验证、N C 编译器、虚拟加工环境、行为可视化仿真、人机交互等5 大板块组成。虚拟数控培训系统构建的步骤是：首先应用优化方法构建虚拟加工环境及虚拟数控机床的几何模型，对模型进行纹理映射及光照等处理，将模型转换到O p e nI n v e n t o r 环境中。然后设计加工仿真过程中的刀补及消隐等关键算法，研究实时切削技术，对虚拟数控加工过程中刀具、工作台及工件进行运动行为建模以及加工特效建模，开发N C 编译系统，运用编译后的数据
16、驱动机床工件和刀具运动。最后开发用户身份验证系统，用户只有通过身份验证后才能获得系统的操作权。虚拟数控培训系统结构框架如图1 所示。人机变界面输入(毛坯定义、初始化等疆f l 输出(图像、声音、加工结果等)，l虚拟数控加工仿真3 D m a x 构建豳，仿真行为设计、l 虚拟加f【车间罗虚拟加上环境行为建模J 1Al 竺翌竺竺i【苎型兰璺一、o【数据转化控机床的二维模霹j 矿物理建模l 碰撞检测Il 运动控制I，厂uJC A T I A 构建豳l 加工动画ll 堡堕兰兰l机珠模型罗7N C 代码编译、数据驰动l 旨效控制Il 交互控制l1 N C 代码输入、修改1 和翻译N C 代码IN c
17、代码执行l图1 虚拟数控培训系统结构框架3 虚拟机床场景绘制及模型优化3 1 机床模型绘制虚拟数控系统的场景数据库由上千个基本零件或部件的3 D 实体数据信息所组成。每个3 D 实体又包括定义它的3 D形体、属性、或组的数据和方法。根据O p e n I n v e n t o r 三维场景数据规则把各种零件或部件按照层次关系组合起来，构造出虚拟数控加工中心的场景结构图，如图2 所示。场景曼竹票鬟)(拳譬)(视点加工中心紫1)一!砂媾夥 矽e 寰X 向导轨Y 向导轨工件图2 虚拟数控加工中心场景结构场景根节点位于场景结构图的最上层，是整个虚拟场景的父节点，场景中其它所有的对象都是从这个节点衍生
18、出来。场景结构图中的背景节点主要定义虚拟加工场景的可视化特点：光照节点定义整个场景的光照模型、光照强度等：视点节点定义虚拟场景的观察视角，通过这个节点用户可以设定从不同方向对数控机床的加工情况进行观察。虚拟数控加工环境中晟复杂的节点是机床的本体节点，它是由许多个机床本体子节点构成。数控机床中许多部件存在联动关系，这就需要对各子部件进行分层分类管理，对于在加工仿真中没有行为动作的部件我们可以封装成一类，对于存在行为动作的为另一类，对于机床中的联动部件按着分层管理，下层节点由上层节点派生出来。数控加工中心本体主要由床身、工作台、主轴、刀库、操作面板等组成。3 2 机床模型优化由于虚拟环境及机床的3
19、 D 数据量过于庞大，为了满足系统实时性的要求，需要在不影响虚拟场景逼真性的前提下对数据进行优化处理。在3 D 建模过程中描述实体模型表面的数据经常存在冗余现象，这里的冗余主要表现为在实体外部观察模型时不可视的部分。因此，在建立模型数据库的时候可以删除模型背面、内部或被遮挡的多边形以减少系统的绘制时间。比如机床内部一些不可见零件就不需要绘制出来，可以在模型中直接删除；消除这些冗余多边形则可以在很大程度上降低整个场景的复杂度。纹理映射技术是在模型对应位置的多边形表面上“贴制”纹理图片，用来替代详细的模型细节。这样处理可以减少模型的多边形数目和复杂程度，提高图像绘制输出时的显示速度。只要视点不过于
20、靠近实体，纹理映射并不会降低场景的逼真程度。从对比效果上看，采用这种方法是非常日丁取的。另外，采用细节层次L O D(1 e v e lo f d e t a i l)模型对场景中的岁孪考万方数据4 5 5 82 0 0 9，3 0(1 9)计算机工程与设计C o m p u t e rE n g i n e e r i n ga n dD e s i g n实体使用不同细节进行描述，常用的主要方法有：细分法、采样法和删减法”1。4N C 代码编译N C 代码编译器是虚拟数控培训系统中一个熏要的组成部分，主要由词法分析、语法分析、语义分析以及翻译执行4个模块组成。设计编译器首先需构建功能代码对
21、应库与规则库，把数控系统的可识别字符集与功能集归纳起来，可分为字母指令、数字、符号。标准N C 代码指令有多个大类，如G 0 1 直线切削、G 2 8 机床返回原点、G 9 2 设置工件坐标系等。在词法和语法分析之前，需要对数控程序中的信息进行提取，本文采用链表结构对N C 代码进行保存，具体结构如下：s t r u c tN c d a t e i。n tG o；模态G 功能代码i n tM c；M 功能代码i n tD n u m 刀补号i n tT r c；刀补i n tS _ s p e e d；主轴转速i n tA x i s w a y；主轴转向i n tFs p e e d；进给
22、速度f l o a tX _ p o z，Y _ _ p o z，Zp o z；点位坐标f l o a tI _ p o z，J _ _ p o z，Kp o z，R _ p o z；b o o lA b s C o d i s y s；绝对坐标系相对坐标系)N c d a t e；编译器首先读取一行N C 指令，识别 H 该行中的指令关键字，然后提取关键字后面所带的数字，最终确定执行的是哪一道命令程序。在指令数据结构中，每种指令有相应的参数列表与之对应。只要确定好指令类型之后，再读取关键字后的参数值，就能最终确定所要执行的功能函数，通过插补运算后将得到的数据序列发送给虚拟仿真板块，进而控制机
23、床的行为动作。N C 代码的编译流程如图3 所示。图3N C 代码的编译流程5 数控加工行为仿真5 1 事件处理的编程模型I n v e n t o r 包含有一个为场景数据库内建的事件模氆州，该事件模型为系统提供了事件处理机制，通过这些机制，事件将被分配到场景数据库内的3 D 事件处理对象上，以便这些物体可以处理这些事件。与窗口系统将事件传递到客户窗口中的做法类似，I n v e n t o r 会将事件传递到数据库中能够处理它们的物体上。在场景中使用任何动作的时候，都应该先构造一个动作类的实例，初始化动作，然后为动作设置参数，最后才使用动作。当开发I n v e n t o r 数控系统程
24、序时，选择XW i n d o w 编程模型。I n v e n t o r 提供了将x 事件转换到I n v e n t o r 事件的转换类，图4 展示了X 事件传递到渲染窗口和转换成可以被I n-v e n t o r 场景管理器处理的I n v e n t o r 事件的过程。S o X t R e n d e r A r c a是一个可以执行演染操作和处理事件的窗U 组件，S o S c e n e M a n a g e r 是场景管理器。图4I n v e n t o r 的事件处理流程5 2 刀具运动行为仿真刀具及工件的运动轨迹控制是开发虚拟数控系统的一个难点。通过对N C 代
25、码的翻译和解释，可提取出加工仿真过程的运动驱动数据，根据给定的时间序列间隔，生成相应的刀具扫描体，并通过刀具扫描体与零件实体模型相交求布尔来反映零件的几何切削过程。刀具扫描体的运动控制由I n v e n t o r的计算引擎(S o C a l c d a t o d 来控制，计算引擎根据N C 编译器发送出的数据算出刀具扫描体的运动曲线，计算引擎的输出连接到刀具的移动节点上，用来控制刀具沿着规定的路径进行运动，图5 为计算引擎的场景图。以直线插补运动为例：d a o j ui n i t i a l T r a n s f o r md jT r a n s l a t i o no 一凸
26、一r c a l T i m et h e t a C o u n t c rc a l c X Y Z图5 计算引擎的场景万方数据罗陆锋，孙爽，李国琴，等：基于O p e nI n v e n t o r 的虚拟数控培训系统开发2 0 0 9，3 0(1 9)4 5 5 9设刀具从点彳(蜀，r o,Z o)运动到点以咒，E Z)直线运动，刀具移动速度为F，设插补周期为T，则每个插补周期的给定步长为A L=F T。设点A 到点E 的距离为L，L 在X Y 平面内的投影长度为L I 则有：点A 到E 的距离L=(x,-X o Y+(K y o)2+(乙乙)2(1)直线在X Y 平面上的投影长度L
27、 2 仪一盂H K K)2Q)图6 虚拟数控培训的初级原型系统根据L-F T，可以推出得知A X：竺竺型一(3)(砭一碥)2+(K K)2 1。(乙磊)2同理可得A Y：丝垒垒一“)陇一盥)K K)2“乙一z o Y由于4)(，么Y，A Z 具有位置轮换性，可知A Z：垒些至坠一(5)C z 一蜀)2 H K K)2+(乙一五)2插补点的计算坐标为z：X,-。+觚：X,-1 4；型垒型皇(6)(砭一碥)2+(K K)2+(z：一z；)2z：z 一。+A Y,；E 一。+；：竺兰!坚兰三兰!兰一(7)(五一碥)2+(E r o)2+(z：一乙)2z f：Z H+A Z,：Z；-1 4 丝竺兰堡一
28、(8)C K 一出)z K)2+(z 一磊)2部分功能的实现代码如下：S o T r a n s l a t i o n*d j T r a n s l a t i o n=n e wS o T r a n s l a t i o n；定义平移属性S o T r a n s f o r m i n i t i a l T r a n s f o l-r e=n e wS o T r a n s f o r m；S O C a l c u l a t o r*c a l e X Y Z-n e w S o C a l e u l a t o r；l t t l 建计算引擎S o T i m e
29、C o u n t c r*t h e t a C o u n t e r=-S o T i m e C o u n t e r；创建r h e a-C o u n t e r 对象t h e t a C o u a t e r-m a x=3 6 0；Nt h e t a C o u n t e r 参数初始化t h e t a C o u n t e r-s t e p 司；t h e t a C o u n t e r-f r e q u e n c y-0 0 7 5；e a l e X Y Z-e x p r e s s i o n s e t l V a l u e(1，“t e-
30、n c _ x”)；NX 坐标值e a l e X Y Z-e x p r e s s i o n s e t l V a l u e(2，“t d-n c _ y”)；Y 坐标值c a l e X Y Z-c x p r e s s i o n s e t l V a l u e(3，“t e 铷c-z”)；Z 坐标值c a l c X Y Z e x p r e s s i o n s e t l V a l u e(4，“o A=v e c 3 f(t c，t d,t e)”)；设定S o M F V e e 3 f 类型数值d j T r a n s l a t i o n-t r a
31、 n s l a t i o n e n n n e e t F r o m(&c a l c X Y Z-o A)；移动刀具至o A 位置处6 系统实现运用三维建模软件3 D M A X、C A T I A 构建了虚拟数控加工环境和数控机床，再利用虚拟现实开发包O p e nI n v e n t o r 结合V i s u a l C H 6 0 高级编程语言在W i n d o w s X P 系统下实现了虚拟数控培训的初步原型系统，如图6 所示。系统具有友好的交互界面，用户对机床的操作过程始终保持在三维环境中进行，因而，系统的沉浸感强，可起到良好的培训效果。7 结束语本文基于O p e
32、 n I n v e n t o r 提出了一种数控培训系统的实现方案，对系统中虚拟加工场景的绘制及其模型优化、N C 编译、加工行为仿真等几个关键技术展开了研究。最后开发出培训系统初步原型系统，该系统打破了传统数控仿真软件的操作界面，在立体投影环境中具有深度沉浸感，交互性强，其优点是成本低、效率高，可以解决因经费不足所不能开设的数控培训实验，同时可避免因操作不当造成的机床损坏和可能带来的人身伤害。但目前开发的虚拟数控机床种类不够全面，今后的主要工作将是不断扩充和完善培训系统的内容，使之早日实现产业化。参考文献：【1】刘雅静C A X A 数控机床操作及仿真实训教程 M】北京：北京航空航天大学
33、出版社，2 0 0 3：1 1 8 1 4 8【2】张怀宇基于V R M L 的数控加工仿真系统的研究和实现【D】成都：四川大学机械工程学院，2 0 0 2【3】Q i uZM,C h e nYP,Z h o uZD，e ta 1 M u l t i u s e rN Cm a c h i n i n gs i m u l a t i O i lo v e rt h eW W W J A d v a n c e dM a n u f a c t u r i n gT e c h n o l o g y,2 0 0 1(1 8)：1-6 4】詹炜，戴光明数据可视化程序开发包O p e nI n
34、v e n t o r 及其应用 J】计算机工程与设计，2 0 0 7，2 8(1 1)：2 0 7 5 2 0 7 7【5】张学福信息检索可视化开发工具【J】现代情报，2 0 0 5，1 1(1 1)：3 8 _ 4 1 6】曹逸峰，陈一民，顾文望虚拟机床可视化设计相关技术的研究与应用【J】系统仿真学报，2 0 0 4，1 6(1 0)：2 3 2 1 2 3 2 4 7】J o s i eW e m e c k e 1 ki n v e n t o rm b-!u t o r【M】N e wY o r k：A d d i s o n-W e s l e yP u b l i s h i n gC o m p a n y,2 0 0 7：1 1 2-1 2 0 8】M e r c u r yC o m p a n y O p e ni n v e n t o ro v e r v i e w E B o L】h t t p：w w w t g s e o m p r o d i v o i v o v e r v i e w h t m，2 0 0 6-0 6 1 5 万方数据