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1、收稿日期：!#$%$!&第!卷&第%期计&算&机&仿&真!(年%月&文章编号：)($*+%（!(）%$!($远程数控仿真系统的设计与实现周峰)，宿超!，刘敏（),山东商业职业技术学院，山东 济南!#)；!,山东广播电视大学，山东 济南!#)+；,中国网通山东省分公司，山东 济南!#)+）摘要：由于几何建模的复杂性和消隐算法的低效性，目前的数控仿真系统大多只能实现数控加工结果显示，而在数控加工过程实时仿真方面功能还很弱，对于基于-./01.0/的远程数控仿真的研究则更少。为解决以上问题，提出了实现远程数控仿真的技术框架，即采用 2345 建立几何模型，采用 6787 建立通信接口，构造虚拟环境与
2、操作者之间的通信机制。通过构造 9:-接口控制 9;087$/1?结点，实现工件动态建模，采用 6787 7;0/构造 AB 代码解释器，并阐述了干涉校验的实现方法，实现了远程数控仿真系统。关键词：虚拟加工；刀具轨迹验证；计算机仿真；数控中图分类号：CD!E&文献标识码：:!#$%&()*$+,$-&-.)/-,01 2$/3*,$-&24#,/FGHI J0.K)，LI BM7=!，5-I 4.（),LM7.?=.K-.N/OP0=Q B=RR01P0 7.?C0PM.=;=KS，6.7.LM7.?=.K!#)，BM.7；!,LM7.?=.K 37?=7.?C0;08N=.I.801N/S，
3、6.7.LM7.?=.K!#)+，BM.7；,BM.7 A0/P=R LM7.?=.K T17.PM，6.7.LM7.?=.K!#)+，BM.7）5627)517：UO0/=/M0 P=R;0V/S=Q K0=R0/1S R=?0;.K 7.?/M0=1 0QQP0.PS=Q M?.K 7;K=1/MR，R=N/=QPO110./AB NRO;7/=.NSN/0RN P7.=.;S NRO;7/0/M0 R7PM.K 10NO;/N，W/M=O/M0 107;/R0 NRO;7/=.=QR7PM.K 1=P0NN,CM010 710 Q0W 10NO;/N./M0-./01.0/$X7N0?A
4、B NRO;7/=.,C=N=;80/M0 1=X;0RN，Q1N/，/MN701 1=N0N 7/0PM.=;=KP7;71PM/0P/O10=Q 10R=/0 AB NRO;7/=.，WMPM 0R;=SN 2345 7.?6787/=XO;?K0=R0/1S R=?0;7.?P=RRO.P7/=./01Q7P0,L0P=.?;S，/M0 N0P7;9:-./01Q7P0 N P=.N/1OP/0?/=?080;=?S.7RP7;W=1Y 0P0 R=?0;XS P=./1=;.K/M0 9;087/1?.=?0,:/=;Q=1 0V;7.K AB P=?0N NR;0R0./0?/M1=
5、OKM 6787 7;0/，7.?/M0 R0/M=?N=Q=801;7.K PM0PY 710 N0PQ0?,J.7;S，7 10R=/0 ABNRO;7/=.NSN/0R N?080;=0?,89:;)!2：21/O7;R7PM.K；AB 801QP7/=.；B=RO/01 NRO;7/=.；AOR01引言试切法是传统的刀具轨迹验证方法，该方法效率低而成本高。近年来，采用仿真技术实现刀具轨迹验证成为研究热点，并在试切环境的模型化和仿真计算等方面取得了重要的进展。由于仿真技术不需要原材料，校验过程具有敏捷性、直观性和柔性，因而，是提高刀具轨迹验证效率、降低成本的有效途径)。然而，由于计算机技
6、术本身发展的局限，采用计算机仿真方法验证刀具轨迹还存在以下问题。)）由于几何建模的复杂性和消隐算法的低效性，目前已有的系统大多只能实现数控加工结果显示，而在数控加工过程实时仿真和真实感图形显示方面功能还很弱。!）目前较成熟的刀具轨迹仿真系统主要是国外的产品，如 I-B:UZ B:4集成系统中的201PO/刀具轨迹仿真工具。由于商业原因和接口开放性的限制，目前国内还没有掌握这些系统的核心技术。近年来，虚拟现实技术和网络技术取得了飞速发展。由于丰富的视觉效果是虚拟现实技术的一个特点!，因而，将虚拟现实技术应用于数控仿真，有助于解决目前的数控仿真系统所面临的真实感不足的问题。网络技术的发展使基于0X
7、 的数控代码远程校验和资源共享成为可能。本研究就是(!综合应用虚拟现实技术和网络技术，开发一个基于!#的数控铣削仿真系统，实现了基于!#的真实感实时仿真$。!面向远程仿真的系统技术框架远程仿真技术是将计算机仿真与网络技术相结合，使异地仿真与交互成为可能。本研究开发的基于!#的数控过程仿真系统，主要包含静态建模模块，运动建模模块，动态建模模块%，&解释器，交互与反馈模块。目前有一些成熟的$(图形工具能实现静态建模，但却不能支持动态建模，也就是由这些工具建立的模型无法实时修改。另外一些图形软件包，如)*+,-，支持动态建模，但不支持基于网络的实时渲染。从动态性和支持网络两方面考虑，本研究采用虚拟现
8、实建模语言（./01234 534/16 7894/+:-3+:23:，.57-）和外部授权接口（;80/+:?+10 A3B，;=?）实现几何建模模块。.57-是一种描述三维形体和交互环境的文件格式%，事实上，目前已经成为网络图形的标准。.57-提供了 C D E度的自由，可沿着$个方向移动，也可以沿着$个方向旋转，同时还可以建立与其它$(空间的超连接，所以.57-是超空间的。远程数控仿真系统的静态建模，主要涉及到外轮廓形状和光效。为了尽可能减小远程仿真系统的数据量，增加虚拟环境的实时性，将系统中几何模型的外轮廓形状分为两种：圆柱体和长方体。光照模型采用 F134 模型，从而使场景中的物体有
9、金属质感，通过设置各物体的镜面反射和漫反射属性，区分不同材质的金属物体。.57-的主要不足是交互性不强，.57-建立的场景只支持简单的浏览、移动和旋转，这远不能满足数控仿真的要求，尤其是不能满足动态切削仿真的要求。;=?允许.57-世界与网页上其他对象沟通，为弥补这一不足提供了良好的途径。通过;=?建立与虚拟环境之间的交互接口，用户可以通过嵌入!#页面的 G3H3 3*41 来控制虚拟环境中的物体，甚至可以实时改变虚拟环境中物体的外轮廓形状。目前，不同操作系统的&1IB3*8FF2+/B3180 浏览器都支持;=?。考虑到远程数控仿真用户的多样性，远程数控仿真系统必须有面向对象、面向事件、平台
10、独立的特性。本研究的技术框架是采用.57-分别建立静态模型和动态模型，通过;=?接口，采用 G3H3 3*41 构造动态模型的外轮廓函数和&代码解释器；构造虚拟环境物体之间、操作者与虚拟环境之间的通信机制，实现数控加工的远程仿真。面向远程仿真的系统技术框架如图 E 所示。在静态建模部分，为使场景逼真，采用现有的=(系统，如=218=(、$(J129/8 7=K 等软件建立。然后，通过这些系统的开放接口，将模型数据导入.57-场景。运动建模部分主要是刀具模型的建立，采用.57-静态结点建立模型，应用离散插值机制，对于关键时间戳的场景进行实时渲染，场景依据关键帧进行实时更新，从而实现运动建模。动态
11、建模图#面向远程仿真的系统技术框架部分主要是建立外轮廓能实时改变的工件模型，采用.57-动态结点建立。用户在客户端输入&代码，&代码被传入由 G3H3 3*41 构造的&代码解释器，&代码解释器构造运动路径和时间戳，将相应参数传递给G3H3;=?接口，G3H3;=?构造的函数在每一时间戳校验刀具与工件之间的碰撞与干涉，通过实时渲染关键帧实现数控加工过程仿真。$工件动态建模的实现方法由于三轴铣削加工只有毛坯的上表面是加工表面，可以采用四边形网格方法来表达毛坯动态模型，即：将毛坯底面进行离散，以离散点对应的不同高度来表达加工零件的表面形状$。.57-动态结点;4H31/8+,0/9 非常适用于构建
12、工件动态模型。以下是采用;4H31/8+,0/9 结点构造工件模型的编程代码。代码 LEB/490+M J3*M M 3*303+B=*303+BM M 310/34 7310/34M M 9/AA2I8480 LN%OPQ LN%$Q$LN%QEM M I/+/+II LN CQMM P$O!#$%&()*)+,-()./0%1#2+&134 5!#$%&6#7819:;:;:;0?12!:;:9=0?12!:;:A7(1$281#2:9(1$281#2:8#.13*BC=)44 代码:A 结束代码:A 定义了一个底面包含:D:顶点的工件底面，7(1$281#2 定义7方向上的顶点数，7=0
13、?12!定义7方向的顶点间距离，9(1$281#2定义9方向上的顶点数，9=0?12!定义9方向的顶点间距离，E1!E%是一个浮点型数组，按行序排列了一张高度列表，每个值对应网格上的一个顶点。E1!E%是一个一维数组，因为网格划分是采用二维模式，所以，计算某一网格点的高度要进行相应的转换，例如：假定工件在9方向划分为 F-(GH个网格点，则网格点（9，7）在数组中对应的位置是（9F-(GH）I 7，其值为 E1!E%J*1.38 （9F-(GH）I7。代码:A 定义 7 方向顶点间距为:;:，9 方向顶点间距为:;:A。工件采用金属材质光效。工件尚未设置高度。高度设置是根据刀具模型与工件模型之
14、间的干涉情况动态分配。顶点高度的初始值设置为工件模型的原始高度，当刀具模型与工件模型之间检测到干涉时，则设置刀具轮廓范围内顶点的高度为刀刃的高度，从而实现动态铣削模拟。代码:K 是动态设置工件外轮廓的程序。对于代码:K 的解释如图 K 所示。代码:KLM.1?/#13 320$1?N$#3.12!（)/2%）O#&（12%9 P:；9 Q()RGH；9 I I）O#&（12%7 P:；7 Q F-(GH；7 I I）4 4 1O（7 P P:S S 7 P P（F-(GH J A）S S 9 P P:S S 9P P（()RGH J A）4 4 4 E1!E%*1.38 （9F-(GH）I 7
15、P（O.#0%）:；4 4.84 4T T 干涉校验4 1O（UR#81%1#2:）J（77NC#2!）VKI（UR#81%1#2 K）J（99NC#2!）VK Q P（?L%,）VK）4 4 4 4 4 1O（E1!E%*1.38 （9F-(GH）I7W（O.#0%）UR#81%1#2 A）4 4 E1!E%*1.38 （9F-(GH）I7P（O.#0%）UR#81%1#2 A；4 4 4 4.84 4 4 4 4.84 44 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 E1!E%;8%X0.L（E1!E%*1.38）；4 4 代码:K 结束图!干涉校验方法干涉校验方
16、法如图 K 所示，工件底面被离散为网格点，对模型范围内的网格点依次进行校验。首先校验网格点是否在刀具轮廓范围内，判断条件如式（A）。（UR#81%1#2:）J（77NC#2!）KI（UR#81%1#2 K）J（99NC#2!）K&（?L%N,）K（A）UR#81%1#2 数组在刀具运行过程中，动态更新刀具的位置，UR#81%1#2:，UR#81%1#2 A，UR#81 J%1#2 K分别保存刀具中心点的 7，9 位置。式（A）根据网格点与刀具中心在 79平面的距离与刀具半径比较，以确定校验点是否在刀具轮廓范围内，假如在刀具轮廓范围内，则判断网格点的高度值是否大于刀具中心点的高度，判断条件如式（
17、K）。E1!E%*1.38 （9F-(GH）I 7W UR#81 J%1#2 A（K）式（A）、式（K）不同时成立时，不改变当前网格点高度。式（A）、式（K）同时成立时，刀具与工件发生干涉，设置当前网格点高度等于刀具中心高度，实时刷新场景，从而实现外轮廓动态改变。#$%代码解释器的实现方法在数控加工程序中，是用各种准备功能的+指令和辅助功能的 Y 指令来描述工艺过程的各种操作和运动特征的。+指令使机床建立起某种加工方式的指令，如插补、刀具补偿、固定循环等。Y 指令是控制机床开 J 关功能的指令。由于+，Y代码还没有完全标准化，有些国家或公司集团所制定的+，Y代码的功能含义与-=Z标准不完全相同
18、，而且，走刀路径直接由+代码决定，因而，文中只对广泛认可的部分基本+代码的仿真进行了研究。一个完整的加工程序由若干程序段组成，而程序段是由一个或若干字组成，每个字又由字母和数字数据组成（有时还包括代数符号），每一个字母、数字、符号称为字符。程序段格式就是一个序段中字、字符、数据的表现形式。目前广泛应用字 J 地址程序格式：各字的先后排列并不严格，数据的位数可多可少，不需要的字以及与上一程序段相同的续效字可以不写。（下转第 K 页）K（一般可通过数值试验获得）。同时，本文的仿真实例也说明，即使采用同一种方法进行反馈控制同步，如果反馈函数不同，同步质量也可能出现差异。如何改善同步质量，简化同步反馈
19、控制设计过程，是一个值得深入研究的问题。参考文献：!#$%&()*，+#,*)(-./012)(134*53(1312*(536065&7 8.%2063*-9&:3&;#&55&)6，!?（）：A!B A?.A C D EFGHE，$+IE/JD./012)(134*53(1(K 9(66-&)*1L,2&1 2*(53L01*73*-6065&76M631N*53:&(15)(-8.%2063*-#&55&)6 E，A=!，AO（!）：!B!O.P 戴栋，马西奎.基于间隙性参数自适应控制的混沌同步 8.物理学报，A=!，Q=（O）：!APO B!A?=.?魏荣，王行愚.连续时间混沌系统的自
20、适应 CR同步方法 8.物理学报，A=?，QP（!=）：PA 杨保林，杨涛.非自治混沌系统的脉冲同步 8.物理学报，A=，?Q：PA!B PA!?.闵富红，王执铨.关于耦合混沌系统完全同步的参数选择 8.控制理论与应用，A=?，A!（）：PQ B?=.#3MI(1NW31N，#3M831V3*1.+2&65*X3-350(K-31&*)537&L&U&1L&15(1531M(M6-*)N&B 6*-&6065&76 8.EL:*1&6 31$(L&-31N*1L/37M-*53(1，!O，（A）：A B PO.作者简介蒲兴成（!篇。黄席樾（!P B!A标准。本研究实现的数控仿真就是以这一格式为
21、对象的。D,解析过程如图 P 所示。图!#$代码解析过程首先，用户在客户端输入完整的 D,代码，然后 8*:*UU-&5 对于代码进行逐行解析：将字 B 地址格式代码分解成为域名和域值两部分，域名通过特征字识别，作为变量名保留，主要有刀具位置、走刀速度、轨迹特征等域名。域值作为关键字，赋值给域名保存。每一行代码解析结束，与上一行代码作为原始插值点，依据轨迹特征（如：直线走刀），以一定时间片为步长，对走刀轨迹进行插值。启动时间激发器，将不同时间戳的插值离散点传递给刀具位置域，实时更新刀具位置。每一时间戳校验刀具与工件之间的干涉，采用实时渲染技术更新刀具轮廓。一行代码解析完成后，进入下一行代码，重
22、复以上过程，从而实现对所有代码的逐行解析。%结语论文首先对计算机仿真方法验证刀具轨迹存在的问题进行了分析，然后，利用虚拟现实技术和网络技术，开发出了一个基于S&X的数控铣削仿真系统，实现了基于S&X的真实感实时仿真，具有重要的理论与实践指导意义。参考文献：!Z.9(0，I M.,(7UM5*53(1(K*N&(7&5)3 7(L&-(K*7*231&LU*)5 K)(7 356 D,7*231&L U)(N)*76 8.,(7 B UM5&)B E3L<&63N1，!，P!（!）：?=!B?!A.P 陈定方，罗亚波.虚拟设计$.北京：机械工业出版社，A=A.P.P I#M(，&5*-.E1
23、G15&)1&5 B&1*X-&L 37*N&B*1L 7(L&-B X*6&L:3)5M*-7*23131N 6065&7 8.15&)1*53(1*-8(M)1*-(K%)(LM53(19&6&*)2，A=A，?=（!=）：AA B AA.?+,CML6(1，&5*-.B,Y#GTJ：*&-&)*5&L(-363(1L&5&53(1 K()9$#.G1：9$#O/&(1L/07U(63M 7(152&3)5M*-9&*-350$(L&-31N#*1NM*N&，!O.!O B!AP.作者简介周 峰（!OP.!=B），男（汉族），山东人，硕士，讲师，研究方向：计算机网络、虚拟现实、电子商务流系统。宿 超（!O=.A B），男（汉族），山东安丘人，山东广播电视大学工程师，硕士，研究方向：管理科学与工程。刘 敏（!OP.Q B）女（汉族），山东莱芜人，中国网通山东省分公司工程师，工学硕士，研究方向：管理科学与工程。OOA