【正文】 國(guó)VM技術(shù)的研究水平基本上代表了國(guó)際VM發(fā)展水平，已經(jīng)形成由政府、產(chǎn)業(yè)界、大學(xué)組成的多層次、多方位綜合研究開(kāi)發(fā)力量。 同國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)虛擬制造技術(shù)的研究還有一定的差距，但已經(jīng)引起我國(guó)科技工作者的高度重視。這些技術(shù)構(gòu)成了虛擬制造的技術(shù)基礎(chǔ)。 （2）產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)技術(shù) 該項(xiàng)技術(shù)主要包括產(chǎn)品開(kāi)發(fā)平臺(tái)、虛擬測(cè)試、虛擬裝配及機(jī)床、模具的虛擬設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)等。北航、沈陽(yáng)鑄造研究所、合肥工大、東北大學(xué)、上海交大等單位都在從事這方面仿真軟件的研制。上海交通大學(xué)提出了基于界面層、控制層、應(yīng)用層、活動(dòng)層、數(shù)據(jù)層5層協(xié)議的VM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。到了80年代，實(shí)體造型技術(shù)帶來(lái)了CAD/CAM/NC技術(shù)的突破，從而可以建立其有效真實(shí)的加工模擬和NC程序驗(yàn)證模型。隨著虛擬加工技術(shù)的日臻成熟，目前國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了一批具有仿真加工模塊的三維CAD/CAM軟件系統(tǒng)，達(dá)到實(shí)用化、商品化的階段，如：Pro/E、UG等。建立零件幾何模型一般以CSG和Brep表示或兩者混合表示為基礎(chǔ)，建模方法有平掃法、回轉(zhuǎn)法、特征造型和參數(shù)化造型等方法。而后的譯碼工作通常有兩種方式：一種是“解釋”方式，另一種是“編譯”方式，前者邊解釋邊執(zhí)行，后者需要先把數(shù)控程序翻譯成目標(biāo)程序再執(zhí)行。目前的仿真方法主要基于幾何模型，物理仿真多采用試驗(yàn)建模和理論建模相結(jié)合的方法進(jìn)行，研究重點(diǎn)多在刀具變形、切削力預(yù)測(cè)等方面，由于對(duì)很多與加工過(guò)程密切相關(guān)的物理現(xiàn)象缺乏有效處理手段，所以實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程在計(jì)算機(jī)上的較真實(shí)地再現(xiàn)仍很困難。 （2）分析數(shù)控語(yǔ)言結(jié)構(gòu)，借鑒一般計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言編譯技術(shù)，對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行詞法分析、語(yǔ)法分析、語(yǔ)義分析，系統(tǒng)地完成對(duì)數(shù)控代碼錯(cuò)誤的檢驗(yàn)。 （5）開(kāi)發(fā)了幫助模塊，對(duì)該系統(tǒng)現(xiàn)有功能和使用方法做出說(shuō)明。在數(shù)控機(jī)床課程的教學(xué)中，僅靠傳統(tǒng)理論教學(xué)手段學(xué)生難以理解數(shù)控程序指令，但由于購(gòu)買(mǎi)數(shù)控機(jī)床需要大量資金，且占用場(chǎng)地大，使用費(fèi)用高，給眾多院校的數(shù)控教學(xué)帶來(lái)困難。第2章 系統(tǒng)總體框架 虛擬加工系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)涉及到多個(gè)學(xué)科的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，而且編程任務(wù)繁重，必須對(duì)整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行規(guī)范。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法存在著以下問(wèn)題：生產(chǎn)率提高的幅度遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足需要；軟件重用程度很低；軟件維護(hù)困難。它把客觀實(shí)體的功能及其使用的數(shù)據(jù)封裝起來(lái)搭建系統(tǒng)，使軟件重用性易于實(shí)現(xiàn)。 （2）先進(jìn)性：在系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)采用先進(jìn)的技術(shù)手段，并借鑒現(xiàn)有研究成果。 由于本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)目標(biāo)是建立較為完善的虛擬車(chē)削加工系統(tǒng)，因此必須具備以下的基本功能： （1）數(shù)控程序編輯功能。 （5）系統(tǒng)幫助功能。機(jī)床通信功能是為了把通過(guò)仿真檢驗(yàn)的數(shù)控程序直接傳輸給數(shù)控機(jī)床，是系統(tǒng)面向?qū)嶋H應(yīng)用的手段之一，本系統(tǒng)采用了廣泛使用的串口通信方式。編輯類(lèi)能方便進(jìn)行手工數(shù)控編程及對(duì)錯(cuò)誤之處進(jìn)行修改。首先要構(gòu)建數(shù)控程序執(zhí)行機(jī)制，從數(shù)控程序中提取指令及相應(yīng)參數(shù)，然后實(shí)時(shí)改變毛坯模型，分別實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的二維和三維動(dòng)畫(huà)仿真。 (8) 機(jī)床通信類(lèi) 實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床的串口通信功能，把經(jīng)過(guò)仿真檢驗(yàn)的數(shù)控程序傳輸?shù)綌?shù)控機(jī)床上，從而實(shí)現(xiàn)與實(shí)際加工系統(tǒng)的集成。圖23系統(tǒng)界面 在完成上述界面過(guò)程中，采用了VC++開(kāi)發(fā)中的單文檔多視圖方式，對(duì)默認(rèn)視圖進(jìn)行了多次切割。 其中的每一個(gè)應(yīng)用程序都是一個(gè)進(jìn)程，進(jìn)程可以創(chuàng)建多個(gè)并發(fā)的線(xiàn)程，同時(shí)進(jìn)程也以主線(xiàn)程的形式被系統(tǒng)調(diào)度。其實(shí)，應(yīng)用程序的主執(zhí)行線(xiàn)程CWinAPP對(duì)象就是一個(gè)用戶(hù)界面線(xiàn)程，當(dāng)應(yīng)用程序啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)創(chuàng)建和啟動(dòng)，同樣它的終止也意味著該程序的結(jié)束，進(jìn)程終止。 Windows系統(tǒng)提供的主要同步機(jī)制有[11]： (1) Critical Section(臨界區(qū))。信號(hào)量可以同一時(shí)刻允許多個(gè)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)同一個(gè)資源，創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量需要用Csemaphore類(lèi)聲明一個(gè)對(duì)象，一旦創(chuàng)建了一個(gè)信號(hào)量對(duì)象，就可以用它來(lái)對(duì)資源的訪(fǎng)問(wèn)進(jìn)行控制。互斥與臨界區(qū)很相似，但是使用時(shí)相對(duì)復(fù)雜一些，它不僅可以在同一應(yīng)用程序的線(xiàn)程間實(shí)現(xiàn)同步，還可以在不同的進(jìn)程間實(shí)現(xiàn)同步，從而實(shí)現(xiàn)資源的安全共享。 (2) 使用自定義消息。 本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)采用了多線(xiàn)程技術(shù)，除主線(xiàn)程外生成另外一個(gè)用戶(hù)界面線(xiàn)程，使其與仿真界面窗口關(guān)聯(lián)，完成仿真加工過(guò)程。 運(yùn)用VC++： （1）一種是直接調(diào)用Windows提供的Win32 API函數(shù)開(kāi)發(fā)Windows應(yīng)用程序。 OpenGL簡(jiǎn)介 OpenGL是近幾年發(fā)展起來(lái)的一個(gè)性能卓越的三維圖形標(biāo)準(zhǔn)，它是在SGI等多家世界聞名的計(jì)算機(jī)公司的倡導(dǎo)下，以SGI的GL三維圖形庫(kù)為基礎(chǔ)制定的一個(gè)通用共享的開(kāi)放式三維圖形標(biāo)準(zhǔn)?；咀儞Q有平移、旋轉(zhuǎn)、變比、鏡像四種變換，投影變換有平行投影（又稱(chēng)正射投影）和透視投影兩種變換。場(chǎng)景中物體最終反映到人眼的顏色是光的紅綠藍(lán)分量與材質(zhì)紅綠藍(lán)分量的反射率相乘后形成的顏色。 （7）雙緩存動(dòng)畫(huà) 雙緩存即前臺(tái)緩存和后臺(tái)緩存，簡(jiǎn)而言之，后臺(tái)緩存計(jì)算場(chǎng)景、生成畫(huà)面，前臺(tái)緩存顯示后臺(tái)緩存已畫(huà)好的畫(huà)面。 （2）設(shè)置象素格式 PIXELFORMATDESCRIPTOR pfd = { sizeof(PIXELFORMATDESCRIPTOR), // pfd結(jié)構(gòu)的大小 1, // 版本號(hào) PFD_DRAW_TO_WINDOW | // 支持在窗口中繪圖 PFD_SUPPORT_OPENGL | // 支持 OpenGL PFD_DOUBLEBUFFER, // 雙緩存模式 PFD_TYPE_RGBA, // RGBA 顏色模式 24, // 24 位顏色深度 0, 0, 0, 0, 0, 0, // 忽略顏色位 0, // 沒(méi)有非透明度緩存 0, // 忽略移位位 0, // 無(wú)累加緩存 0, 0, 0, 0, // 忽略累加位 32, // 32 位深度緩存 0, // 無(wú)模板緩存 0, // 無(wú)輔助緩存 PFD_MAIN_PLANE, // 主層 0, // 保留 0, 0, 0 // 忽略層,可見(jiàn)性和損毀掩模 }。//選擇像素格式 ::SetPixelFormat(m_pDCGetSafeHdc(), pixelformat, amp。 ReleaseDC()。 在Windows98以后，Windows應(yīng)用程序的幫助系統(tǒng)已經(jīng)從Winhelp轉(zhuǎn)向基于HTML網(wǎng)頁(yè)的HTML Help。 (2) 使用HTML Help Workshop創(chuàng)建工程文件。 (6) 調(diào)用幫助文件： if(!HtmlHelp(GetSafeHwnd(), , HH_DISPLAY_TOC, NULL)) MessageBox(找不到幫助文件!)。第3章 數(shù)控代碼分析 對(duì)于虛擬數(shù)控加工系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，數(shù)控程序的編制關(guān)系到能否是得到正確的仿真結(jié)果。程序段格式是程序段書(shū)寫(xiě)的規(guī)則，分固定程序段格式和可變程序段格式，可變程序段格式又可分為使用地址符的可變程序段格式和使用分隔符的可變程序段格式。如：N008就表示該程序段的標(biāo)號(hào)為008。主體部分規(guī)定了一段完整的加工過(guò)程，由一個(gè)以上功能字組成，包含了各種控制信息和數(shù)據(jù)。 （2）坐標(biāo)字 坐標(biāo)字由坐標(biāo)名、帶＋、－符號(hào)的絕對(duì)坐標(biāo)值（或增量坐標(biāo)值）構(gòu)成。 （4）主軸轉(zhuǎn)速功能字(S字) S字用來(lái)規(guī)定主軸轉(zhuǎn)速，它由S字母后面的若干位數(shù)字組成，這個(gè)值就是主軸的轉(zhuǎn)速值，單位r/min。 數(shù)控代碼的特點(diǎn) 目前幾乎各個(gè)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家都有自己的一套數(shù)控代碼系統(tǒng)，與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有些出入，造成數(shù)控編程方法的多樣性，但經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)有以下共同特點(diǎn)： （1）數(shù)控程序語(yǔ)法規(guī)則簡(jiǎn)單，數(shù)量較少。 數(shù)控程序翻譯 NC代碼翻譯器的主要工作概況起來(lái)有兩個(gè)[19]：檢錯(cuò)和翻譯。編譯過(guò)程一般包括：詞法分析、語(yǔ)法分析、語(yǔ)義分析及中間代碼生成、代碼優(yōu)化、目標(biāo)代碼生成。但我們認(rèn)為由于數(shù)控語(yǔ)言語(yǔ)法規(guī)則簡(jiǎn)單，在同樣引入編譯技術(shù)的情況下直接使用高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)詞法檢查和語(yǔ)法檢查等處理程序，同樣達(dá)到系統(tǒng)檢驗(yàn)數(shù)控程序的目的，而且便于系統(tǒng)的集成，更具有實(shí)用性。 單詞符號(hào)是一種語(yǔ)言中的基本語(yǔ)法單位，在本模塊開(kāi)發(fā)時(shí)由于只選用了FANUC0TD數(shù)控系統(tǒng)機(jī)床主要編程指令集，所以其單詞符號(hào)比較簡(jiǎn)單，現(xiàn)將其歸為三類(lèi)： ①基本字符：程序中允許出現(xiàn)的功能字字符，如G、X、Z、U、W等。單詞自身的值也是語(yǔ)法分析所需要的信息，這里采用了字符本身ASCII碼值來(lái)表示。 F|G|I|K|M|N|P|R|S|T|U|W|X|Z 整常數(shù)： NUM224。第二種方法是利用詞法分析程序的自動(dòng)生成工具LEX自動(dòng)生成詞法分析程序。程序開(kāi)發(fā)時(shí)需要首先列出數(shù)控語(yǔ)言所有單詞符號(hào)及它們種別碼對(duì)照表，對(duì)復(fù)雜單詞符號(hào)，用正規(guī)式表示，按上述流程進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 對(duì)初態(tài)執(zhí)行確定化算法，得到如圖34所示的DFA狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。 %letter 。語(yǔ)法分析方法的分類(lèi)如下[22]：語(yǔ)法分析方法自上而下分析法自下而上分析法確定的自上而下分析法非確定自上而下分析法算符優(yōu)先分析法LR分析法遞歸下降分析法預(yù)測(cè)分析法LR(0)分析法SLR(1)分析法LR(1)分析法LALR(1)分析法 在自上而下分析過(guò)程中，為了避免回溯，要求描述語(yǔ)言的文法是LL(1)文法。根據(jù)此規(guī)則可以判斷數(shù)控語(yǔ)言文法是LL(1)文法，故可采用自頂向下的遞歸下降分析法實(shí)現(xiàn)語(yǔ)法分析程序。程序名程序體 程序名224。NNUM 段內(nèi)容224。SNUM M字224。實(shí)現(xiàn)時(shí)首先畫(huà)出了語(yǔ)法分析中逐步細(xì)化的流程圖（詳見(jiàn)圖38至圖316），然后采用C++語(yǔ)言寫(xiě)出語(yǔ)法分析程序。 違反了CNC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)約定，例如設(shè)計(jì)時(shí)約定一個(gè)數(shù)控加工程序段中一次最多只能編入三個(gè)M代碼，但在實(shí)際編程時(shí)編入了四個(gè)甚至更多個(gè)M代碼是不允許的。在一個(gè)完整的數(shù)控程序中G代碼是數(shù)控代碼中最重要的代碼，幾乎控制了數(shù)控機(jī)床所有的功能和中原設(shè)置，必須對(duì)其進(jìn)行合理、有效的處理。i++) //對(duì)二維數(shù)組分行處理。 //M指令 float Xnum。 //K值 float Pnum。 //刀具號(hào) }Rundata。目前對(duì)加工過(guò)程的仿真包括幾何仿真和物理仿真，幾何仿真以建立刀具和工件幾何模型為基礎(chǔ)，用以驗(yàn)證數(shù)控代碼的正確性，物理仿真由于影響因素復(fù)雜而難于實(shí)現(xiàn)。虛擬加工系統(tǒng)的主要功能就是實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)圖形仿真，從而驗(yàn)證數(shù)控程序的加工效果，因而需要選用合適的幾何建模方法。利用這種方法實(shí)現(xiàn)實(shí)體建模的過(guò)程就是集合運(yùn)算的過(guò)程，這一過(guò)程可以形象地用一顆二叉樹(shù)－CSG樹(shù)表示。其中幾何信息是物體幾何元素的尺寸數(shù)據(jù)，拓?fù)湫畔⒅肝矬w上頂點(diǎn)、棱邊、表面間的連接關(guān)系。分解表示的一種特殊形式是每一個(gè)小的部分都是一種固定形狀(正方形、立方體等)的單元，形體被分解成這些分布在空間網(wǎng)格位置上的具有鄰接關(guān)系的固定形狀單元的集合，單元的大小決定了單元分解形式的精度。 基于圖像空間建模 圖像空間建模方法是使用類(lèi)似圖形消隱的Zbuffer，將工件和刀具按屏幕的象素離散為Zbuffer結(jié)構(gòu)，切削過(guò)程簡(jiǎn)化為沿視線(xiàn)方向的一維布爾運(yùn)算。 離散矢量建模 由于實(shí)體建模方法需要大量的布爾運(yùn)算，而基于圖像空間的方法無(wú)法對(duì)加工進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、放縮等操作也無(wú)法進(jìn)行精確的誤差檢驗(yàn)。這樣重復(fù)直到刀具切削加工完成，通過(guò)離散點(diǎn)的矢量值不斷減少來(lái)模擬仿真加工過(guò)程中刀具切削毛坯體的材料去除過(guò)程。從應(yīng)用來(lái)看，離散矢量建模方法主要用于曲面加工的誤差檢測(cè)。 本系統(tǒng)中的三維車(chē)削加工仿真部分采用了簡(jiǎn)化的單元分解法進(jìn)行三維實(shí)體建模，并對(duì)顯示算法進(jìn)行了改進(jìn)，大大降低了計(jì)算量，后面將詳細(xì)介紹。脈沖增量插補(bǔ)的特點(diǎn)是每次插補(bǔ)結(jié)束只產(chǎn)生一個(gè)行程增量，以一個(gè)個(gè)脈沖的方式輸出給步進(jìn)電機(jī)。下面詳細(xì)介紹本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中使用的逐點(diǎn)比較法。 XY0.圖42直線(xiàn)方程（1）偏差判別： 若點(diǎn)正好處在直線(xiàn)上，則有，即 若點(diǎn)位于直線(xiàn)上方，有： 若點(diǎn)位于直線(xiàn)下方，有： 設(shè)則有：時(shí)，點(diǎn)在直線(xiàn)上；時(shí)點(diǎn)在直線(xiàn)上方；時(shí)點(diǎn)在直線(xiàn)下方。（3）偏差計(jì)算： 為避免繁雜的計(jì)算，在插補(bǔ)運(yùn)算的新偏差計(jì)算中，通常采用遞推公式進(jìn)行。 如圖44所示，設(shè)弧是要加工的第一象限逆圓，為圓弧起點(diǎn)，為圓弧終點(diǎn)，為加工動(dòng)點(diǎn)。 根據(jù)上述圓弧插補(bǔ)原理，可以得到第一象限逐點(diǎn)比較法逆圓弧插補(bǔ)流程圖（見(jiàn)圖45）：YN初始化，F(xiàn)=0，求出總步長(zhǎng)B－X方向進(jìn)給+Y方向進(jìn)給YB＝0 結(jié)束N開(kāi)始圖45第一象限圓弧插補(bǔ)流程 前面討論了逐點(diǎn)比較法在第一象限進(jìn)行直線(xiàn)插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)的算法，由此可推廣可得出其他象限的直線(xiàn)和不同象限、不同走向的圓弧插補(bǔ)計(jì)算公式和進(jìn)給方向，在此不再詳述。 在虛擬加工系統(tǒng)中利用上述插補(bǔ)算法得到的數(shù)據(jù)控制刀具運(yùn)動(dòng)和毛坯的切除，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程的仿真。GDI通過(guò)設(shè)備描述表（DC）來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的無(wú)關(guān)性，DC實(shí)際上是一個(gè)關(guān)于如何繪制圖形的集合，不僅可以繪制各種圖形，而且還可以確定在應(yīng)用窗口中繪制圖形