【正文】 計(jì)技術(shù) 該項(xiàng)技術(shù)主要包括產(chǎn)品開發(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。北京機(jī)械科學(xué)研究院則初步實(shí)現(xiàn)了立體停車庫(kù)的虛擬現(xiàn)實(shí)下的參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以直觀地進(jìn)行車庫(kù)的布局、設(shè)計(jì)、分析和運(yùn)動(dòng)模擬。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。上海同濟(jì)大學(xué)張曙教授提出了分散網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)系統(tǒng)，西安交通大學(xué)謝友柏院士組建了異地網(wǎng)絡(luò)化研究中心。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)。數(shù)控代碼的計(jì)算機(jī)圖形檢驗(yàn)是虛擬加工的前身和基礎(chǔ)，最初的圖形仿真檢驗(yàn)方法是基于APT的刀位描繪程序。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。 虛擬加工一直是國(guó)外CAD/CAM技術(shù)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，Kawabe等人最早利用刀具軌跡，采用邊界表示法來(lái)獲取刀具加工零件的框架圖。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。如：北京北航海爾軟件有限公司的CAXA、廣州紅地技術(shù)有限公司的金銀花系統(tǒng)（金銀花VCNC）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。對(duì)數(shù)控機(jī)床的幾何表示目前還沒(méi)有一個(gè)比較準(zhǔn)確的模型，對(duì)數(shù)控機(jī)床的仿真運(yùn)動(dòng)模型的描述研究更少。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。 （3）加工過(guò)程的圖形仿真及碰撞檢驗(yàn) CAD/CAM/NC系統(tǒng)中的圖形檢驗(yàn)方法根據(jù)NC代碼形成的過(guò)程可以分為三種：編程過(guò)程中的圖形檢驗(yàn)、刀位驅(qū)動(dòng)的切削過(guò)程圖形仿真和NC驅(qū)動(dòng)的加工過(guò)程仿真。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。、研究?jī)?nèi)容及意義 本課題來(lái)源于江蘇省教育廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目(Q2117042) “適應(yīng)性的人機(jī)一體化制造單元計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的研究”（），虛擬加工系統(tǒng)的研制是該項(xiàng)目的重要組成部分。 （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)。二維動(dòng)畫過(guò)程采用了異或動(dòng)畫方法，三維仿真過(guò)程基于OpenGL圖形庫(kù)，運(yùn)用其雙緩存技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。 （5）開發(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。為降低產(chǎn)品制造成本，增加產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，需要對(duì)數(shù)控加工過(guò)程進(jìn)行仿真，以虛擬加工的形式在計(jì)算機(jī)上完成對(duì)數(shù)控程序的檢驗(yàn)，從而替代或減少實(shí)際的試切工作。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。 近年來(lái)，我國(guó)已逐漸成為一個(gè)制造業(yè)大國(guó)，但要成為一個(gè)制造業(yè)強(qiáng)國(guó)，需要不斷提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，更需要培訓(xùn)大量的高素質(zhì)技術(shù)工人。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)科的專業(yè)知識(shí)，而且編程任務(wù)繁重，必須對(duì)整個(gè)開發(fā)過(guò)程進(jìn)行規(guī)范。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法 傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法是面向問(wèn)題處理的過(guò)程。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)不能滿足需要；軟件重用程度很低；軟件維護(hù)困難。它吸取了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的精華，以更接近人們通常思維的方式來(lái)處理問(wèn)題，是一種全新的軟件開發(fā)技術(shù)。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)。 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì) 虛擬加工系統(tǒng)的開發(fā)涉及內(nèi)容廣泛，而且要形成商品化的軟件也需要多年研究成果的積累，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就要考慮到以后的不斷發(fā)展完善。 （2）先進(jìn)性：在系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)采用先進(jìn)的技術(shù)手段，并借鑒現(xiàn)有研究成果。 （4）可移植性：盡量減少對(duì)硬件依賴，采用通用圖形庫(kù)進(jìn)行圖形開發(fā)。 由于本系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)是建立較為完善的虛擬車削加工系統(tǒng)，因此必須具備以下的基本功能： （1）數(shù)控程序編輯功能。 （3）加工過(guò)程仿真功能。 （5）系統(tǒng)幫助功能。對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行分析首先要檢驗(yàn)程序中有無(wú)錯(cuò)誤，這是進(jìn)一步仿真的基礎(chǔ)，也是系統(tǒng)開發(fā)的主要目的之一；對(duì)數(shù)控語(yǔ)言的翻譯是進(jìn)行加工動(dòng)態(tài)仿真的必要條件。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。 主要類 本系統(tǒng)采用VC++，根據(jù)實(shí)際需要選用了單文檔多視圖的框架結(jié)構(gòu)，用VC++的AppWizard生成基本的類框架，然后對(duì)基本類進(jìn)行修改與擴(kuò)充，并自定義了一些類添加到工程中。編輯類能方便進(jìn)行手工數(shù)控編程及對(duì)錯(cuò)誤之處進(jìn)行修改。 (3) 加工環(huán)境類 建立虛擬加工所需要的環(huán)境，根據(jù)仿真模式的選擇，初始化坐標(biāo)系統(tǒng)及毛坯、刀具等相關(guān)信息。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)畫仿真。 (6) 毛坯類 根據(jù)需要設(shè)置毛坯的規(guī)格。 (8) 機(jī)床通信類 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。軟件開發(fā)采用單文檔多視圖方式，借鑒了一些流行軟件的界面風(fēng)格，把客戶區(qū)應(yīng)用窗口分為三部分。圖23系統(tǒng)界面 在完成上述界面過(guò)程中，采用了VC++開發(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。為在程序中加強(qiáng)對(duì)切割欄移動(dòng)和鎖定的控制，設(shè)計(jì)了CLockSplitter類，它派生自CSplitterWnd，并且在類中添加可移欄及鎖欄功能。 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)的線程，同時(shí)進(jìn)程也以主線程的形式被系統(tǒng)調(diào)度。 MFC(Microsoft Foundation Class)將線程分為兩類：用戶界面線程和工作者線程。其實(shí)，應(yīng)用程序的主執(zhí)行線程CWinAPP對(duì)象就是一個(gè)用戶界面線程，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。 多線程程序的每一個(gè)線程間的操作是并行的，各個(gè)線程可以訪問(wèn)進(jìn)程中的公共變量，所以使用多線程的過(guò)程中需要注意的問(wèn)題是如何防止兩個(gè)或兩個(gè)以上的線程同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)數(shù)據(jù)，以免破壞數(shù)據(jù)的完整性。 Windows系統(tǒng)提供的主要同步機(jī)制有[11]： (1) Critical Section(臨界區(qū))。臨界區(qū)對(duì)應(yīng)著一個(gè)CcriticalSection對(duì)象，當(dāng)線程需要訪問(wèn)保護(hù)數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用臨界區(qū)對(duì)象的Lock()成員函數(shù)；當(dāng)對(duì)保護(hù)數(shù)據(jù)的操作完成之后，調(diào)用臨界區(qū)對(duì)象的Unlock()成員函數(shù)釋放對(duì)臨界區(qū)對(duì)象的擁有權(quán)，以使另一個(gè)線程可以?shī)Z取臨界區(qū)對(duì)象并訪問(wèn)受保護(hù)的數(shù)據(jù)。信號(hào)量可以同一時(shí)刻允許多個(gè)線程訪問(wèn)同一個(gè)資源，創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量需要用Csemaphore類聲明一個(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)資源的訪問(wèn)進(jìn)行控制。利用事件對(duì)象的狀態(tài)，控制線程對(duì)共享資源的訪問(wèn)?；コ馀c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。實(shí)現(xiàn)線程間通訊有如下幾種方法[12]： (1) 使用全局變量。 (2) 使用自定義消息。 (3) 使用事件對(duì)象。 本系統(tǒng)的開發(fā)采用了多線程技術(shù)，除主線程外生成另外一個(gè)用戶界面線程，使其與仿真界面窗口關(guān)聯(lián)，完成仿真加工過(guò)程。多線程技術(shù)的采用，不僅使仿真過(guò)程中可以進(jìn)行編輯、通訊等其他操作，而且還將可以對(duì)仿真過(guò)程進(jìn)行控制[13]。 運(yùn)用VC++： （1）一種是直接調(diào)用Windows提供的Win32 API函數(shù)開發(fā)Windows應(yīng)用程序。 由于MFC對(duì)Win32 API編程方式有極好的封裝，再配合Visual C++提供的AppWizard、ClassWizard等工具可以大幅度加快開發(fā)進(jìn)程。 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)通用共享的開放式三維圖形標(biāo)準(zhǔn)。 OpenGL具有七大功能[14]： （1）建模 OpenGL圖形庫(kù)除了提供基本的點(diǎn)、線、多邊形的繪制函數(shù)外，還提供了復(fù)雜的三維物體（球、錐、多面體、茶壺等）以及復(fù)雜曲線和曲面（例如Bezier、Nurbs等曲線或曲面）繪制函數(shù)?；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（又稱正射投影）和透視投影兩種變換。 （3）顏色模式設(shè)置 OpenGL顏色模式有兩種，即RGBA模式和顏色索引。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。 （6）位圖顯示和圖象增強(qiáng) 圖像功能除了基本的拷貝和像素讀寫外，還提供融合、反走樣和霧的特殊圖像效果處理。 （7）雙緩存動(dòng)畫 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、生成畫面，前臺(tái)緩存顯示后臺(tái)緩存已畫好的畫面。 MFC模式下OpenGL編程關(guān)鍵技術(shù) OpenGL的繪圖方式與Windows的一般繪圖方式是不同的，它用繪制描述表(RC)繪圖，而且要使用特殊的象素格式，因此運(yùn)用VC++的MFC模式進(jìn)行OpenGL編程需要通過(guò)特定的方式實(shí)現(xiàn)[15]： （1）設(shè)置窗口屬性和風(fēng)格 在窗口PreCreateWindows()函數(shù)中添加： |=WS_CLIPCHILDREN | WS_CLIPSIBLINGS。 （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 }。 pixelformat = ::ChoosePixelFormat(m_pDCGetSafeHdc(), amp。//選擇像素格式 ::SetPixelFormat(m_pDCGetSafeHdc(), pixelformat, amp。 //設(shè)置像素格式 （3）將獲得的設(shè)備描述表DC與OpenGL繪制描述表RC聯(lián)系起來(lái) 通過(guò)以下函數(shù)完成操作： wglCreateContent()； wglMakeCurrent()； （4）改造OnSize函數(shù) 當(dāng)視圖尺寸變化時(shí)，應(yīng)及時(shí)將新的客戶區(qū)尺寸通知OpenGL，才能正確在窗口客戶區(qū)顯示場(chǎng)景，通過(guò)glViewPort()完成這些工作。 ReleaseDC()。 系統(tǒng)幫助的開發(fā) 常見(jiàn)的軟件幫助系統(tǒng)有兩種：WinHelp和HTML Help[16]。 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。HTML Help基于HTML網(wǎng)頁(yè)技術(shù)，使用Microsoft Internet Explorer部件顯示幫助內(nèi)容，支持HTML，ActiveX，Java程序和HTML格式圖像，功能非常強(qiáng)大。 (2) 使用HTML Help Workshop創(chuàng)建工程文件。 (4) 創(chuàng)建索引文件。 (6) 調(diào)用幫助文件： if(!HtmlHelp(GetSafeHwnd(), , HH_DISPLAY_TOC, NULL)) MessageBox(找不到幫助文件!)。 本章小結(jié) 本章介紹系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。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。本章借鑒一般計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編譯技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)控代碼翻譯器功能。程序段格式是程序段書寫的規(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。 下面是一個(gè)程序段的例子： N3 G00 X10 Z10