面向异地制造的数控加工集成环境研究与开发

王秋菊

（大连职业技术学院，辽宁 大连 116037）

随着数控（NC）技术的发展，微机性能的不断提升，CAD/CAM软件不断涌现，如PROE，CAXA，CATIA，UG则为其中的佼佼者。这些软件功能十分强大，集产品造型、NC程序编制、零件加工过程三维动态仿真、力学分析于一身，在现在制造企业中应用十分广泛，发挥了巨大的作用。但是对于一些中小企业而言，这些优秀的软件大多价格昂贵，对硬件要求较高，操作复杂，而且一般要经过二次开发，对使用者提出了很高的要求。所以，一些中小企业提出符合自身情况的CAD/CAM一体化解决方案。本文结合某工厂异地制造中的CAD/CAM一体化需求，提出了一种切实可行的集成方案，并研制开发了数控加工集成环境系统。

1 功能需求分析

由于一些企业规模以及技术能力的限制，没有像PROE一类的CAD/CAM软件，没有专门的CAD/CAM人才，甚至连编写NC程序的人员都很缺乏，需要利用其他企业（或技术中心）技术优势，通过网络或异地制造的方式参与市场竞争。企业间交流时，需要浏览零件3D图形、以此检验待加工件设计图是否符合要求，对NC代码进行校验以保证NC代码的正确性，以及把NC代码正确、方便地输送到数控加工设备。其异地制造策略如图1所示。

图1 异地制造策略

将本地需要加工的零件信息，通过Internet传给异地制造技术中心，异地制造技术中心编制数控加工代码，再通过Internet传回。本地通过NC加工集成环境中的NC代码仿真模块，对NC代码进行校验，通过浏览器确认后，传输到NC加工设备进行实际加工。

2 系统结构框架

从以上分析可以看出，系统的功能至少要包括：零件图预览、NC代码校验和代码传输共3个功能模块。结合现有的计算机与网络技术，笔者提出如下设计思路。

将计算机仿真技术与OpenGL 3D动画技术相结合，以零件描述文件浏览器为基础，以NC机床刀具中心（简称刀心）轨迹的仿真器为中心，结合Win32多线程以及串口通信技术建立数控加工集成环境。

数控加工集成环境的设计，主要解决信息集成和界面集成。信息集成，主要是指集成环境中3个系统之间的信息能互相利用与共享。界面集成主要是为用户提供一个高效、友好、简洁的集成用户界面，充分发挥软件的功能[1]。在设计时对集成环境系统进行功能分解，通过定义统一的数据格式，利用接口文件实现信息的传输，从而达到信息的集成。

集成界面应该包括下列功能：菜单驱动和管理窗口功能及其管理图形显示、文件操作与管理、在线帮助（包括提示信息、错误警告信息、容错处理等）及接口程序。本文研究的数控加工集成环境集成了零件模型的3D动态交互浏览、加工零件NC代码的刀具轨迹的包络面仿真、以及加工零件NC代码的传输与控制。系统总体结构框架如图2所示。

图2 系统结构框架

3 集成环境详细设计

集成环境并不是所有模块的简单组合。在集成软件设计时，应该考虑如下几个方面：

（1）软件系统的人性化。就是说软件必须尽可能地与人们的思维习惯保持一致、直观、易于理解、人机交互部分易于操作等。菜单的设计要有层次性，但最终命令子菜单不宜过深，以免影响了易操作性。图标设计形象，易于理解，并尽可能地给出提示，位置的摆放要遵循一定的顺序，如从上到下，从左到右等。

（2）设计时必须搞清楚各模块间信息流动、逻辑关系，以及各模块的输入输出。其中，信息流动的载体，可以是文件，也可以是结构变量，这个载体必须能很容易地被各模块，甚至其他软件系统所接受，这样才能扩展了自身的应用范围和实用性。

（3）VRML（Virtual Reality Modeling Language）—虚拟现实建模语言，被广泛地应用于Internet上创建虚拟的三维空间，可以创建虚拟的三维物体，还可以创建具有和浏览者的交互性更接近于现实世界的虚拟空间。VRML文件是虚拟三维空间的文本描述[2]，后缀为WRL。PROE等大型CAD/CAM软件均支持VRML文件。所以VRML文件适合做文件接口。另外3DS文件是一种非常普遍的数据格式，以3DS格式保存的三维图形文件非常丰富，而且有非常丰富的3DS文件库，所以也可以作为文件接口。

基于以上原则建立的系统的流程如图3所示。

图3 系统工作流程图

4 集成环境的现实

（1）VRML文件浏览器。基于OpenGL建立系统的三维真实感图形浏览器，它包括3个组件：语法分析器，场景图，高真感图形呈现。3DS文件浏览器与VRML相似，其概念模型如图4所示。

语法分析器负责读取VRML文件，并将节点的信息保存到图元信息中，以便于场景图使用。场景图包括一个执行引擎，其作用是建立显示列表，将图元信息通过列表管理、并且通过层次转换修改图元中的信息。高真感图形呈现主要是将处理后的图元信息呈现出来，并且根据其图元中或用户自定义的光照、材质、纹理信息生成真实感三维图形。

图4 VRML文件浏览器概念模型图

（2）NC代码刀具轨迹仿真器。NC代码刀具轨迹仿真器，包括3个部分：语法分析器，轨迹生成器与动画生成。

语法分析器，主要是分析NC代码，构造符号表和变量表，为轨迹生成器提供必要的输入。轨迹生成器构造轨迹链表加入节点。动画生成通过构造显示链表，用OpenGL命令备都提供RS-232串口通信功能。利用Win32 API提供的串口操作函数CreateFile（）打开并设置串行口，再用WriteFile（）把要传输的NC代码段写到串行口，即可以很方便地实现代码传输。为了更好的控制传输的行为，采用了Windows多线程技术，创建用户界面线程、串行口监视线程和代码传输线程，分别实现用户终止传输命令，串行口状态显示，传输进度显示；向用户界面返回串行口状态，代码传输和向用户界面返回传输进度等。

5 集成环境的界面设计

利用VC++6.0 AppWizard建立SDI工程框架，应用了静态切分窗口，用到了3个视图：NC代码视图，文件列表视图和3D场景显示视图（如图5），分别负责NC代码、文件和刀心轨迹包络面及零件模型的显示与交互命令的解释。为了能更好地观察零件模型和刀心轨迹包络面，可以对其余两个视图进行消隐，并进行全屏显示效果。

图5 数控加工集成环境界

6 结束语

本文开发的数控加工集成环境，用NC代码刀心轨迹包络面仿真实现代码正确性检验。利用的VRML、3DS等文件格式进行数据交换，减少了对PROE等大型软件的依赖，增加了灵活性。利用Win32提供的串口操作函数，完成了PC向NC加工设备的数据传输，通过错误校验、人机交互控制、状态显示和Win32多线程技术，增加了集成系统的可靠性，而且界面友好、易操作。该软件解决了企业异地制造中零件图3D交互式浏览、NC代码仿真验证、RS-232串口传输控制、数据共享和交换等问题，并在企业获得了成功的应用。

[1]张 洁，顾 健，刘延山，蔡 兰.FMS集成开发环境的研究[J].江苏理工大学学报，1997，（5）：74-77.

[2]阳化冰，刘忠丽，刘忠轩，王庆华.虚拟现实构造语言VRML[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.