面向異地制造的數控加工集成環境研究與開發

王秋菊

（大連職業技術學院，遼寧 大連 116037）

隨著數控（NC）技術的發展，微機性能的不斷提升，CAD/CAM軟件不斷涌現，如PROE，CAXA，CATIA，UG則為其中的佼佼者。這些軟件功能十分強大，集產品造型、NC程序編制、零件加工過程三維動態仿真、力學分析于一身，在現在制造企業中應用十分廣泛，發揮了巨大的作用。但是對于一些中小企業而言，這些優秀的軟件大多價格昂貴，對硬件要求較高，操作復雜，而且一般要經過二次開發，對使用者提出了很高的要求。所以，一些中小企業提出符合自身情況的CAD/CAM一體化解決方案。本文結合某工廠異地制造中的CAD/CAM一體化需求，提出了一種切實可行的集成方案，并研制開發了數控加工集成環境系統。

1 功能需求分析

由于一些企業規模以及技術能力的限制，沒有像PROE一類的CAD/CAM軟件，沒有專門的CAD/CAM人才，甚至連編寫NC程序的人員都很缺乏，需要利用其他企業（或技術中心）技術優勢，通過網絡或異地制造的方式參與市場競爭。企業間交流時，需要瀏覽零件3D圖形、以此檢驗待加工件設計圖是否符合要求，對NC代碼進行校驗以保證NC代碼的正確性，以及把NC代碼正確、方便地輸送到數控加工設備。其異地制造策略如圖1所示。

圖1 異地制造策略

將本地需要加工的零件信息，通過Internet傳給異地制造技術中心，異地制造技術中心編制數控加工代碼，再通過Internet傳回。本地通過NC加工集成環境中的NC代碼仿真模塊，對NC代碼進行校驗，通過瀏覽器確認后，傳輸到NC加工設備進行實際加工。

2 系統結構框架

從以上分析可以看出，系統的功能至少要包括：零件圖預覽、NC代碼校驗和代碼傳輸共3個功能模塊。結合現有的計算機與網絡技術，筆者提出如下設計思路。

將計算機仿真技術與OpenGL 3D動畫技術相結合，以零件描述文件瀏覽器為基礎，以NC機床刀具中心（簡稱刀心）軌跡的仿真器為中心，結合Win32多線程以及串口通信技術建立數控加工集成環境。

數控加工集成環境的設計，主要解決信息集成和界面集成。信息集成，主要是指集成環境中3個系統之間的信息能互相利用與共享。界面集成主要是為用戶提供一個高效、友好、簡潔的集成用戶界面，充分發揮軟件的功能[1]。在設計時對集成環境系統進行功能分解，通過定義統一的數據格式，利用接口文件實現信息的傳輸，從而達到信息的集成。

集成界面應該包括下列功能：菜單驅動和管理窗口功能及其管理圖形顯示、文件操作與管理、在線幫助（包括提示信息、錯誤警告信息、容錯處理等）及接口程序。本文研究的數控加工集成環境集成了零件模型的3D動態交互瀏覽、加工零件NC代碼的刀具軌跡的包絡面仿真、以及加工零件NC代碼的傳輸與控制。系統總體結構框架如圖2所示。

圖2 系統結構框架

3 集成環境詳細設計

集成環境并不是所有模塊的簡單組合。在集成軟件設計時，應該考慮如下幾個方面：

（1）軟件系統的人性化。就是說軟件必須盡可能地與人們的思維習慣保持一致、直觀、易于理解、人機交互部分易于操作等。菜單的設計要有層次性，但最終命令子菜單不宜過深，以免影響了易操作性。圖標設計形象，易于理解，并盡可能地給出提示，位置的擺放要遵循一定的順序，如從上到下，從左到右等。

（2）設計時必須搞清楚各模塊間信息流動、邏輯關系，以及各模塊的輸入輸出。其中，信息流動的載體，可以是文件，也可以是結構變量，這個載體必須能很容易地被各模塊，甚至其他軟件系統所接受，這樣才能擴展了自身的應用范圍和實用性。

（3）VRML（Virtual Reality Modeling Language）—虛擬現實建模語言，被廣泛地應用于Internet上創建虛擬的三維空間，可以創建虛擬的三維物體，還可以創建具有和瀏覽者的交互性更接近于現實世界的虛擬空間。VRML文件是虛擬三維空間的文本描述[2]，后綴為WRL。PROE等大型CAD/CAM軟件均支持VRML文件。所以VRML文件適合做文件接口。另外3DS文件是一種非常普遍的數據格式，以3DS格式保存的三維圖形文件非常豐富，而且有非常豐富的3DS文件庫，所以也可以作為文件接口。

基于以上原則建立的系統的流程如圖3所示。

圖3 系統工作流程圖

4 集成環境的現實

（1）VRML文件瀏覽器。基于OpenGL建立系統的三維真實感圖形瀏覽器，它包括3個組件：語法分析器，場景圖，高真感圖形呈現。3DS文件瀏覽器與VRML相似，其概念模型如圖4所示。

語法分析器負責讀取VRML文件，并將節點的信息保存到圖元信息中，以便于場景圖使用。場景圖包括一個執行引擎，其作用是建立顯示列表，將圖元信息通過列表管理、并且通過層次轉換修改圖元中的信息。高真感圖形呈現主要是將處理后的圖元信息呈現出來，并且根據其圖元中或用戶自定義的光照、材質、紋理信息生成真實感三維圖形。

圖4 VRML文件瀏覽器概念模型圖

（2）NC代碼刀具軌跡仿真器。NC代碼刀具軌跡仿真器，包括3個部分：語法分析器，軌跡生成器與動畫生成。

語法分析器，主要是分析NC代碼，構造符號表和變量表，為軌跡生成器提供必要的輸入。軌跡生成器構造軌跡鏈表加入節點。動畫生成通過構造顯示鏈表，用OpenGL命令備都提供RS-232串口通信功能。利用Win32 API提供的串口操作函數CreateFile（）打開并設置串行口，再用WriteFile（）把要傳輸的NC代碼段寫到串行口，即可以很方便地實現代碼傳輸。為了更好的控制傳輸的行為，采用了Windows多線程技術，創建用戶界面線程、串行口監視線程和代碼傳輸線程，分別實現用戶終止傳輸命令，串行口狀態顯示，傳輸進度顯示；向用戶界面返回串行口狀態，代碼傳輸和向用戶界面返回傳輸進度等。

5 集成環境的界面設計

利用VC++6.0 AppWizard建立SDI工程框架，應用了靜態切分窗口，用到了3個視圖：NC代碼視圖，文件列表視圖和3D場景顯示視圖（如圖5），分別負責NC代碼、文件和刀心軌跡包絡面及零件模型的顯示與交互命令的解釋。為了能更好地觀察零件模型和刀心軌跡包絡面，可以對其余兩個視圖進行消隱，并進行全屏顯示效果。

圖5 數控加工集成環境界

6 結束語

本文開發的數控加工集成環境，用NC代碼刀心軌跡包絡面仿真實現代碼正確性檢驗。利用的VRML、3DS等文件格式進行數據交換，減少了對PROE等大型軟件的依賴，增加了靈活性。利用Win32提供的串口操作函數，完成了PC向NC加工設備的數據傳輸，通過錯誤校驗、人機交互控制、狀態顯示和Win32多線程技術，增加了集成系統的可靠性，而且界面友好、易操作。該軟件解決了企業異地制造中零件圖3D交互式瀏覽、NC代碼仿真驗證、RS-232串口傳輸控制、數據共享和交換等問題，并在企業獲得了成功的應用。

[1]張 潔，顧 健，劉延山，蔡 蘭.FMS集成開發環境的研究[J].江蘇理工大學學報，1997，（5）：74-77.

[2]陽化冰，劉忠麗，劉忠軒，王慶華.虛擬現實構造語言VRML[M].北京：北京航空航天大學出版社，2000.