GLS與VP的虛擬數控機床仿真系統的設計開發

陜西烽火電子股份有限公司 支朋飛 呂小剛

本文研究應用以Vega Prime三維視景仿真平臺與GL Studio儀表仿真軟件聯合開發虛擬數控機床仿真系統，提供了系統結構框架所涉及的某些關鍵技術的解決方法，實現了GLS儀表模型在VP三維場景中的移植顯示和數據的相互通信，構造了逼真的虛擬加工操作環境。

數控仿真軟件是運用虛擬現實技術通過二維或三維圖形界面來模擬真實的數控加工環境，要求具有逼真的人機交互界面，避免人為誤操作而達到良好的教學目的。當前主流的數控仿真加工系統均是在PC終端上實現的，部分是集成在CAM（計算機輔助制造）軟件中，比如既有德國SYMPlus CNC、日本FREDAM等國際主流系統，也有上海宇龍、南京斯沃等國產系統。

本研究的重點在于結合Vega Prime（簡稱VP）與GL Studio各自的優勢，實現二者的混合編程，使該系統具備良好的人機交互界面，將虛擬數控機床處于逼真的三維場景中，操作人員可借助一定的人機交互手段（如數據手套、3D眼鏡），使訓練者置身于虛擬的三維環境并沉浸其中，通過操作虛擬機床面板來模擬控制機床動作，獲得與真實世界相同的體驗感。

1 數控仿真系統技術路線

該系統在Windows XP Professional操作系統下，所用軟件有：建模工具軟件SolidWorks，模型轉化軟件Deep Exploration，模型建立軟件Creator 3.2，儀表仿真軟件GL Studio，仿真平臺軟件Vega Prime，編譯環境為VS2008，使用上述工具便可進行模型的建立和驅動的開發。本數控仿真系統的實現主要分為兩個部分：場景建模與場景驅動，如圖1所示。

圖1 技術路線開發流程

場景建模是運用數學方法將仿真對象的三維數據存儲在計算機內，首先使用三維建模軟件對數控加工中心的裝配體和零部件建立三維實體模型*.sldprt/*.sldasm，然后通過Deep Exploration軟件將*.sldprt/*sldasm的模型格式轉換成*.3ds，最后把*.3ds導入到Creator 3.2中，將*.3ds模型格式轉化為Vega Prime可識別的*.flt文件并對其進行顏色渲染。

場景驅動是將仿真對象的實時狀態數據以圖像的方式輸出，通過使用API函數來實現對仿真對象的驅動控制，實現對虛擬儀表、虛擬部件等三維模型的實時交互操作，將VP嵌入到開發平臺VS2008中完成場景配置。

2 數控機床仿真面板開發

數控加工仿真面板的主要操作過程是在GL Studio中設計完成的，包括面板儀表界面的開發、各種儀表間的邏輯關系控制及信息傳遞、儀表與外部Vega Prime的數據交互，開發面板執行文件的過程是一個交互循環的過程。

（1）操作面板的制作：數控機床操作面板是操作人員與數控機床系統之間進行交互的橋梁，通過面板可以實現對數控系統的查詢、編程、調試、修改等輸入或輸出操作。

（2）儀表間的信息交互：仿真對象的運行是通過編寫的代碼實現驅動，比如：NC鍵盤信息的顯示、各儀表間的邏輯控制、旋鈕檔位的數據傳遞等。

（3）面板動態鏈接庫的生成：將GL Studio所形成的虛擬仿真界面進行保存并自動生成2個源文件和1個頭文件，其中源文件win_main.cpp是程序的啟動入口文件， C++容器類涵蓋了儀表對象的初始化代碼、顯示代碼、驅動代碼及主循環代碼。然后經過VS2008編譯環境進行編譯，在編譯未出現錯誤的情況下，在start的下拉菜單中選擇LiveComponent Debug后最終點擊運行，便可生成*.gls模型的動態鏈接庫文件*.dll。

3 虛擬面板在VP中的動態調用

在Vega Prime與GL Studio的數據交互方面，將GL Studio開發的虛擬儀表組件在Vega Prime中進行動態調用，在安裝了與GL Studio配套的插件vp GLStudioPlugin后，可將GL Studio開發的虛擬儀表動態鏈接庫文件(DLL)嵌入到Vega Prime編輯器中，從而實現虛擬儀表與三維視景仿真的功能相結合，虛擬三維顯示效果如圖2所示。

圖2 數控機床仿真系統三維場景效果

4 操作面板的GLS數據向VP進行傳遞

在數控機床加工仿真過程中，對機床面板儀表進行操作時，需要將一些按鍵信息和當前儀表狀態的數據傳入VP中進行處理。如在控制刀具的運動過程中，需要將NC鍵盤輸入的刀具編號以及運動數據等信息通知VP程序中的主控單元，來完成刀具運動的前期準備。

在開發過程中，采用在組件生成的DLL中導出全局變量的方法來實現機床操作面板GLS組件與VP進行數據共享，刀具移動軌跡如圖5所示，詳細開發步驟如下：

（1）在GLS組件的頭文件中聲明：__declspec(dllexport)int GlobalData，使其他組件可以訪問全局變量GlobalData。比如：定義按鍵1的變量為int run1，然后在file的頭文件中聲明__declspec(dllexport)int run1，從而便可以通過變量run1來實現GLS組件向Vega Prime進行數據傳遞。

（2）生成*.dll和*.lib文件，并在需要使用全局變量GlobalData的組件程序中完成配置。配置過程如下：在Project屬性Linker中選擇general，然后在Additional Library Directories中添加*.lib的路徑；在input中的Additional Dependencies中添加生成的*.lib。

（3）在VP代碼中聲明：extern__declspec(dllimport)int GlobalData；并將生成的*.dll文件拷貝至該組件文件夾下。這樣GlobalData數據就以全局變量的形式導入到了VP中。

通過虛擬數控機床仿真系統的開發實踐，使用Vega Prime與GL Studio相結合的方法聯合開發數控仿真系統，證明了無論是在三維場景的仿真還是在虛擬儀表的仿真方面都能收到很好的效果，該技術可廣泛應用于三維可視化仿真領域。