湖北工業(yè)大學(xué)，湖北武漢，430068

摘 要：基于VegaPrime與VC++MFC虛擬平臺，建立虛擬數(shù)控機床的模型，并采用Flex軟件編寫控制界面，通過JavaScript函數(shù)能直接與VRML程序通信，實現(xiàn)網(wǎng)頁控制虛擬數(shù)控機床加工的功能，使得學(xué)生能通過網(wǎng)絡(luò)訪問虛擬機床加工實驗室。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床；虛擬平臺；交互；VRML

引言

為了實現(xiàn)在通過網(wǎng)頁控件控制虛擬場景中的對象，需要flex程序能夠與VRML程序通信，因此要在程序中調(diào)用虛擬模型的VRML文件。但flex程序不能直接調(diào)用VRML文件，需要通過HTML文件間接調(diào)用。雖然flex過程創(chuàng)建后能自動生成一個同名HTML網(wǎng)頁文件，但是每次運行mxml文件都會把該網(wǎng)頁文件重置，之前編輯的部分都無法保存下來，因此不能直接修改這個文件來調(diào)用。為了讓學(xué)生能通過網(wǎng)絡(luò)訪問虛擬機床加工實驗室，需要將VRML虛擬場景嵌入到網(wǎng)頁中去，本文采用Flex軟件來編寫控制界面。

1虛擬數(shù)控機床的構(gòu)建平臺

機床模型的構(gòu)建環(huán)境為VegaPrime與VC++MFC虛擬平臺。該平臺加載模型的特點是：

（1）能夠直接通過lynxprime界面直接導(dǎo)入openflight模型，該模型以“節(jié)點”的方式儲存模型元素，每個“節(jié)點”表示一個完整的模型元素；以樹狀結(jié)構(gòu)組織模型元素間的關(guān)系，加載時按照模型節(jié)點的先后順序依次加載；該平臺同時支持基于openflight模型的二進制格式文件（VSB）的轉(zhuǎn)換和導(dǎo)入；該格式文件僅能被VP平臺讀取，提高了模型的安全性。

（2）該平臺有固定的“世界”坐標系（指VP構(gòu)建的三維場景總體坐標系）中心，調(diào)入的openflight（VSB）模型同樣具有模型坐標系數(shù)據(jù)，調(diào)入時通過調(diào)整兩坐標系相對位置的方式實現(xiàn)定位，調(diào)整方法可以采用程序控制或者Lynxprime界面控制兩種。

（3）所調(diào)入模型均可以通過VC++進行位置、姿態(tài)、調(diào)入、調(diào)出等操作。具有完善的類接口和相關(guān)函數(shù)對模型進行驅(qū)動，無需另外開發(fā)驅(qū)動接口程序。

（4）VP默認最小位移單位為“米”，此單位不利于保證機床部件裝配，需要尋找辦法保證機床部件裝配精度。

（5）Openflight模型數(shù)據(jù)量巨大，需要進行有效的模型精簡。

2虛擬數(shù)控機床建模語言

本文采用VRML（VirtualRealityModelingLanguage）作為三維仿真建模語言。VRML語言具有強大的交互和控制功能。

交互功能方面，VRML提供了多種傳感器節(jié)點用于感知和反應(yīng)瀏覽者對虛擬場景中的造型的操作。觸摸傳感器（TouchSensor）用于感知用戶用鼠標觸摸、單擊、按下、松開被感應(yīng)造型等觸發(fā)的動作，觸摸傳感器與其他節(jié)點或腳本配合，可以作為虛擬世界中的一個控制開關(guān)；平面?zhèn)鞲衅鳎≒laneSensor）節(jié)點用于感知用戶鼠標在XY平面內(nèi)對虛擬對象進行拖拽的動作，平面?zhèn)鞲衅魍ㄟ^事件路由可以改變物體的坐標，實現(xiàn)對虛擬物體的拖動；圓柱傳感器（CylinderSensor）節(jié)點用于感知用戶鼠標對虛擬造型的拖拽，并將其處理為繞中心軸的旋轉(zhuǎn)運動，圓柱傳感器通過事件路由可以實現(xiàn)對虛擬物體的旋轉(zhuǎn)控制；球體傳感器（SphereSensor）節(jié)點用于感知用戶用戶鼠標的拖拽，并將其處理為繞球體中心點的旋轉(zhuǎn)動作。除上述傳感器外，還有能感知用戶在虛擬世界中所處位置之處相應(yīng)反應(yīng)的接近傳感器（ProximitySensor）、可視傳感器（VisibilitySensor）、碰撞傳感器CCollisionSensor）等，由于本文中沒有用到這些，就不在此做詳細介紹了。

控制功能方面，VRML程序本身主要用于建立虛擬世界模型，其控制功能不強，但為了彌補這一缺陷，VRML提供了與其他高級程序的內(nèi)部和外部接口。VRML中的腳本程序可以用JavaScript或者VRMLScript編寫，可以實現(xiàn)較復(fù)雜的控制功能，VRML同時還提供了與JavaScript和Java語言的外部接口，可以通過外部程序控制虛擬場景中的對象，這些都使得其對虛擬世界的控制力大大增強。

3網(wǎng)頁控件與VRML程序的交互

網(wǎng)頁中調(diào)用VRML文件后，JavaScript函數(shù)能直接與VRML程序通信，通過"document.scene.Engine.Nodes（'cd'）.Fields（'translation'）.x”可以直接調(diào)用或賦值VRML節(jié)點中的域。其中，“scene”是網(wǎng)頁調(diào)用VRML文件的ID，，“cd”是VRML文件中的節(jié)點名，，“translation.x”是該節(jié)點中的域值。

Flex雖然不能與VRML函數(shù)通信，但Flex的ActionScript提供了與JavaScript通訊的外部訪問接口-ExternalInterface類，可以通過ExternalInterface.call

（functionName，Parameter）函數(shù)來調(diào)用JavaScript函數(shù)中的函數(shù)并賦參數(shù)值。這樣，就間接地調(diào)用或改寫VRML節(jié)點中的域的值，實現(xiàn)對虛擬場景中對象的控制，其交互原理如圖1所示。

4虛擬數(shù)控機床網(wǎng)頁控制功能的實現(xiàn)方法

4.1數(shù)控面板的實現(xiàn)

作為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，數(shù)控面板的真實程度的高低，將直接影響用戶對系統(tǒng)整體的體驗。系統(tǒng)采用GLstudio軟件制作數(shù)控面板，該軟件具有以下特點：第一，可以采用照片紋理，真實度高；第二，具有按鈕、旋鈕、二項開關(guān)、文本框等控件定義，能夠方便地構(gòu)建所需功能；第三，軟件采用V C++編制，面板間各模塊和控件間數(shù)據(jù)傳輸采用V C++標準，易于操作和學(xué)習；第四，采用圖形化工作界面，條理邏輯性強，適合開發(fā)大型邏輯面板；第五，具有與VP軟件的數(shù)據(jù)接口GLstudioForVP，能夠在VP中實時接收GLstudio數(shù)據(jù)。

4.2旋轉(zhuǎn)開關(guān)

銑床的刀具、車床的工件、磨床的工件和砂輪都需要用控件控制其旋轉(zhuǎn)。以車床為例，用button按鈕點擊后，調(diào)用主軸控制函數(shù)，虛擬機床主軸旋轉(zhuǎn)狀態(tài)取反，調(diào)用外部函數(shù)，通過程序接口改變VRML程序中主軸旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時按鈕標簽由“啟動主軸”變?yōu)椤爸鬏S停止”。

4.3工件/刀具移動

工件/刀具移動模仿數(shù)控機床上的點控操作，每次點擊按鈕，機床相應(yīng)部件沿某坐標軸的正方向或負方向移動一個單位。由于這些按鈕的功能類似，因此不必把每個按鈕click都觸發(fā)一個單獨的函數(shù)，可以觸發(fā)同一個函數(shù)，通過參數(shù)的不同來區(qū)分操作。為了實現(xiàn)增量控制，需要先讀取當前坐標值，加或減去一個單位距離，再將新坐標賦給VRML節(jié)點域。

4.4工件尺寸選擇

在車床、磨床中可以通過網(wǎng)頁控件選擇回轉(zhuǎn)體工件的半徑、長度組合，并將虛擬機床中“裝夾”的工件換成所選尺寸。

尺寸的選擇采用了兩個組合框控件（ComboBox）來選擇工件的半徑和長度。點擊事件指向?qū)?yīng)的半徑/長度選擇函數(shù)，DataProvider指向前面定義的半徑/長度數(shù)組，在函數(shù)中通過“choose 1.selectedItem.value0f（）”語句識別所選擇的數(shù)據(jù)，并將其通過“External Interface.call（）”傳遞給VRML程序。

前面只說了flex程序中的工作，其實在VRML程序中也要做相應(yīng)改動來與之配合。工件的半徑和長度設(shè)置源于腳本里面的一個變量，默認值為0。但這個變量是外部無法訪問的，因此，必須定義一個入事件來將變量傳進腳本。由于該功能需要改變兩個變量的值，最好的選擇就是入事件有多個參數(shù)。

4.5刀具查詢

對話框類交互功能需要事先設(shè)計和定義不同功能的對話框。用戶通過功能菜單調(diào)出這些對話框，再根據(jù)其中內(nèi)容獲取相關(guān)信息或進行相關(guān)操作。如刀具選擇功能菜單，作用是調(diào)出刀具查詢對話框，或刀具選擇對話框，前者允許用戶選擇所需刀具的類型、直徑等信息查詢所需刀具在刀盤的具體位置；后者支持用戶分別查看不同刀位上刀具的信息；以方便編程選擇。

4.6手動輸入NC代碼換刀

虛擬面板正向傳遞數(shù)據(jù)給VP是實現(xiàn)虛擬數(shù)控面板控制的基礎(chǔ)，主要傳遞的數(shù)據(jù)類型涵蓋表征手動操作指令的bool型開關(guān)量、整型變量；表征手動輸入NC加工的字符串型變量（記錄NC代碼）、開始加工開關(guān)量；作為邏輯判斷的機床開關(guān)整型變量、急停變量、模式選擇變量等。

4.7機床重置

在網(wǎng)頁中，還需要添加一個可以把機床部件重置功能。這里的重置除了工件表面重置外，還要把機床部件回歸原位。重置函數(shù)主要就是將工件、刀具位置置零（工件和刀具位置改變后相關(guān)導(dǎo)軌位置會自動恢復(fù)，不需要專門重置），工件表面的重置，如果是車床磨床這類可以設(shè)置尺寸的工件，直接將所有尺寸都設(shè)置為默認尺寸0，而銑床刨床這類機床的工件稍微麻煩一點，需要通過外部事件觸發(fā)VRML腳本程序中的reset函數(shù)，具體做法類似于設(shè)置工件尺寸，需要通過無造型節(jié)點來實現(xiàn)。

4.8機床運行數(shù)據(jù)的面板顯示

VP逆向傳遞數(shù)據(jù)進入虛擬面板目前的主要作用是實現(xiàn)機床運行坐標和外部導(dǎo)入NC代碼的顯示。

5結(jié)語

本文基于VegaPrime與VC++MFC虛擬平臺，建立虛擬數(shù)控機床的模型，并采用Flex軟件編寫控制界面，通過JavaScript函數(shù)能直接與VRML程序通信，實現(xiàn)網(wǎng)頁控制虛擬數(shù)控面板、旋轉(zhuǎn)開關(guān)、工件/刀具移動、工件尺寸旋轉(zhuǎn)、刀具查詢、手動輸入NC代碼換刀、機床重置以及機床運行數(shù)據(jù)的面板顯示等功能，使得學(xué)生能通過網(wǎng)絡(luò)訪問虛擬機床加工實驗室。

參考文獻：

[1] J. G. Li， H. Zhao， Y. X. Yao， C. Q. Liu .Off-line optimization on NC machining based on virtual machining. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2006， 36 （9）：908-917.

[2]彭家祥.虛擬數(shù)控機床的建模與控制[D].西北工業(yè)大學(xué)，2003.

作者簡介：

袁瑾/女/湖北黃石人/ 本科/工程師/研究方向為機械自動化