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5 轴数控系统 Web 仿真程序具体实施文档

生成时间：2026-06-20 CST

1. 实施目标

本文件用于指导后续正式编写 5 轴数控系统 Web 仿真程序。第一版目标是做出一个可运行、可验证、可继续扩展的浏览器前端：

• 界面风格按 gmoccapy_5_axis.png 实现；
• 前端使用原生 HTML/CSS + TypeScript/JavaScript ES modules；
• 3D 预览使用 Three.js；
• G-code 执行、五轴运动学、RTCP/TCP 相关计算必须来自 LinuxCNC/WASM 或 source-derived 边界；
• 不引入 React/Vue/Angular/Svelte；
• 不把 Python GUI、GTK/Glade、Tk/OpenGLTk、native HAL process 直接作为浏览器 runtime。

2. 第一版完成定义

第一版完成时应具备：

• 一个可启动的 Web app；
• gmoccapy 风格布局：黑底 3D 预览、大号绿色 DRO、G-code 列表、右侧模式按钮、override/spindle/coolant 区、底部运行控制；
• 至少一个 5 轴 profile：优先 xyzac-trt；
• 能加载 representative G-code；
• 能显示 X/Y/Z/A/B/C、joint pose、TCP pose、RTCP state、kins type；
• Three.js 视口非空，能显示机床、刀具、刀路；
• browser smoke 能截图、检查 canvas 非空、检查关键 DOM 区域存在；
• 文档明确 LinuxCNC source references 和 unsupported runtime boundary。

3. 推荐目录结构

后续直接在本目录中扩展：

web-rtcp-5axis-sim-plan/
  app/
    index.html
    package.json
    tsconfig.json
    src/
      main.ts
      state/
        store.ts
        events.ts
      ui/
        gmoccapy-shell.ts
        gmoccapy-dro-panel.ts
        gmoccapy-gcode-panel.ts
        gmoccapy-status-sidebar.ts
        gmoccapy-override-panel.ts
        gmoccapy-spindle-coolant-panel.ts
        gmoccapy-bottom-controls.ts
        gmoccapy-info-tabs.ts
      visualization/
        five-axis-scene.ts
        machine-model.ts
        toolpath-layer.ts
        camera-controls.ts
      runtime/
        simulation-runtime.ts
        frame-builder.ts
        playback-controller.ts
        linuxcnc-adapter.ts
      profiles/
        index.ts
        xyzac-trt.ts
        xyzbc-trt.ts
      panel-schema/
        controls.ts
        pyvcp-reference.ts
      workers/
        linuxcnc-worker.ts
      styles/
        gmoccapy.css
  core/
    linuxcnc_kinematics_wasm/
  tests/
    browser/
    node/

4. 实施顺序

Step 1：Web shell

目标：

• 创建 app/index.html；
• 创建 CSS layout；
• 创建 gmoccapy-shell.ts；
• 页面静态呈现 gmoccapy 风格区域。

必须有的 DOM 区域：

data-region="titlebar"
data-region="preview"
data-region="dro"
data-region="gcode"
data-region="status-sidebar"
data-region="info-tabs"
data-region="override"
data-region="spindle-coolant"
data-region="bottom-controls"

验收：

• 浏览器打开页面非空；
• 页面区域与 gmoccapy_5_axis.png 基本一致；
• 无 React/Vue 依赖。

Step 2：状态模型

目标：

• 实现 GmoccapySimulationState；
• 实现 createStore()、getState()、subscribe()、dispatch()；
• UI 面板从 state 渲染，不直接互相读写 DOM。

初始 state：

machineProfile=xyzac-trt
runState=idle
rtcpState=off
kinsType=identity
axisPose={X,Y,Z,A,B,C}
jointPose=[]
tcpPose={x,y,z,toolAxisVector}

验收：

• Node smoke 验证 store 更新；
• DOM renderer 能响应 state 变化。

当前 M2 已实现：

app/src/runtime/rtcp-frame.js
app/src/profiles/xyzac-trt.js
tests/node/verify_rtcp_store.mjs

状态模型已经输出：

axisPose
jointPose
tcpPose
toolAxisVector
rtcpFrame
feed
spindle
coolant
preview
operatorMessage

当前 RTCP frame 已支持双来源：

apiName=web-rtcp-5axis-motion-frame
fixture fallback:
  sourceMode=fixture-ui-only
  semanticBoundary=fixture_frame_ui_plumbing_not_linuxcnc_kinematics_proof
  linuxCncKinematicsReady=false
  promotionAllowed=false
LinuxCNC kinematics proof:
  sourceMode=source-derived-kinematics-wasm
  semanticBoundary=linuxcnc_kinematics_wasm_c_abi
  linuxCncKinematicsReady=true
  promotionAllowed=true for kinematics frame source only

这表示 Web 仿真已经具备 RTCP 状态链路、TCP pose 显示、刀轴向量显示和控制按钮切换；Node 和浏览器路径均已通过 createLinuxCncKinematicsSdk({ moduleId: "xyzac-trt" }) 加载 LinuxCNC kinematics WASM 并生成 frame，浏览器默认使用 Worker 隔离 kinematics WASM 调用。fixture fallback 仍保留为 runtime load failure 的 UI 安全路径，但 smoke 不再把 fixture fallback 当作当前 proof。

当前普通 G-code 程序执行也已接入 createLinuxCncInterpSdk()：

sourceMode=linuxcnc-interpreter-wasm
semanticBoundary=linuxcnc_interpreter_wasm_canonical_events
RUN/STEP source=LinuxCNC canonical motion events
remapRuntimeReady=false
plannerRuntimeReady=false
fullLinuxCncProgramExecutionReady=false

这只提升普通 G-code canonical execution source，不代表 Python remap、tool DB、external user-M process 或完整 planner 已 promoted。

Step 3：gmoccapy UI 组件

目标：

• DRO；
• G-code panel；
• right status sidebar；
• override panel；
• spindle/coolant panel；
• bottom controls；
• info tabs。

要求：

• 按 gmoccapy 风格做大按钮、大数字、黑底预览、灰色面板；
• 所有按钮先连接仿真 action，不连接真实机床控制；
• 文本不能溢出按钮或面板。

验收：

• browser smoke 检查关键按钮、DRO、G-code rows；
• Run/Stop/Pause/Step 能改变仿真 state。

当前 M2 已接入的 UI action：

RUN
STOP
PAUSE
STEP
SET_KINS_TYPE
SET_VIEW
RESET_VIEW
CLEAR_PREVIEW
ADJUST_OVERRIDE
ADJUST_SPINDLE_OVERRIDE
TOGGLE_COOLANT
RELOAD_PROGRAM
HOME
TOGGLE_FULLSCREEN

这些 action 只改变 Web 仿真状态，不连接真实机床控制。

当前 M5 已补齐 operator workflow：

TOGGLE_POWER
ESTOP
RESET
SET_MODE(auto/manual/jog/mdi)
JOG
RUN_MDI
LOAD_PROGRAM

实现状态：

• 右侧按钮栏提供 POWER、E-STOP、RESET、AUTO、MANUAL、JOG、MDI；
• 底部控制栏提供 Open、Run/Stop/Pause/Step/Home、JOG X/Y、MDI；
• Open 使用浏览器 FileReader 读取本地 G-code 文本并进入 LOAD_PROGRAM；
• G-code 面板显示当前程序来源、当前执行行和高亮行；
• preview 区域显示刀具预览卡；
• RUN/STEP 仍是 fixture line playback，不是 LinuxCNC interpreter execution proof。

Step 4：Three.js 五轴预览

目标：

• 创建基础五轴机床模型；
• 显示坐标轴、工作空间、刀具、TCP 点、刀路；
• 支持 fit/reset/clear path。

模型优先参考：

qtvismach_5axis_gantry.png
lib/python/vismach.py
src/hal/user_comps/vismach/5axisgui.py
src/hal/user_comps/vismach/xyzac-trt-gui.py
src/hal/user_comps/vismach/xyzbc-trt-gui.py

验收：

• canvas 非空；
• tool marker 可见；
• path points 非零；
• 视口尺寸变化不破坏布局。

当前 M3 已实现：

app/src/vendor/three/three.module.js
app/src/vendor/three/three.core.js
app/src/visualization/five-axis-scene.js

当前 Three.js 预览会渲染基础五轴工作区、工作台、刀具/TCP marker、刀轴和刀路，并消费：

tcpPose
toolAxisVector
rtcpState
rtcpFrame.apiName
preview.selectedView

browser smoke 已检查 canvas nonblank、scene objects、path points、RTCP on/off 同步和 STEP 后 TCP pose 更新。

Step 5：profile 和 panel schema

目标：

• 建立 xyzac-trt profile；
• 后续补 xyzbc-trt；
• 把 PyVCP XML 和 HAL 绑定整理成 Web panel schema。

xyzac-trt 必须记录：

iniPath
coordinates=XYZAC
kinematics=xyzac-trt-kins
remap=M428/M429/M430
halPins=motion.switchkins-type, xyzac-trt-kins.tool-offset, y-offset, z-offset
samplePrograms
sourceReferences

验收：

• Node smoke 验证 profile 完整；
• UI 能显示 profile title、coordinates、kins type、source references。

当前 M4 已实现：

app/src/profiles/xyzac-trt.js
app/src/profiles/source-reference-map.js
app/src/panel-schema/xyzac-trt-pyvcp.js
tests/node/verify_profile_boundary.mjs

xyzac-trt profile 现在记录：

iniPath
pyvcpXmlPath
postguiHalPath
generatedHalPath
toolTablePath
coordinates=XYZAC
kinematics=xyzac-trt-kins
sparm=identityfirst
remaps=M428/M429/M430
switchkinsTypes=identity/TCP:XYZAC/USERK
halPins
offsets
samplePrograms
sourceReferences

xyzac-trt-switchkins-pyvcp panel schema 记录 SWITCHKINS multilabel、IDENTITY/TCP:XYZAC/USERK/vismach-clear buttons、HAL nets 和对应 MDI commands。

Step 6：LinuxCNC adapter

目标：

• 第一阶段可接现有 interpreter WASM SDK；
• 若未接入完整 WASM，则先用明确标记的 fixture frame 验证 UI，不声称 CNC semantics pass；
• 所有 runtime result 必须带 sourceMode 字段。

允许：

sourceMode=linuxcnc-wasm
sourceMode=source-derived-kinematics-wasm
sourceMode=fixture-ui-only

禁止：

sourceMode=js-cnc-semantics

验收：

• UI-only fixture 不能被标记为 LinuxCNC pass；
• LinuxCNC/WASM 接入后更新 traceability。

当前 M4 已实现 adapter 接入点：

app/src/runtime/linuxcnc-boundary-adapter.js
apiName=web-rtcp-5axis-linuxcnc-boundary-adapter
readinessApi=web-rtcp-5axis-linuxcnc-boundary-readiness
semanticBoundary=adapter_entrypoint_only_runtime_not_connected | linuxcnc_kinematics_wasm_runtime_connected
linuxCncKinematicsReady=false for fixture fallback, true for loaded kinematics WASM
promotionAllowed=true only for kinematics frame source proof
fullLinuxCncProgramExecutionReady=false until interpreter/remap is connected

store 已输出：

linuxCncBoundaryAdapter
linuxCncBoundaryReadiness

info tabs 和 browser smoke 会检查 adapter、panel schema、source map 和 boundary readiness。Node smoke 已验证 kinematics-only runtime ready；interpreter/remap 仍显示为 missing，不得声明 full LinuxCNC program execution ready。

Step 7：RTCP/kinematics frame

目标：

• 定义 FiveAxisMotionFrame；
• 将 canonical event 和 kinematics output 转成统一 frame；
• 显示 RTCP on/off、TCP pose、tool axis vector。

M2 阶段先落地 web-rtcp-5axis-motion-frame 的 fixture contract，M6 阶段已加入 LinuxCNC kinematics WASM frame contract：

profileId
sourceMode
semanticBoundary
activeLine
kinsType
rtcpState
axisPose
jointPose
tcpPose
toolAxisVector
compensation
readiness

后续 LinuxCNC/source-derived kinematics WASM 接入时，必须替换 frame builder 的运动学来源，并把 sourceMode 从 fixture-ui-only 改为明确的 LinuxCNC/WASM 边界值。 当前 Node proof 已使用 linuxCncKinematicsResult.forward.pose 和 linuxCncKinematicsResult.inverse.joints 填充 tcpPose / jointPose，并输出 kinematicsModuleId、forward/inverse rc、flags 和 linuxcnc_kinematics_wasm_c_abi。

验收：

• Node smoke：frame schema；
• Browser smoke：DRO 和 Three.js 同步显示同一 frame；
• fixture fallback 必须显示 pending；Node LinuxCNC kinematics proof 必须显示 ready；interpreter/remap 未接入时仍不得显示 full program execution ready。

Step 8：测试和验收

至少需要：

• git diff --check；
• Node profile/store/frame smoke；
• Browser shell smoke；
• Browser canvas nonblank smoke；
• 文档 traceability 检查。

Step 9：LinuxCNC TP queue timing runtime

目标：

• 删除真实 G-code 路径上的 linuxcnc_canonical_motion_timing_estimate_not_planner_queue 边界；
• 将 interpreter 生成的 LinuxCNC canonical motion events 输入从 linuxcnc/src/emc/tp 移植构建出的 WASM runtime；
• 用 tpCreate()、tpSetCycleTime()、tpSetVmax()、tpSetVlimit()、 tpSetAmax()、tpSetTermCond()、tpAddLine()、tpRunCycle() 和 tpGetPos() 生成程序级 queue timing；
• UI 的 elapsed/remaining/current velocity 来自 TP queue runtime 输出，而不是 JavaScript 按距离和进给率估算。

实现步骤：

1. 在 wasm-port/runtime/core/linuxcnc_wrap/linuxcnc_tp_wasm.c 新增 lctp_run_canonical_motion_timing() C ABI。
2. 输入只接受 interpreter runtime 已解析出的 canonical motion JSON；C 侧只做字段读取、 TP enqueue 和 cycle loop，不解释 G-code。
3. 在 wasm-port/runtime/sdk/src/linuxcnc-tp.js 新增 TP SDK，负责加载 build/wasm/tp/linuxcnc_tp.{js,wasm} 并调用 C ABI。
4. 在 Web interpreter runtime 中可选接入 createLinuxCncTpSdk()；runProgram() 和 runMachineFileProgram() 完成 canonical motion 后立即跑 TP queue timing。
5. programExecution.summary.plannerRuntimeReady=true 只在 TP runtime 调用成功且 motionCount 一致时成立；否则保留 canonical execution，但不能把 planner timing 标为 ready。
6. web-rtcp-5axis-full-linuxcnc-execution-boundary 可把 plannerRuntimeReady=true 作为 已满足项，但仍必须显示 nativeTaskReady=false、nativeHalSyncReady=false 和 fullLinuxCncProgramExecutionReady=false，因为 native task/NML、HAL realtime thread 和 硬件驱动没有接入。

当前边界：

sourceMode=linuxcnc-interpreter-wasm
timing.semanticBoundary=linuxcnc_tp_queue_runtime_timing_from_canonical_motion
plannerRuntimeReady=true
nativeTaskReady=false
nativeHalSyncReady=false
fullLinuxCncProgramExecutionReady=false

不允许：

• 用 JS 重写 lookahead、blend、exact stop、S-curve 或 G-code modal 语义；
• 把 TP queue timing 说成已经驱动硬件；
• 把 native LinuxCNC task/NML/realtime HAL 说成已经完成；
• 对没有通过 TP runtime 的 operator MDI lightweight path 标记 planner ready。

5. 禁止事项

• 不在 JavaScript 中实现 G-code 解释器。
• 不在 JavaScript 中实现 LinuxCNC 五轴运动学公式作为最终语义源。
• 不把 gmoccapy Python/GTK runtime 移植进浏览器。
• 不把 Python remap/tool DB/external user-M process 伪装成已支持。
• 不用 UI fixture 结果冒充 LinuxCNC runtime proof。
• 用于 5 轴 machine-file backed run 的 G-code 必须来自 LinuxCNC 源程序目录 configs/sim/axis/vismach/5axis/table-rotary-tilting/demos/*.ngc； 用户上传或手写的 G-code 只能作为 operator file/普通 interpreter 输入，不得标记为 linuxcnc-vendored-5axis-gcode 或用于 5 轴源程序边界证明。

6. 开工建议

当前已完成 Step 1 到 Step 9 的 Node/browser LinuxCNC kinematics proof、浏览器 Worker kinematics 隔离、浏览器 Worker interpreter canonical execution source、xyzac-trt/xyzbc-trt profile 切换、OPFS 五轴会话保存/恢复、OPFS machine-file staging、machine-file backed fiveAxisRemap C ABI run、程序级 M428/M429 switchkins RTCP 自动切换、LinuxCNC TP queue timing runtime、full execution boundary audit，以及真实 LinuxCNC TRT 5 轴 .ngc 源程序 staging/选择/运行路径。M428/M429/M430 当前既可作为 Web runtime switchkins 事件驱动 lckins_switch()，也可在 staged machine-file run 中交给 vendored LinuxCNC five-axis remap C ABI 验证；只有 LinuxCNC source manifest 中的 configs/sim/axis/vismach/5axis/table-rotary-tilting/demos/*.ngc 可作为 linuxcnc-vendored-5axis-gcode 进入 UI 和 machine-file run。web-rtcp-5axis-full-linuxcnc-execution-boundary 可以在真实 interpreter canonical motion 已通过 TP WASM 时报告 plannerRuntimeReady=true，但必须继续把 nativeTaskReady=false、nativeHalSyncReady=false、fullLinuxCncProgramExecutionReady=false 和 promotionAllowed=false 显示为 blocker，除非后续真正接入 native task/NML 和 realtime HAL sync。