虚拟数控机床技术探究

随着计算机技术、通讯技术、多媒体技术、图形图像技术和可视化技术的迅速发展，以虚拟现实技术为基础的虚拟原型、虚拟设计、虚拟制造，已广泛地应用到实际生产中。虚拟制造系统是实际制造系统在不消耗能源和资源的信息世界里的完全映射。它利用信息技术、仿真技术、计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题，在产品实际生产前就采取预防措施，从而实现产品一次性制造成功，来达到降低成本、缩短产品开发周期、增强产品竞争力的目的。

一、虚拟数控机床概述

虚拟数控机床是虚拟制造系统的重要组成之一，由它所完成的数控加工过程仿真为产品设计可制造性分析提供关键数据。在实际数控加工过程中，为了校验数控代码的正确性，需要进行反复试切直至确认数控代码能够完成预定的加工任务。同时数控加工参数也需要反复调试。这些操作不仅效率低下，占用了机器资源，而且有可能引起刀具碰撞而造成经济损失。通过对数控机床建模进而仿真数控加工过程，能节省资源并避免风险。对机床建模和加工过程仿真的好处还体现在通过真实地模拟机床及加工过程的行为来快速地对机床操作人员进行培训，也可帮助机床制造商向潜在的远程客户逼真演示其产品。另外数控加工过程仿真可以产生加工过程关键数据如总体加工时间、刀具轨迹长度、刀具空程运行时间等等。它们被用来进行虚拟制造中加_[方案评估、产品可加工性分析和产品可制造性分析。

二、虚拟数控机床基本原理

虚拟制造技术是机械加工技术中的一项新颖制造技术。在当今全球制造的新时代，虚拟制造为制造业迎接新的挑战提供了一种新的制造策略和方法。它是用计算机相关的交互设备作支撑，对机械加工所涉及的生产和制造活动进行全面建模和仿真，并用多媒体计算机技术创建出一个有逼真的视、听、触等感觉的虚拟现实（VirtualReality）的生产环境（也有称之为临境）。人们应用它可替代由实物构成的真实生产环境，来对机械加工过程进行优化，成为一种能经济地、快速地提高加工质量、生产效率和节约材料的有效方法。而虚拟数控机床则是虚拟制造系统的重要组成部分。

三、虚拟数控机床意义

在虚拟制造环境中，数控加工过程仿真为产品设计可制造性分析提供关键数据。在实际数控加工过程中，为了校验数控代码的正确性，需要进行反复试切直至确认数控代码能够完成预定的加工任务，此时数控加工参数也需要反复调试。这些操作不仅效率低下，占用了机器资源，而且有可能引起刀具与夹具、工件发生碰撞而造成经济损失。通过对数控机床建模进而仿真数控加工过程，能节省资源并避免风险。对机床建模和加工过程仿真的好处还体现在通过真实地模拟机床及加工过程的行为来快速地对机床操作人员进行培训，也可帮助机床制造商向潜在的远程客户逼真演示其产品。另外数控加工过程仿真可以产生加工过程关键数据如总体加工时间、刀具轨迹长度、刀具空程运行时间等等。它们被用来进行虚拟制造中加工方案评估、产品可加工性分析和产品可制造性分析。国内外对数控机床模型展开了广泛而深入的工作，如美国西北大学等7所高校提出了虚拟数控机床的概念。虚拟数控机床，即虚拟制造环境中数控机床模型。美国Lamb公司、Deneb公司等也一直在进行虚拟机床的研究。数控加工过程仿真主要包括两个部分：数控机床建模和切削过程仿真。数控机床模型主要由机床的硬件（或物理）部分和软件部分组成。硬件部分由机床部件、工件、刀具和夹具等构成。软件部分则由CNC控制器构成。切削是一个机床接受数控代码并驱动机床实现加工的过程。在这里，对数控机床建模，即建立虚拟数控机床（VirtualNCMachineTool），是虚拟数控加工过程仿真的关键。

四、虚拟数控机床的组成模块

在总体结构上，一个虚拟数控机床系统和本地/远程客户构成服务器/客户体系。它们建立的连接由不同层次的协议支持。在低层使用连接意义上的协议来使低级数据相互通信。如TCP/IP，1IOP，RM工等。在高层使用语义意义上的协议来支持高级数据传输，如符合STEP标准的产品数据格式、V观L以及预先定义好的（标准的）任务请求/结果回送格式等。由此通过图形接口和符号接口来连接客户和提供服务。在虚拟数控机床接受任务请求后，通过调用调度知识库中的元知识，将任务分解为一系列子任务，并通过服务定位模块将每个子任务分发给响应的子模块。系统共有4个子模块，即NC解释器、计算模块、几何实体和拓扑结构。

虚拟数控机床所应具备的特点如下：

1.良好的结构

良好的结构性包括三个方面。

（1）与真实机床相似的结构.具有与真实机床相似的结构使虚拟机床能模仿真实机床的任何功能而不致因为采用某种近似替代而导致某种结构和信息的失真或丢失一个与真实机床相似的结构能使其设计者以直观的方式设计和修改系统。

（2）虚拟机床各模块的颗粒性.虚拟机床各模块的颗粒性使每个模块能彼此独立地被开发和工作，从而增强了虚拟机床的可操作性和可管理性。

（3）各模块合适的颗粒度.虚拟机床各模块颗粒度的合适与否取决于每个模块的抽象度是否定义合适，以便使虚拟机床既是一个能概括各种类型的数控机床的抽象框架，又能方便地挂接具体的模块来仿真某种特定类型的数控机床。

2.完善的图形接口

完善的图形接口使用户既能象在真实环境中那样完全操作虚拟数控机床，又能完全真实地以图像的形式观察机床运行的各种状态和各种机床运行参数，从而最大限度地提高人机融合程度。

3.完全的符号数据接口

完全的符号数据接口能使虚拟机床的各种静止和运行状态以符号数据的形式被外界感知，从而提供了与其他制造软件的无缝连接。外界也能通过输入符号数据对虚拟机床进行控制。

4.强大的网络支持功能

强大的网络支持功能使虚拟机床为各种真正的制造资源服务，从而在连接意义上提高其与外界制造资源的相互操作性。

5.标准数据格式

虚拟机床由于采用标准数据格式存储、传输和处理数据因而能够在语义意义上提高其与外界制造资源的相互操作性。