1 引言

1.1 虛擬制造的產生背景

自20世紀70年代以來，世界市場由局部競爭逐步演變成全球范圍內的競爭，并具有動態多變的特征，同行業之間、跨行業之間的相互滲透、相互競爭日益激烈。為了適應變化迅速的市場需求，不斷提高競爭力，現代制造企業必須解決TQCS難題，即以最快的上市速度(T-TimetoMarket)，最好的質量(Q-Quality)，最低的成本(C-Cost)，最優的服務(S-Service)來滿足不同顧客的需求。

與此同時，信息技術取得了迅速發展，特別是計算機技術、網絡技術、信息處理技術等取得了人們意想不到的進步。二十多年來的實踐證明，將信息技術應用于制造業，對傳統制造業進行改造，是現代制造業發展的必由之路。進人20世紀90年代，先進制造技術進一步發展，出現了虛擬制造(VM，Virtual Manufacturing)、精益生產(LP，Lean Production)、敏捷制造(AM，Agile Manufacturing)、虛擬企業(VE，Virtual Enterprise)等新概念。在這些諸多新概念中，“虛擬制造”以其高度集成、支持敏捷制造和分工合作的特點引起了人們的廣泛關注，不僅在科技界，而且在企業界，成為研究的熱點之一。

1.2 虛擬數控機床的用途

由于數控加工過程隱含在數控程序中，而數控程序中的錯誤又不容易發現，因此，在實際數控加工過程中，為了校驗數控代碼的正確性，需要進行反復試切，直至確認數控代碼能夠完成預定的加工任務，同時數控加工參數也需要反復調試。上述操作不僅使效率降低，占用了機器資源，而且有可能引起刀具碰撞而造成經濟損失。

目前通常采用計算機圖形模擬刀具軌跡顯示法和機床試切法對數控程序進行檢驗。但計算機圖形模擬刀具軌跡顯示法缺少真實感，刀具與工件的干涉和過切難以發現，而試切法成本高，周期長。

采用虛擬現實技術建立的虛擬數控機床，可以為產品設計過程中的可制造性分析提供關鍵數據，降低成本并縮短開發周期。利用機床加工的全過程與用戶的交互功能，還可以對機床操作人員進行培訓，并幫助機床制造商向遠程客戶逼真地演示其產品。

2 基于WTK的虛擬數控機床

WTK(WorldToolKit)是由美國Sense8公司開發的虛擬現實軟件程序包。它內含大量的虛擬現實硬件驅動程序，可以方便地連接多種虛擬現實輸人輸出設置。與設備無關的特性，使它可以廣泛應用于普通計算機。強大的圖形處理功能，使它能夠逼真地模擬虛擬現實環境。因此，WTK在國內正得到越來越廣泛的應用。

我們結合開放性控制系統的概念，參照當今虛擬機床的研究現狀，采用VC++和WTK開發出可由用戶自由設定的、能夠進行三維切削并可以實時控制的虛擬數控機床。

2.1 虛擬數控機床的體系結構

數控加工過程仿真主要包括兩個部分：數控機床建模和切削過程仿真。數控機床模型主要由機床的硬件(或物理)部分和軟件部分組成。硬件部分由機床部件、加工零件、刀具、夾具等構成。軟件部分則由NC代碼編譯器、運動控制器等構成。

圖1 虛擬數控機床的體系結構

虛擬數控機床應具備的特點有：良好的結構、完善的圖形接口、完全的符號數據接口、強大的網絡支持功能和標準數據格式。以上諸方面決定了虛擬數控機床需要具備合適的體系結構。根據虛擬數控機床的特點，可以將系統的功能模塊做如下劃分：

(1)NC編譯模塊。為了使虛擬數控機床能夠識別NC程序，開發了NC解釋模塊，它的功能是接受數控代碼并將其翻譯為機床部件、刀具等運動的信息。
(2)運動控制模塊。運動控制模塊根據NC程序決定機床刀具和各個軸的運動狀態，向各個運動部件發送運動指令并采集各軸的反饋信息。
(3)操作面板模塊。操作面板模塊包括真實數控機床的操作面板按鈕功能和虛擬數控機床的菜單。 #p#分頁標題#e#
(4)切削計算模塊。根據工件與刀具的相對位置，進行干涉判斷，對發生干涉的工件進行切削計算并重新生成工件模型。
(5)機床場景模塊。建立虛擬機床的工作環境。

2.2 虛擬數控機床功能模塊的實現

(1)NC解釋模塊：本系統的G代碼按GB8870-88標準編寫，NC解釋步驟為：①由NC編譯器逐行讀取G代碼，建立對應的機床狀態字，存入隊列。機床狀態字包含：坐標增量方式、刀補狀態、插補方式等狀態信息和本行程序的刀心起點和終點坐標、圓弧圓心坐標、刀補半徑等數字信息。②讀取下一行G代碼建立機床狀態字，存人隊列。③計算兩行G代碼之間的拐點過渡，對增長型的過渡則生成新機床狀態字，插人兩個狀態字之間；對于縮短型的過渡則修改前后的機床狀態字。④重復①一③步直到程序結束。

(2)運動控制模塊：為了擴大系統使用范圍，增強系統的通用性，本文是按速度矢量對虛擬機床進行運動控制的。運動控制模塊讀取機床和刀具位置，由機床狀態字可以方便地計算出刀具在任意位置的速度矢量，運動控制模塊將速度矢量輸出到機床場景模塊，對場景中的節點進行運動控制。

(3)操作面板模塊：操作面板模塊采用VC的MFC界面編程技術，實現真實機床操作面板相應的功能。

(4)切削計算模塊：本文采用表面網格模型建立工件模型，通過對工件和刀具的干涉檢驗，對切削點進行“塌陷”處理，重繪工件，完成對工件的切削。

(5)機床場景模塊：采用WTK軟件的場景圖模型，每個機床部件都是場景圖中的節點，包含機床部件的幾何模型和材質、紋理及光源等信息。節點的數據結構如圖2所示。節點可以接受速度矢量的驅動。將部件節點按傳動鏈連接，從而實現對運動控制模塊速度矢量的響應。

圖2 節點的數據結構

3 結論與展望

3.1 結論

對于解決制造業的TQCS問題，虛擬制造技術具有廣闊的市場前景，并已得到了國內外科研機構和企業的廣泛關注。作為實現虛擬制造的一個重要組成部分，虛擬數控機床技術的開發和應用，有助于提高生產率、降低成本。本文在對虛擬制造的發展狀態進行分析的基礎上，建立了虛擬數控機床的體系結構，采用VR技術在場景圖中實現虛擬機床子系統，并由NC解釋模塊、運動控制模塊和操作面板模塊完成虛擬數控子系統的相應功能；完成了NC程序編譯、刀具軌跡計算、虛擬數控機床的運動控制和對工件模型的切削計算。

3.2 展望

虛擬制造技術是一門新興技術，它面向系統的全生命周期和全系統，使研究、開發和使用者之間的聯系更為有效，加速了新技術向產品轉化的開發、研制與使用過程，并通過全生命周期協同利用仿真技術來降低技術風險、提高產品質量、縮短研制周期、降低成本、增強企業競爭力。

目前，我國對虛擬數控機床的研究還處在起步階段，對下列問題還需要深人研究與探討：

(1)虛擬制造中人機協調的深人研究。對人和計算機在制造分析過程中的角色、相互作用方式和協同方法進行更深人的研究。
(2)從制造分析的角度，研究如何更好地利用虛擬現實技術來分析和解決可制造性問題。
(3)對虛擬制造系統與其它分析設計系統之間的集成體制進行研究。