虛擬數控機床技術的發展與應用

現代制造技術正朝著高效率、高速度、高精度、高集成和高智能方向發展，加工智能化和虛擬制造已成為現代制造業中最重要的組成部分和發展方向，并成為提高產品國際競爭力的關鍵技術。目前，全球制造業之間的競爭日趨激烈，企業要贏得競爭，就需要以市場和用戶為中心，快速響應市場的需求，以最短的產品開發時間(time)、最優的產品品質(quality)、最低的成本(cost)、最好的服務(service)，即以TQCS去贏得用戶和市場。虛擬制造技術就是根據企業的競爭需求，在強調柔性和快速的前提下，于20世紀80年代提出的，并隨著計算機，特別是信息技術產業的發展，在90年代得到人們的極大重視，獲得迅速的發展。在不長的時間里，已成為企業界、學術界的研究熱點之一，是當今國際上科技領域的前沿課題，目前在美、英、日、西歐諸國已經形成了相當規模的新興產業部門，商品化軟件已趨于成熟，應用比較廣泛。
虛擬機床(virtualmachinetool)是隨著虛擬制造技術的發展而提出的一個新的研究領域，虛擬數控機床是虛擬制造的執行單元，是虛擬制造的關鍵基礎技術之一。它的最終目的是為虛擬制造建立一個真實的加工環境，在計算機屏幕上實現加工過程的仿真，以增強制造過程的各級決策與控制能力，優化制造過程。
1 虛擬數控機床的特點及功能
虛擬數控機床應具備的特點
良好的結構：包括三個方面：1)與真實機床相似的結構。具有與真實機床相似的結構使虛擬機床能模仿真實機床的任何功能而不致因為采用某種近似代替而導致某種結構的失真或丟失；2)機床各模塊的顆粒性。虛擬機床各模塊的顆粒性使每個模塊能彼此獨立的被開發和工作，從而增強了虛擬機床的可操作性和可管理性；3)各模塊合適的顆粒度。虛擬機床各模塊顆粒度的合適與否取決于每個模塊的抽象度是否定義合適，以便使虛擬機床既是一個能概括各種類型數控機床的抽象框架，又能方便的掛接具體的模塊來仿真某種特定類型的數控機床；
完善的圖形接口：完善的圖形接口使用戶既能像在真實環境中那樣完全操作數控機床，又能完全真實地以圖像的形式觀察機床運行的各種狀態和各種機床運行參數，從而最大限度的提高人機融合度；
完全的符號數據接口：完全的符號數據接口能使虛擬機床的各種靜止和運行狀態以符號數據的形式被外界感知，從而提供了與其他制造軟件的無縫鏈接。外界也能通過輸人符號數據對虛擬機床進行控制;強大的網絡支持功能：強大的網絡支持功能能使虛擬機床為各種真正的制造資源服務，從而在連接意義上提供與外界制造資源的相互操作性；標準數據格式：虛擬機床由于采用標準數據格式存儲、傳輸和處理數據因而能夠在語義意義上提高與外界制造資源的相互操作性。
虛擬數控機床的功能
虛擬數控機床應該能夠仿真不同的加工方法和不同的加工材料，能夠完成數控機床的各項操作，逼真地顯示數控機床的各種動作，并且能夠顯示和評估加工結果。因此系統要求具有如下功能：
模擬加工過程：顯示和仿真CNC控制功能、動畫加工過程，檢查刀具軌跡和干涉、過切、碰撞等并給予警告；
評估工件品質：顯示工件3D實體表面的拓撲關系、尺寸、公差和表面品質；
估算加工成本：通過仿真加工過程，能進行加工成本的估算；
加工過程的監控：監控加工過程的各個方面。
2 虛擬數控機床的體系結構
虛擬機床與實際機床一樣，可以認為是一組相互連接的活動部件的集合，它們完成要求的相對運動，提供工件和工件刀具系統上相關點的瞬間空間位置關系。因為機床的類型各式各樣，品種千變萬化，要想能夠表達各種機床，就需要采用模塊化的原理，定制各種標準的模塊，這樣經過少量的修改就可以建立各種機床的模型。各模塊應該標準化、通用化、集成化、層次化、靈便化、經濟化、并具有互換性、相容性和相關性，使系統具有開放性和適應性。根據虛擬數控機床的特點與功能，可以將虛擬數控機床系統的功能模塊作如下劃分：
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編譯模塊，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；
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；
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；
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；
機床場景模塊：建立虛擬機床的工作環境。
虛擬機床不能脫離實際機床而獨立存在，它是真實機床在計算機內的模擬，虛擬機床與真實機床是密不可分的。虛擬機床的結論是需要由真實機床來檢驗的，只有與真實機床相一致的結論才是正確的結論。
3 虛擬數控機床的的應用及展望
虛擬數控機床的應用將給制造業帶來革命性的飛躍。由于虛擬數控機床是數字模型，所以容易實現對數字模型進行顯示、分析、傳遞和迭代更新，為設計提供并行作業的可能，用經濟快捷的方式提高產品設計品質，縮短產品開發周期。采用虛擬數控機床技術，可以為產品設計過程中的可制造性分析提供關鍵數據，能夠迅速完成在機床上不方便操作的各項任務，如完成數控程序的調試、測量產品加工誤差、評定加工效率和檢驗干涉碰撞情況等。還可以利用虛擬機床優化切削參數，優化刀具路徑，提高機床設備的生產效率。利用機床加工的全過程與用戶的交互功能，可以為企業、學校的數控人才培訓提供快速、安全且不消耗資源的有效手段，并幫助機床制造商向遠程客戶逼真地演示其產品。為制造業提供最佳的發展以及為加工過程的優化提供決策依據。虛擬數控機床的網絡功能為真正實現遠程合作提供保證。
虛擬數控技術是由許多先進學科、先進知識形成的綜合技術系統，是一個極具潛力的前沿研究領域。由于多媒體技術和網絡技術以及仿真技術的迅速發展，虛擬數控技術將獲得更快的發展。虛擬機床是虛擬加工技術的核心，網絡化、智能化、集成化是虛擬制造技術的發展方向。虛擬機床軟件的發展目標應該是根據國內的現實情況和國外軟件的發展趨勢，針對具體的機床開發面向工程的實用化小型軟件。把某一類型的虛擬機床作為該類型數控機床的附件，提高數控機床的市場競爭力、增加機床產品的附加值。虛擬數控機床的應用，將為制造技術帶來勃勃生機，并將虛擬數控機床的研究開發推向一個更加嶄新的階段。