全球化、網(wǎng)絡(luò)化和虛擬化已成為制造業(yè)發(fā)展的重要特征，實(shí)現(xiàn)"虛擬制造"(virtual manufacture)是制造業(yè)信息化的重要內(nèi)容。虛擬制造是實(shí)際制造過程在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)實(shí)現(xiàn)，即采用計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗(yàn)及企業(yè)管理與控制等產(chǎn)品制造過程，以增強(qiáng)制造過程中各級決策與控制能力。虛擬數(shù)控機(jī)床體系結(jié)構(gòu)、幾何及物理建模、所涉及的虛擬制造環(huán)境等為該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。

　　數(shù)控仿真是數(shù)控加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，在虛擬制造中占重要地位。而在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工仿真，首先必須對數(shù)控機(jī)床在虛擬環(huán)境中建模，使用戶在計(jì)算機(jī)所創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中處于全身心投入的感覺狀態(tài)，即所謂"沉浸感"，這在很大程度上依賴于虛擬現(xiàn)實(shí)場景中模型建立的真實(shí)感和層次性。

　　通過對數(shù)控機(jī)床的虛擬精確建模進(jìn)而仿真數(shù)控加工過程，不僅能節(jié)省資源、避免損失，而且可通過模擬機(jī)床及加工過程來培訓(xùn)從事數(shù)控機(jī)床操作的人員，也可幫助機(jī)床制造商向潛在的遠(yuǎn)程客戶逼真演示其產(chǎn)品。另外，虛擬數(shù)控加工過程仿真可以檢驗(yàn)加工過程的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。如總體加工時(shí)間、刀具非加工狀態(tài)、刀具工進(jìn)狀態(tài)等，可用來進(jìn)行虛擬制造中加工方案評估、產(chǎn)品可加工性分析和產(chǎn)品可制造性分析。

　　1虛擬環(huán)境中的精確建模方法

　　1.1虛擬模型精確建模方法研究

　　虛擬機(jī)床是指數(shù)控機(jī)床在虛擬環(huán)境下的映射。為追求"身臨其境"的逼真性和"超越現(xiàn)實(shí)"的虛擬性，虛擬機(jī)床主要由加工環(huán)境模型、加工過程模型、加工過程仿真模型、虛擬操作界面和圖形處理模塊構(gòu)成。加工環(huán)境模型包括機(jī)床、刀具、夾具、毛坯、中期產(chǎn)品模型、目標(biāo)產(chǎn)品模型，以及其它制造資源和環(huán)境物等各種實(shí)體對象的三維幾何模型及模型間的關(guān)系。加工過程模型則包括各種加工方法對應(yīng)的切削過程中的熱變形、受力變形及振動模型。

　　在虛擬環(huán)境中建立數(shù)控機(jī)床的三維模型是實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工仿真的基礎(chǔ)。虛擬環(huán)境中模型的建立包括如下方面的研究：①基于微機(jī)的虛擬環(huán)境體系結(jié)構(gòu);②基于幾何建模和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的建模方法，進(jìn)行虛擬物體的建模;③基于圖像生成方法的建模，主要運(yùn)用多視圖、全景或任意方向的圖像來產(chǎn)生虛擬環(huán)境。對于數(shù)控機(jī)床虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)而言，基于幾何建模和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的建模方法具有很大的優(yōu)越性。傳統(tǒng)建模方法主要有：①采用VB、C++或VC++、OpenGL圖形庫等編程開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)。這種方法程序復(fù)雜、工作量大、造型不方便，且圖形效果不夠逼真、效果不理想;②采用虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)軟件(如：WTK、VRML)等工具設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維圖形的編程很困難、費(fèi)時(shí)的，且達(dá)不到理想的效果;③采用一些商用三維建模軟件+VRML的建模方法：3DMAX+VRML，3DMAX是一款功能強(qiáng)大的精確建模、渲染、動畫三維制作軟件，支持VRML，能夠?qū)С霰３植考g各種關(guān)系的VRML文件。但3DMAX適合對虛擬環(huán)境進(jìn)行三維建模(如校園、室內(nèi)環(huán)境等)，它在構(gòu)造與修改機(jī)械產(chǎn)品的幾何特征時(shí)操作不夠方便與快捷;Pro/E+VRML，采用Pro/E+VRML方法實(shí)現(xiàn)對虛擬設(shè)備的快速建模。Pro/E是專門針對機(jī)械產(chǎn)品的三維建模而開發(fā)的軟件，在建立機(jī)械產(chǎn)品的模型時(shí)非常方便快捷。但它只支持VRML 1.0的版本格式，且所導(dǎo)出的文件丟失了原模型各部件問的各種關(guān)系等重要信息。

　　本文基于SolidWorks三維GAD軟件，通過虛擬現(xiàn)實(shí)標(biāo)準(zhǔn)語言VRML建立由機(jī)床、刀架及頂尖等實(shí)體組成的虛擬環(huán)境中的實(shí)體模型，以及描述它們之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，快速、真實(shí)地顯示三維虛擬數(shù)控車床。

　　1.2開發(fā)環(huán)境簡介

　　SolidWorks是世界上第一套基于Windows系統(tǒng)開發(fā)的三維機(jī)械設(shè)計(jì)CAD軟件，它自身有著在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中別具一格的特點(diǎn)和優(yōu)勢，即，可采用參數(shù)化的三維模型快速生成同一類型不同規(guī)格的系列產(chǎn)品，在建立機(jī)械產(chǎn)品的模型時(shí)格外方便、快捷。尤其是SolidWorks 2006以上版本對VRML 2.0具有良好的支持，可將建立好的零件模型，直接導(dǎo)出保持部件間的各種關(guān)系的VRML文件。筆者采用此方法實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床在虛擬環(huán)境中精確建模：通過運(yùn)用SoLidWorks軟件進(jìn)行三維特征造型，采用國際標(biāo)準(zhǔn)的虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言VRML為中間橋梁，經(jīng)過一系列的變換、修改、輸入、輸出，形成wrl格式文件，減少了虛擬數(shù)控機(jī)床的建模工作量，提高了工作效率。

　　虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言VRML(Virtual Reality Modeling Language)，是一種與操作平臺無關(guān)的、基于3DWeb的、描述可交互三維世界和對象的語言，通過創(chuàng)建虛擬場景達(dá)到現(xiàn)實(shí)中的效果。由YRML創(chuàng)建的虛擬現(xiàn)實(shí)場景是模擬現(xiàn)實(shí)中的三維產(chǎn)品造型，具有面向?qū)ο蟮膶哟涡浴⒍喔兄裕摂M世界的交互性、實(shí)時(shí)性和網(wǎng)絡(luò)瀏覽等特點(diǎn)，而且由于VRML文件可以像HTML文檔一樣上傳下載，并啟動VRML瀏覽器來觀看文檔所描述的三維模型，很好地解決了信息交流與共享，為網(wǎng)絡(luò)虛擬制造提供了支持。

　　2虛擬數(shù)控車床的精確建模

　　虛擬數(shù)控車床是將實(shí)際數(shù)控車床進(jìn)行一定的形狀和尺寸的抽象描繪，并按照一定的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系和運(yùn)動依附關(guān)系組合而成的機(jī)床抽象模型。該模型應(yīng)能真實(shí)反映機(jī)床各坐標(biāo)軸的邏輯關(guān)系和運(yùn)動關(guān)系，并能真實(shí)再現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動軌跡。虛擬環(huán)境中的數(shù)控車床精確建模的步驟如下：

　　(1)利用SolidWorks軟件對數(shù)控車床進(jìn)行精確建模，包括床身、主軸、頂尖、刀架、三角爪盤、車刀等。對于一些與數(shù)控加工仿真無關(guān)的部件，如液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等，在仿真模型中可不予考慮，以簡化模型。圖l為三角爪盤的三維造型。

　　(2)利用SolidWorks的.VRML轉(zhuǎn)換程序輸出為VRML文件："文件一另存為：保存類型一VRML(*.wrl)-選項(xiàng)-文件格式：VRML-版本：VRML97"。即可輸出為VRML文件。在Parallel Graphics公司的Cottons瀏覽器的基礎(chǔ)上，在虛擬環(huán)境中構(gòu)建可視的實(shí)體模型，虛擬三角爪盤的精確建模，如圖2所示。這對于建立虛擬加工場景，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)意義下的零件組成部件，部件組成機(jī)床提供了非常便捷的方法。

　　(3)虛擬數(shù)控車床的虛擬裝配，采用結(jié)構(gòu)化、模塊化、層次化設(shè)計(jì)思想，利用VRML作為建構(gòu)的工具，采用Inline內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)的方法引入零件的VRML文件。在一級子裝配完成后，采用同樣的方法進(jìn)行上一級子裝配的VRML實(shí)現(xiàn)，即上一級子裝配由下級子裝配Inline組成，以此類推，直到最高級裝配體。這樣，實(shí)際上只存儲了零件的三維造型數(shù)據(jù)，子裝配文件只是一些"Inline"，文件量很小。采用Inline方法可節(jié)省空間，減小文件的長度，給程序的調(diào)試和定義動畫帶來方便;也可進(jìn)一步用于各種支持VRML文件格式的開發(fā)程序(如Java、Java Script等)中，有利于對組成虛擬數(shù)控機(jī)床的各實(shí)體模型再進(jìn)行腳本編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工過程的虛擬動態(tài)仿真。虛擬數(shù)控車床總成如圖3所示。

　　3虛擬數(shù)控車削加工動態(tài)仿真研究

　　虛擬數(shù)控加工過程的動態(tài)仿真研究主要包括以下方面：①刀具運(yùn)動軌跡仿真，此時(shí)只是刀具按加工軌跡圍繞毛坯運(yùn)動，目的是直觀檢驗(yàn)刀具運(yùn)動軌跡的合理性;②機(jī)床運(yùn)動過程仿真，此時(shí)將工件安裝在機(jī)床工作臺上，刀具運(yùn)動軌跡分解為機(jī)床各運(yùn)動部件的運(yùn)動，目的是直觀檢驗(yàn)刀具與機(jī)床部件及機(jī)床部件問的碰撞和干涉;③實(shí)時(shí)材料去除加工過程仿真，此時(shí)刀具按其運(yùn)動軌跡對毛坯進(jìn)行材料切除，目的是模擬實(shí)際的切削過程，生成產(chǎn)品加工結(jié)果模型，對加工精度和可加工性進(jìn)行評估。在此仿真過程中，進(jìn)一步通過估算切削力、夾緊力和切削熱，將工藝系統(tǒng)因熱變形和受力變形造成的刀具與工件問的相對位移與刀具的理論運(yùn)動軌跡疊加，使所生成的產(chǎn)品加工結(jié)果模型能反映動態(tài)因素對加工質(zhì)量的影響。

　　在虛擬數(shù)控車床精確建模的基礎(chǔ)上，基于VRML實(shí)現(xiàn)車削加工動態(tài)仿真，不依賴昂貴的CAD/CAM軟件，仿真信息共享程度很高，應(yīng)用IE或Netscape瀏覽器可方便瀏覽，為制造設(shè)備信息化奠定基礎(chǔ)。

　　VRML 2.0具有對動畫和行為的描述的功能，為支持關(guān)鍵幀動畫技術(shù)引入了時(shí)間和插值節(jié)點(diǎn)，從而使虛擬環(huán)境更具現(xiàn)實(shí)感，包括5個(gè)簡單結(jié)構(gòu)：節(jié)點(diǎn)事件域(node event fields)，路徑(routes)，傳感器(sensors)，插入件(interpolators)和描述節(jié)點(diǎn)(scriptnodes)。前4個(gè)結(jié)構(gòu)用于連接和控制對象的動作、反應(yīng)和動畫，描述節(jié)點(diǎn)Script可以加入程序語言(如Java、Java Script等)，對VRML對象的行為和動態(tài)的進(jìn)行設(shè)定。

　　具體實(shí)現(xiàn)加工動態(tài)仿真時(shí)，可結(jié)合使用Route語句和Script節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)動態(tài)效果：用時(shí)間傳感器TimeSensor發(fā)出一系列的時(shí)刻值，通過路由Route傳給控制動畫的各種插補(bǔ)器，插補(bǔ)器接收到每一個(gè)時(shí)刻值就會在Key域找到對應(yīng)的值及Key Value域中找到對應(yīng)的值，然后由value-changed事件出口輸出新的值列表，并通過路由將新值傳遞給各零部件，包括工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動與刀具的直線運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工動態(tài)仿真，如圖3所示。

　　圖3使用的Cortona瀏覽器有控制臺，設(shè)置有縮放、旋轉(zhuǎn)、拖動、復(fù)位和自旋轉(zhuǎn)等按鈕，基本上可實(shí)現(xiàn)物體的變換效果，如燈光、視角變換、裁剪、陰影、投影、碰撞等，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)操作，這樣簡化了用戶對圖形實(shí)現(xiàn)的處理過程，也可以利用它詳細(xì)觀察數(shù)控加工過程動態(tài)仿真的結(jié)果。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)代碼的問題，手工修改NC代碼程序。同時(shí)，可以將理想工件和加工刀具軌跡進(jìn)行效果比較。這些都是優(yōu)于傳統(tǒng)仿真的地方。

　　4結(jié)語

　　利用SolidWorks一VRML實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的精確建模與動態(tài)仿真，減少了虛擬建模的工作量，提高了工作效率，更重要的是能夠滿足虛擬現(xiàn)實(shí)場景中對實(shí)體的精確度的要求;虛擬數(shù)控機(jī)床的精確建模不僅為未來建立虛擬制造系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)，而且可以在以下幾方面發(fā)揮積極作用：①培訓(xùn)NC代碼編程人員和機(jī)床操作人員;②數(shù)控設(shè)備選型;③評估加工精度;④檢驗(yàn)NC代碼;⑤評估產(chǎn)品的可加工性;⑥評估工藝規(guī)程的合理性。