1 引言

1.1 虛擬制造的產(chǎn)生背景

自20世紀(jì)70年代以來，世界市場(chǎng)由局部競(jìng)爭(zhēng)逐步演變成全球范圍內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)，并具有動(dòng)態(tài)多變的特征，同行業(yè)之間、跨行業(yè)之間的相互滲透、相互競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。為了適應(yīng)變化迅速的市場(chǎng)需求，不斷提高競(jìng)爭(zhēng)力，現(xiàn)代制造企業(yè)必須解決TQCS難題，即以最快的上市速度(T-TimetoMarket)，最好的質(zhì)量(Q-Quality)，最低的成本(C-Cost)，最優(yōu)的服務(wù)(S-Service)來滿足不同顧客的需求。

與此同時(shí)，信息技術(shù)取得了迅速發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息處理技術(shù)等取得了人們意想不到的進(jìn)步。二十多年來的實(shí)踐證明，將信息技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè)，對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)進(jìn)行改造，是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必由之路。進(jìn)人20世紀(jì)90年代，先進(jìn)制造技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了虛擬制造(VM，Virtual Manufacturing)、精益生產(chǎn)(LP，Lean Production)、敏捷制造(AM，Agile Manufacturing)、虛擬企業(yè)(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(diǎn)引起了人們的廣泛關(guān)注，不僅在科技界，而且在企業(yè)界，成為研究的熱點(diǎn)之一。

1.2 虛擬數(shù)控機(jī)床的用途

由于數(shù)控加工過程隱含在數(shù)控程序中，而數(shù)控程序中的錯(cuò)誤又不容易發(fā)現(xiàn)，因此，在實(shí)際數(shù)控加工過程中，為了校驗(yàn)數(shù)控代碼的正確性，需要進(jìn)行反復(fù)試切，直至確認(rèn)數(shù)控代碼能夠完成預(yù)定的加工任務(wù)，同時(shí)數(shù)控加工參數(shù)也需要反復(fù)調(diào)試。上述操作不僅使效率降低，占用了機(jī)器資源，而且有可能引起刀具碰撞而造成經(jīng)濟(jì)損失。

目前通常采用計(jì)算機(jī)圖形模擬刀具軌跡顯示法和機(jī)床試切法對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行檢驗(yàn)。但計(jì)算機(jī)圖形模擬刀具軌跡顯示法缺少真實(shí)感，刀具與工件的干涉和過切難以發(fā)現(xiàn)，而試切法成本高，周期長(zhǎng)。

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的虛擬數(shù)控機(jī)床，可以為產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的可制造性分析提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，降低成本并縮短開發(fā)周期。利用機(jī)床加工的全過程與用戶的交互功能，還可以對(duì)機(jī)床操作人員進(jìn)行培訓(xùn)，并幫助機(jī)床制造商向遠(yuǎn)程客戶逼真地演示其產(chǎn)品。

2 基于WTK的虛擬數(shù)控機(jī)床

WTK(WorldToolKit)是由美國(guó)Sense8公司開發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件程序包。它內(nèi)含大量的虛擬現(xiàn)實(shí)硬件驅(qū)動(dòng)程序，可以方便地連接多種虛擬現(xiàn)實(shí)輸人輸出設(shè)置。與設(shè)備無關(guān)的特性，使它可以廣泛應(yīng)用于普通計(jì)算機(jī)。強(qiáng)大的圖形處理功能，使它能夠逼真地模擬虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。因此，WTK在國(guó)內(nèi)正得到越來越廣泛的應(yīng)用。

我們結(jié)合開放性控制系統(tǒng)的概念，參照當(dāng)今虛擬機(jī)床的研究現(xiàn)狀，采用VC++和WTK開發(fā)出可由用戶自由設(shè)定的、能夠進(jìn)行三維切削并可以實(shí)時(shí)控制的虛擬數(shù)控機(jī)床。

2.1 虛擬數(shù)控機(jī)床的體系結(jié)構(gòu)

數(shù)控加工過程仿真主要包括兩個(gè)部分：數(shù)控機(jī)床建模和切削過程仿真。數(shù)控機(jī)床模型主要由機(jī)床的硬件(或物理)部分和軟件部分組成。硬件部分由機(jī)床部件、加工零件、刀具、夾具等構(gòu)成。軟件部分則由NC代碼編譯器、運(yùn)動(dòng)控制器等構(gòu)成。

圖1 虛擬數(shù)控機(jī)床的體系結(jié)構(gòu)

虛擬數(shù)控機(jī)床應(yīng)具備的特點(diǎn)有：良好的結(jié)構(gòu)、完善的圖形接口、完全的符號(hào)數(shù)據(jù)接口、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持功能和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式。以上諸方面決定了虛擬數(shù)控機(jī)床需要具備合適的體系結(jié)構(gòu)。根據(jù)虛擬數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)，可以將系統(tǒng)的功能模塊做如下劃分：

(1)NC編譯模塊。為了使虛擬數(shù)控機(jī)床能夠識(shí)別NC程序，開發(fā)了NC解釋模塊，它的功能是接受數(shù)控代碼并將其翻譯為機(jī)床部件、刀具等運(yùn)動(dòng)的信息。
(2)運(yùn)動(dòng)控制模塊。運(yùn)動(dòng)控制模塊根據(jù)NC程序決定機(jī)床刀具和各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，向各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件發(fā)送運(yùn)動(dòng)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(shí)數(shù)控機(jī)床的操作面板按鈕功能和虛擬數(shù)控機(jī)床的菜單。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
(4)切削計(jì)算模塊。根據(jù)工件與刀具的相對(duì)位置，進(jìn)行干涉判斷，對(duì)發(fā)生干涉的工件進(jìn)行切削計(jì)算并重新生成工件模型。
(5)機(jī)床場(chǎng)景模塊。建立虛擬機(jī)床的工作環(huán)境。

2.2 虛擬數(shù)控機(jī)床功能模塊的實(shí)現(xiàn)

(1)NC解釋模塊：本系統(tǒng)的G代碼按GB8870-88標(biāo)準(zhǔn)編寫，NC解釋步驟為：①由NC編譯器逐行讀取G代碼，建立對(duì)應(yīng)的機(jī)床狀態(tài)字，存入隊(duì)列。機(jī)床狀態(tài)字包含：坐標(biāo)增量方式、刀補(bǔ)狀態(tài)、插補(bǔ)方式等狀態(tài)信息和本行程序的刀心起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)、圓弧圓心坐標(biāo)、刀補(bǔ)半徑等數(shù)字信息。②讀取下一行G代碼建立機(jī)床狀態(tài)字，存人隊(duì)列。③計(jì)算兩行G代碼之間的拐點(diǎn)過渡，對(duì)增長(zhǎng)型的過渡則生成新機(jī)床狀態(tài)字，插人兩個(gè)狀態(tài)字之間；對(duì)于縮短型的過渡則修改前后的機(jī)床狀態(tài)字。④重復(fù)①一③步直到程序結(jié)束。

(2)運(yùn)動(dòng)控制模塊：為了擴(kuò)大系統(tǒng)使用范圍，增強(qiáng)系統(tǒng)的通用性，本文是按速度矢量對(duì)虛擬機(jī)床進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制的。運(yùn)動(dòng)控制模塊讀取機(jī)床和刀具位置，由機(jī)床狀態(tài)字可以方便地計(jì)算出刀具在任意位置的速度矢量，運(yùn)動(dòng)控制模塊將速度矢量輸出到機(jī)床場(chǎng)景模塊，對(duì)場(chǎng)景中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(shù)，實(shí)現(xiàn)真實(shí)機(jī)床操作面板相應(yīng)的功能。

(4)切削計(jì)算模塊：本文采用表面網(wǎng)格模型建立工件模型，通過對(duì)工件和刀具的干涉檢驗(yàn)，對(duì)切削點(diǎn)進(jìn)行“塌陷”處理，重繪工件，完成對(duì)工件的切削。

(5)機(jī)床場(chǎng)景模塊：采用WTK軟件的場(chǎng)景圖模型，每個(gè)機(jī)床部件都是場(chǎng)景圖中的節(jié)點(diǎn)，包含機(jī)床部件的幾何模型和材質(zhì)、紋理及光源等信息。節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。節(jié)點(diǎn)可以接受速度矢量的驅(qū)動(dòng)。將部件節(jié)點(diǎn)按傳動(dòng)鏈連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制模塊速度矢量的響應(yīng)。

圖2 節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

對(duì)于解決制造業(yè)的TQCS問題，虛擬制造技術(shù)具有廣闊的市場(chǎng)前景，并已得到了國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的廣泛關(guān)注。作為實(shí)現(xiàn)虛擬制造的一個(gè)重要組成部分，虛擬數(shù)控機(jī)床技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，有助于提高生產(chǎn)率、降低成本。本文在對(duì)虛擬制造的發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，建立了虛擬數(shù)控機(jī)床的體系結(jié)構(gòu)，采用VR技術(shù)在場(chǎng)景圖中實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)床子系統(tǒng)，并由NC解釋模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊和操作面板模塊完成虛擬數(shù)控子系統(tǒng)的相應(yīng)功能；完成了NC程序編譯、刀具軌跡計(jì)算、虛擬數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制和對(duì)工件模型的切削計(jì)算。

3.2 展望

虛擬制造技術(shù)是一門新興技術(shù)，它面向系統(tǒng)的全生命周期和全系統(tǒng)，使研究、開發(fā)和使用者之間的聯(lián)系更為有效，加速了新技術(shù)向產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的開發(fā)、研制與使用過程，并通過全生命周期協(xié)同利用仿真技術(shù)來降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短研制周期、降低成本、增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

目前，我國(guó)對(duì)虛擬數(shù)控機(jī)床的研究還處在起步階段，對(duì)下列問題還需要深人研究與探討：

(1)虛擬制造中人機(jī)協(xié)調(diào)的深人研究。對(duì)人和計(jì)算機(jī)在制造分析過程中的角色、相互作用方式和協(xié)同方法進(jìn)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(xiàn)實(shí)技術(shù)來分析和解決可制造性問題。
(3)對(duì)虛擬制造系統(tǒng)與其它分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)之間的集成體制進(jìn)行研究。