1 概述

　　虚拟机床加工系统的研究工作最早是由美国提出的。美国伊利诺伊大学主持成立的虚拟机床研究机构和美国NIST都投入了大量的人力、物力开展虚拟机床的研究与开发工作。前者的工作主要按机床行为建模和过程建模两部分进行。其中虚拟机床的行为建模包括以下六部分：(1)机床拓扑模型；(2)机床运动学模型；(3)机床控制模型；(4)几何误差模型；(5)主轴动态特性模型；(6)热误差模型。过程建模主要是建立系统响应、工件属性与加工过程之间的关系。包括：(1)切削过程模型；(2)工件属性模型；(3)工装夹具模型等三部分。而后者则以为虚拟制造提供支持工具，并为制定下一代基于信息的制造技术标准奠定基础为目标。

　　我们在跟踪国外研究进展的基础上，完成了一个以车削加工为基础的虚拟机床加工系统的软件系统。本文将对虚拟机床加工系统的部分研究内容进行较深入的讨论(本文研究内容得到国家“863计划”资助)。

　　2 虚拟机床加工系统研究的基本内容和关键技术

　　1) 虚拟机床加工系统的基本要求

　　虚拟机床加工系统是在计算机上建立的一套能够描述真实加工过程和质量

检验过程，允许使用者测试和优化加工工艺、预测加工质量的软件工具。它可以根据实际加工机床或加工中心进行初始化，然后由数控代码驱动虚拟的机床进行切削加工。它除可描述刀具真实运动轨迹外，还可根据刀具特征计算工件的形状误差、形位误差、几何尺寸误差和表面粗糙度，进而达到预测加工质量的目的。虚拟机床加工系统所生产的产品是可视的虚拟产品，具有真实产品所必须具备的一切特征，是一个数字化的产品。

　　虚拟机床加工系统的建模有以下两点最基本的要求：

　　·在功能上要与现实机床加工系统有一定的等价性；

　　·在组成结构上要与现实制造系统中的机床加工系统有一定的可比性CONTROL ENGINEERING China版权所有，要可系列化CONTROL ENGINEERING China版权所有，具有可重用性与可重组性。

　　此外控制工程网版权所有，由于虚拟机床加工系统是一种估计和验证新产品的可制造性的不可缺少的工具。它所关注的是金属切削加工的描述，它是以真实感为基础的、是依赖于真实系统的。经过虚拟实现的加工最终仍要在真实的环境中实现。因此，虚拟机床加工系统要包含诸如：(1)机床型号；(2)机床的主要结构尺寸、工作台的大小、工作行程等；(3)机床的精度，包括加工时各工作部件的运动精度、导轨精度、定位精度等；(4)机床的使用情况，如故障率、故障原因、维修记录、使用环境等；(5)操作机床的人员状况等的全部信息。

　　虚拟机床加工系统就是要包含上述所有信息并能自如地与其他虚拟资源及真实系统互通信息的虚拟系统。

　　2) 虚拟机床系统研究的基本内容

　　

虚拟机床加工系统的基本框架和研究内容

　　整个虚拟生产系统的工作是以虚拟机床加工系统为中心的。CAD/CAM系统为虚拟机床加工系统提供标准化的设计数据。根据这一设计数据，虚拟机床加工系统在对异地加工位置的实际机床系统进行选取使自身初始化后进行产品的加工生产，并将加工后所得到的产品数据交付虚拟检测系统和虚拟装配系统检验产品的质量和性能，同时对加工和设计提出修改建议。这一过程是反复进行的，直至获得合格的虚拟产品。而后，将所形成的加工数据反馈给最终所选定的加工地进行加工。通过上述过程一个新产品便被迅速地加工完成。在正式交付加工数据之前，虚拟的加工不仅不需要任何资源，而且可以随时满足客户的特殊要求CONTROL ENGINEERING China版权所有，实现敏捷的生产。

 　3) 虚拟机床加工系统研究的关键技术

　　·建立一个在结构上与现实机床加工系统具有一定的可比性、代表着一类机床加工系统的共同特性、具有更高的柔性、可重构性、可重用性的虚拟机床加工系统拓扑模型；

　　·针对上述模型建立虚拟机床加工系统的运动学模型控制工程网版权所有，从而完成虚拟机床加工系统主轴的运动状态描述以及刀具的运动轨迹描述；

　　·建立虚拟机床加工系统的误差模型，将一类机床加工系统的误差融入运动学模型中，使刀具的工作空间具有更高的真实性；

　　·真实地反映切削过程的切削模型的建立；

　　·能够真实反映工件全部信息的标准化的产品数据表示法；

　　·统一的各系统之间的接口定义及信息交换方式；

　　·对所加工的产品以及对数字零件的加工质量的预报和监测。

　　3 解决关键技术的一些基本方法

　　1) 建立机床加工系统拓扑模型

　　利用拓扑等价关系可以形成一个拓扑意义上的机床，建立最一般的复映关系。这种复映关系指的是虚拟机床加工系统与现实机床加工系统以及虚拟机床加工系统中所包含的影响加工质量的各种关系。在拓扑模型的建立中，我们将现有机床划分成适当的组成部分，以便组成相应的结构。对于多轴机床来说，各部件组成的