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(jí)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(duì)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(chǎng)景中模型建立的真實(shí)感和層次性。

　　通過對(duì)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(píng)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(duì)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(duì)應(yīng)的切削過程中的熱變形、受力變形及振動(dòng)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(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)虛擬設(shè)備的快速建模。Pro/E是專門針對(duì)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(jiǎn)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(shì)，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(duì)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(guó)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(tái)無關(guān)的、基于3DWeb的、描述可交互三維世界和對(duì)象的語言，通過創(chuàng)建虛擬場(chǎng)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(chǎng)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?、多感知性，虛擬世界的交互性、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(dòng)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(dòng)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(dòng)關(guān)系，并能真實(shí)再現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)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(duì)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(duì)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(jiǎn)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(duì)于建立虛擬加工場(chǎng)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(jí)子裝配完成后，采用同樣的方法進(jìn)行上一級(jí)子裝配的VRML實(shí)現(xiàn)，即上一級(jí)子裝配由下級(jí)子裝配Inline組成，以此類推，直到最高級(jí)裝配體。這樣，實(shí)際上只存儲(chǔ)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(zhǎng)度，給程序的調(diào)試和定義動(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)態(tài)仿真研究

　　虛擬數(shù)控加工過程的動(dòng)態(tài)仿真研究主要包括以下方面：①刀具運(yùn)動(dòng)軌跡仿真，此時(shí)只是刀具按加工軌跡圍繞毛坯運(yùn)動(dòng)，目的是直觀檢驗(yàn)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的合理性;②機(jī)床運(yùn)動(dòng)過程仿真，此時(shí)將工件安裝在機(jī)床工作臺(tái)上，刀具運(yùn)動(dòng)軌跡分解為機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)，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(dòng)軌跡對(duì)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(duì)加工精度和可加工性進(jìn)行評(píng)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(duì)位移與刀具的理論運(yùn)動(dòng)軌跡疊加，使所生成的產(chǎn)品加工結(jié)果模型能反映動(dòng)態(tài)因素對(duì)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(dòng)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(duì)動(dòng)畫和行為的描述的功能，為支持關(guān)鍵幀動(dòng)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(jiǎn)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(duì)象的動(dòng)作、反應(yīng)和動(dòng)畫，描述節(jié)點(diǎn)Script可以加入程序語言(如Java、Java Script等)，對(duì)VRML對(duì)象的行為和動(dòng)態(tài)的進(jìn)行設(shè)定。

　　具體實(shí)現(xiàn)加工動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(huì)在Key域找到對(duì)應(yīng)的值及Key Value域中找到對(duì)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(dòng)與刀具的直線運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工動(dòng)態(tài)仿真，如圖3所示。

　　圖3使用的Cortona瀏覽器有控制臺(tái)，設(shè)置有縮放、旋轉(zhuǎn)、拖動(dòng)、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(jiǎn)化了用戶對(duì)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(dòng)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(dòng)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(chǎng)景中對(duì)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(píng)估加工精度;④檢驗(yàn)NC代碼;⑤評(píng)估產(chǎn)品的可加工性;⑥評(píng)估工藝規(guī)程的合理性。