全球化、網絡化和虛擬化已成為制造業發展的重要特征，實現"虛擬制造"(virtual manufacture)是制造業信息化的重要內容。虛擬制造是實際制造過程在計算機上的本質實現，即采用計算機仿真與虛擬現實技術實現產品的設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗及企業管理與控制等產品制造過程，以增強制造過程中各級決策與控制能力。虛擬數控機床體系結構、幾何及物理建模、所涉及的虛擬制造環境等為該領域研究的重點。

　　數控仿真是數控加工的關鍵環節之一，在虛擬制造中占重要地位。而在虛擬環境中實現數控加工仿真，首先必須對數控機床在虛擬環境中建模，使用戶在計算機所創建的三維虛擬環境中處于全身心投入的感覺狀態，即所謂"沉浸感"，這在很大程度上依賴于虛擬現實場景中模型建立的真實感和層次性。

　　通過對數控機床的虛擬精確建模進而仿真數控加工過程，不僅能節省資源、避免損失，而且可通過模擬機床及加工過程來培訓從事數控機床操作的人員，也可幫助機床制造商向潛在的遠程客戶逼真演示其產品。另外，虛擬數控加工過程仿真可以檢驗加工過程的關鍵數據。如總體加工時間、刀具非加工狀態、刀具工進狀態等，可用來進行虛擬制造中加工方案評估、產品可加工性分析和產品可制造性分析。

　　1虛擬環境中的精確建模方法

　　1.1虛擬模型精確建模方法研究

　　虛擬機床是指數控機床在虛擬環境下的映射。為追求"身臨其境"的逼真性和"超越現實"的虛擬性，虛擬機床主要由加工環境模型、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成。加工環境模型包括機床、刀具、夾具、毛坯、中期產品模型、目標產品模型，以及其它制造資源和環境物等各種實體對象的三維幾何模型及模型間的關系。加工過程模型則包括各種加工方法對應的切削過程中的熱變形、受力變形及振動模型。

　　在虛擬環境中建立數控機床的三維模型是實現數控加工仿真的基礎。虛擬環境中模型的建立包括如下方面的研究：①基于微機的虛擬環境體系結構;②基于幾何建模和計算機圖形學的建模方法，進行虛擬物體的建模;③基于圖像生成方法的建模，主要運用多視圖、全景或任意方向的圖像來產生虛擬環境。對于數控機床虛擬現實系統而言，基于幾何建模和計算機圖形學的建模方法具有很大的優越性。傳統建模方法主要有：①采用VB、C++或VC++、OpenGL圖形庫等編程開發環境設計。這種方法程序復雜、工作量大、造型不方便，且圖形效果不夠逼真、效果不理想;②采用虛擬現實開發軟件(如：WTK、VRML)等工具設計，實現復雜三維圖形的編程很困難、費時的，且達不到理想的效果;③采用一些商用三維建模軟件+VRML的建模方法：3DMAX+VRML，3DMAX是一款功能強大的精確建模、渲染、動畫三維制作軟件，支持VRML，能夠導出保持部件間各種關系的VRML文件。但3DMAX適合對虛擬環境進行三維建模(如校園、室內環境等)，它在構造與修改機械產品的幾何特征時操作不夠方便與快捷;Pro/E+VRML，采用Pro/E+VRML方法實現對虛擬設備的快速建模。Pro/E是專門針對機械產品的三維建模而開發的軟件，在建立機械產品的模型時非常方便快捷。但它只支持VRML 1.0的版本格式，且所導出的文件丟失了原模型各部件問的各種關系等重要信息。

　　本文基于SolidWorks三維GAD軟件，通過虛擬現實標準語言VRML建立由機床、刀架及頂尖等實體組成的虛擬環境中的實體模型，以及描述它們之間的結構關系，快速、真實地顯示三維虛擬數控車床。

　　1.2開發環境簡介

　　SolidWorks是世界上第一套基于Windows系統開發的三維機械設計CAD軟件，它自身有著在機械產品設計中別具一格的特點和優勢，即，可采用參數化的三維模型快速生成同一類型不同規格的系列產品，在建立機械產品的模型時格外方便、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，直接導出保持部件間的各種關系的VRML文件。筆者采用此方法實現數控車床在虛擬環境中精確建模：通過運用SoLidWorks軟件進行三維特征造型，采用國際標準的虛擬現實建模語言VRML為中間橋梁，經過一系列的變換、修改、輸入、輸出，形成wrl格式文件，減少了虛擬數控機床的建模工作量，提高了工作效率。

　　虛擬現實建模語言VRML(Virtual Reality Modeling Language)，是一種與操作平臺無關的、基于3DWeb的、描述可交互三維世界和對象的語言，通過創建虛擬場景達到現實中的效果。由YRML創建的虛擬現實場景是模擬現實中的三維產品造型，具有面向對象的層次性、多感知性，虛擬世界的交互性、實時性和網絡瀏覽等特點，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，為網絡虛擬制造提供了支持。

　　2虛擬數控車床的精確建模

　　虛擬數控車床是將實際數控車床進行一定的形狀和尺寸的抽象描繪，并按照一定的邏輯結構關系和運動依附關系組合而成的機床抽象模型。該模型應能真實反映機床各坐標軸的邏輯關系和運動關系，并能真實再現機床運動軌跡。虛擬環境中的數控車床精確建模的步驟如下：

　　(1)利用SolidWorks軟件對數控車床進行精確建模，包括床身、主軸、頂尖、刀架、三角爪盤、車刀等。對于一些與數控加工仿真無關的部件，如液壓系統、電氣系統等，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轉換程序輸出為VRML文件："文件一另存為：保存類型一VRML(*.wrl)-選項-文件格式：VRML-版本：VRML97"。即可輸出為VRML文件。在Parallel Graphics公司的Cottons瀏覽器的基礎上，在虛擬環境中構建可視的實體模型，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，實現現實意義下的零件組成部件，部件組成機床提供了非常便捷的方法。

　　(3)虛擬數控車床的虛擬裝配，采用結構化、模塊化、層次化設計思想，利用VRML作為建構的工具，采用Inline內聯節點的方法引入零件的VRML文件。在一級子裝配完成后，采用同樣的方法進行上一級子裝配的VRML實現，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，實際上只存儲了零件的三維造型數據，子裝配文件只是一些"Inline"，文件量很小。采用Inline方法可節省空間，減小文件的長度，給程序的調試和定義動畫帶來方便;也可進一步用于各種支持VRML文件格式的開發程序(如Java、Java Script等)中，有利于對組成虛擬數控機床的各實體模型再進行腳本編程，實現數控加工過程的虛擬動態仿真。虛擬數控車床總成如圖3所示。

　　3虛擬數控車削加工動態仿真研究

　　虛擬數控加工過程的動態仿真研究主要包括以下方面：①刀具運動軌跡仿真，此時只是刀具按加工軌跡圍繞毛坯運動，目的是直觀檢驗刀具運動軌跡的合理性;②機床運動過程仿真，此時將工件安裝在機床工作臺上，刀具運動軌跡分解為機床各運動部件的運動，目的是直觀檢驗刀具與機床部件及機床部件問的碰撞和干涉;③實時材料去除加工過程仿真，此時刀具按其運動軌跡對毛坯進行材料切除，目的是模擬實際的切削過程，生成產品加工結果模型，對加工精度和可加工性進行評估。在此仿真過程中，進一步通過估算切削力、夾緊力和切削熱，將工藝系統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動軌跡疊加，使所生成的產品加工結果模型能反映動態因素對加工質量的影響。

　　在虛擬數控車床精確建模的基礎上，基于VRML實現車削加工動態仿真，不依賴昂貴的CAD/CAM軟件，仿真信息共享程度很高，應用IE或Netscape瀏覽器可方便瀏覽，為制造設備信息化奠定基礎。

　　VRML 2.0具有對動畫和行為的描述的功能，為支持關鍵幀動畫技術引入了時間和插值節點，從而使虛擬環境更具現實感，包括5個簡單結構：節點事件域(node event fields)，路徑(routes)，傳感器(sensors)，插入件(interpolators)和描述節點(scriptnodes)。前4個結構用于連接和控制對象的動作、反應和動畫，描述節點Script可以加入程序語言(如Java、Java Script等)，對VRML對象的行為和動態的進行設定。

　　具體實現加工動態仿真時，可結合使用Route語句和Script節點來實現動態效果：用時間傳感器TimeSensor發出一系列的時刻值，通過路由Route傳給控制動畫的各種插補器，插補器接收到每一個時刻值就會在Key域找到對應的值及Key Value域中找到對應的值，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，包括工件的旋轉運動與刀具的直線運動，以實現數控加工動態仿真，如圖3所示。

　　圖3使用的Cortona瀏覽器有控制臺，設置有縮放、旋轉、拖動、復位和自旋轉等按鈕，基本上可實現物體的變換效果，如燈光、視角變換、裁剪、陰影、投影、碰撞等，實現虛擬現實操作，這樣簡化了用戶對圖形實現的處理過程，也可以利用它詳細觀察數控加工過程動態仿真的結果。通過觀察可以發現代碼的問題，手工修改NC代碼程序。同時，可以將理想工件和加工刀具軌跡進行效果比較。這些都是優于傳統仿真的地方。

　　4結語

　　利用SolidWorks一VRML實現虛擬現實的精確建模與動態仿真，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實場景中對實體的精確度的要求;虛擬數控機床的精確建模不僅為未來建立虛擬制造系統奠定基礎，而且可以在以下幾方面發揮積極作用：①培訓NC代碼編程人員和機床操作人員;②數控設備選型;③評估加工精度;④檢驗NC代碼;⑤評估產品的可加工性;⑥評估工藝規程的合理性。