概論
如何縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、消除廢品生產(chǎn)、降低產(chǎn)品成本以提高產(chǎn)品的綜合競爭能力，是現(xiàn)代制造企業(yè)所面臨的決定其是否繼續(xù)生存的新要素。為適應(yīng)這種狀況，敏捷制造的概念被提出。并行工程和虛擬制造技術(shù)成為敏捷制造的zui為重要的使能技術(shù)。面對經(jīng)濟的化和工業(yè)環(huán)境的競爭要求，虛擬制造技術(shù)應(yīng)該以廣域的制造資源為出發(fā)點，以在虛擬的環(huán)境中描述加工過程及加工質(zhì)量為其zui終目的。為此開展了虛擬機床加工系統(tǒng)（vmt virtual machine tool ）的研究，提出了虛擬機床加工系統(tǒng)的基本體系結(jié)構(gòu)。通過虛擬機床加工系統(tǒng)可以優(yōu)化加工工藝、預(yù)報和檢測加工質(zhì)量，可以在分布制造網(wǎng)絡(luò)中很好地利用廣域的制造資源迅速而快捷地實現(xiàn)生產(chǎn)制造，為敏捷制造的實施奠定堅實的基礎(chǔ)。
2 虛擬機床加工系統(tǒng)的概念及基本要求
虛擬機床加工系統(tǒng)主要是針對虛擬制造系統(tǒng)中的虛擬加工單元而言的。機床—刀具—夾具—工件所組成的加工系統(tǒng)是加工單元的物理實體的重要組成部分。一個或多個這樣的系統(tǒng)的組合便構(gòu)成一個加工單元的物理結(jié)構(gòu)。通過這個組合并在信息系統(tǒng)的支持下，加工單元便可完成預(yù)定的加工任務(wù)。虛擬機床加工系統(tǒng)便是這個重要組成部分在虛擬空間的映射。它同樣也是虛擬加工單元的重要組成部分。它是由虛擬的機床—刀具—夾具—工件所組成的虛擬系統(tǒng)所構(gòu)成的。這一虛擬機床加工系統(tǒng)的擴充和集成將發(fā)揮虛擬加工單元的功能，完成所規(guī)劃的虛擬加工單元所要完成的虛擬生產(chǎn)任務(wù)。
虛擬機床加工系統(tǒng)與現(xiàn)實中的機床加工系統(tǒng)是一一對應(yīng)的，具備現(xiàn)實機床加工系統(tǒng)的全部功能、特征和行為。能夠完成現(xiàn)實機床加工系統(tǒng)同樣的生產(chǎn)任務(wù)，它的內(nèi)涵是非常豐富的。試圖用一個準(zhǔn)確的定義來說明它是很困難的，但我們知道它是一個軟件工具、一個計算機系統(tǒng)。也就是說虛擬機床加工系統(tǒng)是在計算機上建立的一套能夠描述真實加工過程、允許使用者測試和優(yōu)化加工工藝（機床的選擇及加工過程等）以及預(yù)測加工質(zhì)量的軟件工具。它可以根據(jù)實際加工機床或加工中心的狀況進(jìn)行初始化，然后用數(shù)控代碼驅(qū)動虛擬機床進(jìn)行切削加工，它除可描述刀具的真實運動軌跡，完成諸如碰撞、干涉檢驗等功能外，還可逼真地描述加工后工件的形狀誤差、位置誤差、幾何尺寸誤差和表面粗糙度等屬性。它生產(chǎn)的是數(shù)字產(chǎn)品。它zui大的好處是不消耗實際的資源和能量。
這樣的一個軟件工具的實現(xiàn)必須滿足以下的基本要求：
（1）功能一致性：虛擬機床加工系統(tǒng)的功能應(yīng)與相應(yīng)的實際機床加工系統(tǒng)是一致的；
（2）結(jié)構(gòu)相似性：虛擬機床加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)與實際機床加工系統(tǒng)是相似的；
（3）組織的柔性：虛擬機床加工系統(tǒng)是面向未來的制造系統(tǒng)，是面向市場、面向用戶需求的。因此，虛擬機床加工系統(tǒng)的組織與實現(xiàn)應(yīng)具有非常高的柔性。要具有很強的可重用性和可重組性；
（4）集成化：虛擬機床加工系統(tǒng)是一個復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，要特別注意到信息、職能、人機等的高度集成；
（5）網(wǎng)絡(luò)化：制造系統(tǒng)的跨地域化和制造單元的跨地域化是未來制造業(yè)組織形式的發(fā)展趨勢。這也是虛擬制造系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。將虛擬機床加工系統(tǒng)自身看作是一個網(wǎng)絡(luò)以及將其放入一個網(wǎng)絡(luò)中去研究是十分必要的。它要適應(yīng)未來制造業(yè)發(fā)展的趨勢。
此外，虛擬機床加工系統(tǒng)作為一種估計和驗證新產(chǎn)品的可制造性、可加工性的*的工具。它所關(guān)注的是金屬切削加工的模擬，是一個以真實感為基礎(chǔ)的機床加工模擬系統(tǒng)，是依賴于真實系統(tǒng)的。由于經(jīng)過虛擬實現(xiàn)的加工zui終仍要在真實的環(huán)境中實現(xiàn)，所以，諸如：1）機床的型號；2）機床的主要結(jié)構(gòu)尺寸、工作臺的大小、工作行程等；3）機床的精度，包括加工時各工作部件的運動精度、導(dǎo)軌精度、定位精度等；4）機床的使用情況，如故障率、故障原因、維修記錄、使用環(huán)境等；5）操作機床的人員狀況等的信息將是選擇具體加工地的重要依據(jù)。因此，虛擬機床加工系統(tǒng)就是要包含上述所有信息并能自如地與其他虛擬資源及真實系統(tǒng)互通信息的虛擬系統(tǒng)。
3 虛擬機床加工系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的提出
對于軟件工具來說，建立一個正確的體系結(jié)構(gòu)是十分重要的。它將關(guān)系到系統(tǒng)的正確建立、運行和維護(hù)。
隨著面向?qū)ο蠹夹g(shù)的成熟，軟件的系統(tǒng)模型的發(fā)展在經(jīng)歷了以數(shù)據(jù)為中心和以執(zhí)行為中心的過程之后，出現(xiàn)了更為簡練的面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)模型。在這種模型中，內(nèi)核對象中封裝的是能為用戶界面對象和所有應(yīng)用對象共享的數(shù)據(jù)及相應(yīng)的操作。而用戶界面對象及其它應(yīng)用對象則分別封裝了各自的數(shù)據(jù)及相應(yīng)的操作。所有這些對象都通過相互間的通訊協(xié)調(diào)來完成的功能。這樣的系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是無中心的，系統(tǒng)的各構(gòu)成對象實體的地位是平等的。這是面向?qū)ο笙到y(tǒng)模型與以數(shù)據(jù)和執(zhí)行為中心的系統(tǒng)模型的不同之處。正是由于這一不同，面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)模型便顯示出了它的優(yōu)點：數(shù)據(jù)和功能的合理封裝降低了由于數(shù)據(jù)和功能的集中管理所帶來的通訊上的開銷和復(fù)雜性。但是，在這種模型中，對象之間的是一種點對點的直接，當(dāng)系統(tǒng)對象增加時，通訊鏈接將以平方級激增。同時，為支持通訊，每個對象實體都要維護(hù)一個包含所有對象實體服務(wù)信息的功能服務(wù)信息庫。在眾多的對象中，這一部分信息是重復(fù)的，而且還要保持一致性，這樣就損害了系統(tǒng)的有效性。另外，這些對象的接口沒有一致的標(biāo)準(zhǔn)，也造成向系統(tǒng)中加入對象的不規(guī)范和隨意性。對系統(tǒng)的維護(hù)和對象的復(fù)用非常不利。為此，我們引入了組件技術(shù)（component technology）。此時，系統(tǒng)的整體模型如圖1所示。
圖1 引入組件技術(shù)的系統(tǒng)模型
組件技術(shù)是繼面向?qū)ο蠹夹g(shù)之后發(fā)展起來的一種新的軟件工程技術(shù)，是面向?qū)ο蠹夹g(shù)的延伸。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仍然是一種面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)，軟件系統(tǒng)中的組件是定義良好的軟件模塊。它們是按照一定的規(guī)范設(shè)計的，在系統(tǒng)中共存，共同完成復(fù)雜的任務(wù)。
為使組件做到即插即用，無縫集成，系統(tǒng)模型的關(guān)鍵在于建立一種的總線結(jié)構(gòu)，使組件之間能以一個公共接口互相連接。而由于這種接口規(guī)范的一致性，使通訊的復(fù)雜度大大降低，組件間的互操作性大大提高。
在此，我們依據(jù)虛擬機床加工系統(tǒng)的基本特點，提出了組件化的虛擬機床加工系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。如圖2所示。
圖2 虛擬機床加工系統(tǒng)組件化的體系結(jié)構(gòu)
4 體系內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理
4.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
4.1.1 總線
系統(tǒng)中的總線，提供了各組件之間的通訊服務(wù)、一致的接口規(guī)范和管理組件的功能服務(wù)。當(dāng)一個組件請求另一個組件的服務(wù)時，總線負(fù)責(zé)查詢功能服務(wù)信息庫，定位提供服務(wù)的組件，并傳送服務(wù)要求。虛擬機床加工系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)是一個雙總線結(jié)構(gòu)。一個是虛擬機床內(nèi)部的核心總線，主要是完成作為虛擬機床加工系統(tǒng)的重要組成部分虛擬機床內(nèi)部各部分的交互和應(yīng)用。另一條總線則構(gòu)成了虛擬機床與工藝設(shè)備、刀具庫的互操作以及與工藝規(guī)劃及整個制造網(wǎng)絡(luò)的互操作。系統(tǒng)中的各組件可以通過該總線互相鏈接，可以任意插拔，以便構(gòu)成更大的系統(tǒng)。兩條總線是相通的，這樣可減少核心總線上的流量，提高了核心總線的效率。
4.1.2 虛擬機床加工系統(tǒng)的基本組件
在虛擬機床加工系統(tǒng)中有如下基本組件：交互服務(wù)、對象庫、機床組合、機床控制、虛擬加工、誤差融合、工藝設(shè)備、刀具庫等。
（1）交互服務(wù) 是系統(tǒng)執(zhí)行的驅(qū)動。它包括必要的輸入信息，如：nc代碼、工件毛坯描述、刀具描述等信息。同時，也是和其他制造資源相鏈接的重要部分。
（2）對象庫 虛擬機床中有一個對象庫，分別由一組對象組成。它包括：虛擬機床各模塊的參數(shù)化圖形類、虛擬加工的各種算法、加工誤差的基本信息等。
（3）機床組合 一個機床的虛擬描述方法。通過總線可以獲得制造網(wǎng)絡(luò)上加工地的機床信息，與對象庫組件協(xié)同工作，形成與真實加工機床具有一定可比性的虛擬機床。
（4）機床控制 根據(jù)輸入信息，完成對虛擬機床的各種聯(lián)動運動部件的控制。包括數(shù)控代碼處理，各種坐標(biāo)變換等。
（5）虛擬加工 通過虛擬機床和機床控制組件的支持完成虛擬切削加工任務(wù)。
（6）誤差融合 將真實機床的加工誤差描述出來，使其體現(xiàn)在切削加工后所形成的工件中。
（7）轉(zhuǎn)換器 完成異構(gòu)數(shù)據(jù)的處理、工件描述數(shù)據(jù)的處理等任務(wù)。
（8）工藝設(shè)備 通用的和特殊的工藝裝備，包括：夾具、量具等。它們可根據(jù)需要進(jìn)行擴充，并根據(jù)工藝的要求進(jìn)行選用。
（9）刀具庫 存儲了大量的通用刀具?？梢罁?jù)一定的規(guī)則選用。該刀具庫可任意擴充。
（10）工藝規(guī)劃 這是一個十分重要，但又十分復(fù)雜的組件。它是一個工藝設(shè)計系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對現(xiàn)有工藝進(jìn)行檢驗。并發(fā)送給系統(tǒng)以進(jìn)行虛擬加工。
4.2 工作原理
當(dāng)系統(tǒng)接收到輸入信息即工作請求后，通過總線，信息被分送不同的組件。轉(zhuǎn)換器和工藝規(guī)劃組件通過總線1及總線2分別使工藝設(shè)備和刀具以及虛擬機床組件共同工作，以謀求合適的加工條件。機床組合組件則通過總線向制造網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送信息，獲得現(xiàn)實中合適的機床信息、描述機床并初始化，進(jìn)而調(diào)用對象庫中的信息建立虛擬機床。然后請求其他組件的協(xié)同來完成切削加工，并將加工后的工件信息放置在總線上。再由交互服務(wù)組件判定加工狀況的滿意度。當(dāng)結(jié)果滿意時，則停止系統(tǒng)運行，否則，將重新開始，反復(fù)進(jìn)行直至滿意為止。
5 結(jié)論
由于在系統(tǒng)設(shè)計時我們使用了組件技術(shù)，不僅使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加靈活、開放性更強，而且還使虛擬機床加工系統(tǒng)與cad/cam系統(tǒng)、虛擬裝配系統(tǒng)之間以及加工地之間的協(xié)作更加默契。
基于組件的虛擬機床加工系統(tǒng)的設(shè)計，充分顯示出組件技術(shù)的巨大優(yōu)勢。它使復(fù)雜的機床加工及檢測系統(tǒng)的虛擬工作的難度大大降低?？梢韵嘈?，隨著研究的進(jìn)一步深入，它在系統(tǒng)設(shè)計以及更多的領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更大的作用。