虚拟机床加工系统研究

    图中所示的各种联系都是双向的。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，实现敏捷的生产。 

    3. 虚拟机床加工系统研究的关键技术 
    a. 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； 
    b. 针对上述模型建立虚拟机床加工系统的运动学模型，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； 
    c. 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； 
    d. 真实地反映切削过程的切削模型的建立； 
    e. 能够真实反映工件全部信息的标准化的产品数据表示法； 
    f. 统一的各系统之间的接口定义及信息交换方式； 
    g. 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，各部件组成的顺序及运动方式的不同，将使刀具轨迹和误差的组成有明显的区别。特别是调整误差与机床各组件的相对位置更是有很大的关系。利用一种成形运动的特征运动链可表示出机床的拓扑结构，并方便误差的融合。例如：多轴机床的成形函数可由下式表示为
    rW=Ai1Ai2…Aij…AinrT                     (1)
式中　rW——工件坐标系中工件的位置向量
rT——刀具坐标系中刀具的位置向量
Aij——工件至刀具的运动链组件标架的齐次坐标变换矩阵<
在此，可用一定的代码表示多轴机床。如，一台五轴机床可表示为W/baxyz/T(Z)，则成形函数为
    rW=A(φ)5A(φ)4A(x)1A(y)2A(z)3rT                  (2)
式中，x、y、z为X、Y、Z轴的移动量，φ、Φ为A、B轴的转动量。
这个成形函数便构成了拓扑结构的雏形。后续的一切工作都是以它为基础的。
 
    2. 虚拟机床加工系统的初始化虚拟机床加工系统的初始化的主要作用是使虚拟机床加工系统能够更加真实地按照现有机床进行虚拟加工，使得到的加工结果能够迅速地在真实的加工现场得到应用。这实际上是工艺规划中的机床选择问题。尽管此时的选择范围变得相当大。除此之外，还有所选机床的虚拟化的任务也要在此完成。它需要大量的参数及很多的图形操作。要完成这些任务，网络通讯的支持是必不可少的。 

    3. 工件属性模型的研究 
    虚拟机床加工系统的最终目标是要得到对工件属性进行预测的能力。因此工件属性模型的建立对虚拟机床加工系统的成功是非常重要的。这其中所涉及的领域包含工件表面数据的表示方法、刀具的模型化、单点刀具及多点刀具的性能、表面成形的模型化方法等。同时也着重注意机床系统误差的影响。
具有真实感的加工表面的数据组织形式以及对如粗糙度这样的误差的直接拾取的计算方法还在进一步进行研究。统一数据的描述格式是必要的。因为它将对虚拟机床加工系统的所有环节产生影响。目前描述工件数据的方法主要有CSG、STEP法等。另外对图形数据的处理过程以及加工表面微观形貌特征的描述也可使用分形方法。总之，将现有方法与各种可能的因素综合考虑，总结出一种适当的方案是目前的主要工作。
 
    4. 运动、几何误差模型及动力学问题的考虑 
    对于多轴机床运动学模型的建立，目前大多数采用D—H方法或对D—H方法进行一定的修正。在应用其进行误差分析时，又有使用四参数模型和五参数模型的方法。尽管D—H方法可将运动、变换和映射与矩阵运算联系起来，但其对误差标定及速度、力等问题的求解，则不是十分方便。旋量方法能够明显简化计算程序的编制，并可同时对自由矢量和线矢量进行处理。该方法的使用不仅可使此方面的研究难度降低，而且会更加清晰。
除此之外，由于机床加工系统是一个非常复杂的加工工艺系统，自从其问世以来对它的研究虽已有相当长的历史，但其中仍有很多疑难问题并没有得到很好的定量解释，起主导作用的仍然是经验和实验数据；同时它的各个组成部分，又具有非常强的联系，各种联系因素错综复杂。这就给虚拟工作带来了相当大的难度。特别是动态误差对加工质量的影响是非常大的。振动和加工温度的变化在一定范围内将对粗糙度起着关键性的作用。采用一种简化的方法，将其分解为各个相对独立的组成部分去研究，已经成为普遍认可的研究策略。

    4 结束语

在国内，虚拟制造技术研究开展得比较早，也取得了一定的成绩。但对虚拟机床加工系统的研究尚未见报道。我们在对虚拟机床加工系统的部分关键技术进行深入研究的基础上，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。该软件系统具有完成NC代码的转换、虚拟加工以及加工质量的监测等功能，具有了一定的实际意义。目前正在进行多轴机床的虚拟机床加工系统的研究。针对多轴机床的特点以及加工工件的特点，我们将工作重点放在工件属性的描述、切削力的建模以及工件加工后的表面轮廓的描述和检测以及Agent技术的研究上。 
    基于Agent的技术的研究，对虚拟机床加工系统这样一个软件工具的建立是非常有价值的。实践表明，在虚拟制造及分布网络化制造中，基于Agent的结构将发挥巨大的作用。

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