1 概論

    為適應(yīng)這種狀況蔚舀，敏捷制造的概念被提出招殊。并行工程和虛擬制造技術(shù)成為敏捷制造的最為重要的使能技術(shù)尾疟。面對(duì)經(jīng)濟(jì)的全球化和工業(yè)環(huán)境的競(jìng)爭(zhēng)要求壳凳，虛擬制造技術(shù)應(yīng)該以廣域的制造資源為出發(fā)點(diǎn)址敢，以在虛擬的環(huán)境中描述加工過(guò)程及加工質(zhì)量為其最終目的。為此開(kāi)展了虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)(VMT Virtual machine Tool )的研究，提出了虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的基本體系結(jié)構(gòu)挥闸。通過(guò)虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)可以?xún)?yōu)化加工工藝训措、預(yù)報(bào)和檢測(cè)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(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造光羞，為敏捷制造的實(shí)施奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)绩鸣。

    2 虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的概念及基本要求

    虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)主要是針對(duì)虛擬制造系統(tǒng)中的虛擬加工單元而言的。機(jī)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(shí)體的重要組成部分纱兑。一個(gè)或多個(gè)這樣的系統(tǒng)的組合便構(gòu)成一個(gè)加工單元的物理結(jié)構(gòu)全闷。通過(guò)這個(gè)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)萍启。虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)便是這個(gè)重要組成部分在虛擬空間的映射总珠。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(jī)床—刀具—夾具—工件所組成的虛擬系統(tǒng)所構(gòu)成的勘纯。這一虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的擴(kuò)充和集成將發(fā)揮虛擬加工單元的功能局服，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(jī)床加工系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)中的機(jī)床加工系統(tǒng)是一一對(duì)應(yīng)的驳遵，具備現(xiàn)實(shí)機(jī)床加工系統(tǒng)的全部功能淫奔、特征和行為。能夠完成現(xiàn)實(shí)機(jī)床加工系統(tǒng)同樣的生產(chǎn)任務(wù)堤结，它的內(nèi)涵是非常豐富的斜擎。試圖用一個(gè)準(zhǔn)確的定義來(lái)說(shuō)明它是很困難的，但我們知道它是一個(gè)軟件工具肢阿、一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)宿闯。也就是說(shuō)虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)上建立的一套能夠描述真實(shí)加工過(guò)程、允許使用者測(cè)試和優(yōu)化加工工藝(機(jī)床的選擇及加工過(guò)程等)以及預(yù)測(cè)加工質(zhì)量的軟件工具甸赏。它可以根據(jù)實(shí)際加工機(jī)床或加工中心的狀況進(jìn)行初始化危厕，然后用數(shù)控代碼驅(qū)動(dòng)虛擬機(jī)床進(jìn)行切削加工，它除可描述刀具的真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡藏崇，完成諸如碰撞稻扔、干涉檢驗(yàn)等功能外，還可逼真地描述加工后工件的形狀誤差短揉、位置誤差伞下、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)品刚肠。它最大的好處是不消耗實(shí)際的資源和能量辛蕊。

    這樣的一個(gè)軟件工具的實(shí)現(xiàn)必須滿(mǎn)足以下的基本要求：

    (1)功能一致性：虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的功能應(yīng)與相應(yīng)的實(shí)際機(jī)床加工系統(tǒng)是一致的；

    (2)結(jié)構(gòu)相似性：虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)與實(shí)際機(jī)床加工系統(tǒng)是相似的谴垫；

    (3)組織的柔性：虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)是面向未來(lái)的制造系統(tǒng)章母，是面向市場(chǎng)、面向用戶(hù)需求的翩剪。因此乳怎，虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的組織與實(shí)現(xiàn)應(yīng)具有非常高的柔性。要具有很強(qiáng)的可重用性和可重組性前弯；

    (4)集成化：虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的軟件系統(tǒng)蚪缀，要特別注意到信息、職能恕出、人機(jī)等的高度集成询枚；

    (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(lái)制造業(yè)組織形式的發(fā)展趨勢(shì)。這也是虛擬制造系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)浙巫。將虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)自身看作是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)以及將其放入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中去研究是十分必要的金蜀。它要適應(yīng)未來(lái)制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。

    此外的畴，虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)作為一種估計(jì)和驗(yàn)證新產(chǎn)品的可制造性渊抄、可加工性的不可缺少的工具。它所關(guān)注的是金屬切削加工的模擬丧裁，是一個(gè)以真實(shí)感為基礎(chǔ)的機(jī)床加工模擬系統(tǒng)禁妓，是依賴(lài)于真實(shí)系統(tǒng)的。由于經(jīng)過(guò)虛擬實(shí)現(xiàn)的加工最終仍要在真實(shí)的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)央嘱，所以唧痴，諸如：1)機(jī)床的型號(hào)；2)機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)尺寸馏纱、工作臺(tái)的大小噩五、工作行程等；3)機(jī)床的精度素牌，包括加工時(shí)各工作部件的運(yùn)動(dòng)精度鳞乏、導(dǎo)軌精度、定位精度等滨靴；4)機(jī)床的使用情況绝绊，如故障率、故障原因巴疾、維修記錄收斑、使用環(huán)境等；5)操作機(jī)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)玲躯。因此据德，虛擬機(jī)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(shí)系統(tǒng)互通信息的虛擬系統(tǒng)。

    3 虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的提出

    對(duì)于軟件工具來(lái)說(shuō)跷车，建立一個(gè)正確的體系結(jié)構(gòu)是十分重要的棘利。它將關(guān)系到系統(tǒng)的正確建立橱野、運(yùn)行和維護(hù)。

    隨著面向?qū)ο蠹夹g(shù)的成熟善玫，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(guò)程之后水援，出現(xiàn)了更為簡(jiǎn)練的面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)模型。在這種模型中茅郎，內(nèi)核對(duì)象中封裝的是能為用戶(hù)界面對(duì)象和所有應(yīng)用對(duì)象共享的數(shù)據(jù)及相應(yīng)的操作蜗元。而用戶(hù)界面對(duì)象及其它應(yīng)用對(duì)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(duì)象都通過(guò)相互間的通訊協(xié)調(diào)來(lái)完成指定的功能系冗。這樣的系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是無(wú)中心的奕扣，系統(tǒng)的各構(gòu)成對(duì)象實(shí)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)模型的不同之處掌敬。正是由于這一不同惯豆，面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)模型便顯示出了它的優(yōu)點(diǎn)：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(lái)的通訊上的開(kāi)銷(xiāo)和復(fù)雜性。但是犀刀，在這種模型中堆浴，對(duì)象之間的聯(lián)系是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直接聯(lián)系，當(dāng)系統(tǒng)對(duì)象增加時(shí)督赡，通訊鏈接將以平方級(jí)激增哭逻。同時(shí)，為支持通訊磷可，每個(gè)對(duì)象實(shí)體都要維護(hù)一個(gè)包含所有對(duì)象實(shí)體服務(wù)信息的功能服務(wù)信息庫(kù)躬筐。在眾多的對(duì)象中，這一部分信息是重復(fù)的荸刁，而且還要保持一致性帅忌，這樣就損害了系統(tǒng)的有效性。另外态措，這些對(duì)象的接口沒(méi)有一致的標(biāo)準(zhǔn)此幕，也造成向系統(tǒng)中加入對(duì)象的不規(guī)范和隨意性。對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)和對(duì)象的復(fù)用非常不利桑抱。為此签缸，我們引入了組件技術(shù)(Component Technology)。此時(shí)左腔，系統(tǒng)的整體模型如圖1所示唧垦。

    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(lái)的一種新的軟件工程技術(shù)，是面向?qū)ο蠹夹g(shù)的延伸液样。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仍然是一種面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)振亮，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(jì)的鞭莽，在系統(tǒng)中共存坊秸，共同完成復(fù)雜的任務(wù)麸祷。

    為使組件做到即插即用，無(wú)縫集成褒搔，系統(tǒng)模型的關(guān)鍵在于建立一種高效的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)阶牍，使組件之間能以一個(gè)公共接口互相連接。而由于這種接口規(guī)范的一致性站超，使通訊的復(fù)雜度大大降低荸恕，組件間的互操作性大大提高乖酬。

    在此死相，我們依據(jù)虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，提出了組件化的虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)先俐。如圖2所示丘三。

    圖2 虛擬機(jī)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(xiàn)

    系統(tǒng)中的總線(xiàn)，提供了各組件之間的通訊服務(wù)坷字、一致的接口規(guī)范和管理組件的功能服務(wù)许辖。當(dāng)一個(gè)組件請(qǐng)求另一個(gè)組件的服務(wù)時(shí)，總線(xiàn)負(fù)責(zé)查詢(xún)功能服務(wù)信息庫(kù)通肋，定位提供服務(wù)的組件贮猛，并傳送服務(wù)要求。虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)雙總線(xiàn)結(jié)構(gòu)璃蓬。一個(gè)是虛擬機(jī)床內(nèi)部的核心總線(xiàn)闺蜈，主要是完成作為虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的重要組成部分虛擬機(jī)床內(nèi)部各部分的交互和應(yīng)用。另一條總線(xiàn)則構(gòu)成了虛擬機(jī)床與工藝設(shè)備想祝、刀具庫(kù)的互操作以及與工藝規(guī)劃及整個(gè)制造網(wǎng)絡(luò)的互操作昵人。系統(tǒng)中的各組件可以通過(guò)該總線(xiàn)互相鏈接，可以任意插拔览讳，以便構(gòu)成更大的系統(tǒng)誊酌。兩條總線(xiàn)是相通的，這樣可減少核心總線(xiàn)上的流量露乏，提高了核心總線(xiàn)的效率碧浊。

    4.1.2 虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的基本組件

    在虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)中有如下基本組件：交互服務(wù)、對(duì)象庫(kù)瘟仿、機(jī)床組合辉词、機(jī)床控制、虛擬加工猾骡、誤差融合瑞躺、工藝設(shè)備、刀具庫(kù)等兴想。

    (1)交互服務(wù) 是系統(tǒng)執(zhí)行的驅(qū)動(dòng)幢哨。它包括必要的輸入信息赡勘，如：NC代碼、工件毛坯描述捞镰、刀具描述等信息闸与。同時(shí)，也是和其他制造資源相鏈接的重要部分岸售。

    (2)對(duì)象庫(kù) 虛擬機(jī)床中有一個(gè)對(duì)象庫(kù)喳卢，分別由一組對(duì)象組成。它包括：虛擬機(jī)床各模塊的參數(shù)化圖形類(lèi)玖远、虛擬加工的各種算法坦妙、加工誤差的基本信息等。

    (3)機(jī)床組合 一個(gè)機(jī)床的虛擬描述方法契惶。通過(guò)總線(xiàn)可以獲得制造網(wǎng)絡(luò)上加工地的機(jī)床信息璃帘，與對(duì)象庫(kù)組件協(xié)同工作，形成與真實(shí)加工機(jī)床具有一定可比性的虛擬機(jī)床驳蒙。

    (4)機(jī)床控制 根據(jù)輸入信息熬魄，完成對(duì)虛擬機(jī)床的各種聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件的控制。包括數(shù)控代碼處理组缎，各種坐標(biāo)變換等滔壳。
    (5)虛擬加工 通過(guò)虛擬機(jī)床和機(jī)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(shí)機(jī)床的加工誤差描述出來(lái)朴轰，使其體現(xiàn)在切削加工后所形成的工件中武填。

    (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)续誉。

    (8)工藝設(shè)備 通用的和特殊的工藝裝備莱没，包括：夾具、量具等酷鸦。它們可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)充饰躲，并根據(jù)工藝的要求進(jìn)行選用。

    (9)刀具庫(kù) 存儲(chǔ)了大量的通用刀具臼隔∴诹眩可依據(jù)一定的規(guī)則選用。該刀具庫(kù)可任意擴(kuò)充摔握。

    (10)工藝規(guī)劃 這是一個(gè)十分重要寄狼，但又十分復(fù)雜的組件。它是一個(gè)工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)氨淌，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行檢驗(yàn)泊愧。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(qǐng)求后盛正，通過(guò)總線(xiàn)删咱，信息被分送不同的組件屑埋。轉(zhuǎn)換器和工藝規(guī)劃組件通過(guò)總線(xiàn)1及總線(xiàn)2分別使工藝設(shè)備和刀具以及虛擬機(jī)床組件共同工作，以謀求合適的加工條件凭坪。機(jī)床組合組件則通過(guò)總線(xiàn)向制造網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送信息肤俱，獲得現(xiàn)實(shí)中合適的機(jī)床信息、描述機(jī)床并初始化连谁，進(jìn)而調(diào)用對(duì)象庫(kù)中的信息建立虛擬機(jī)床绸搞。然后請(qǐng)求其他組件的協(xié)同來(lái)完成切削加工，并將加工后的工件信息放置在總線(xiàn)上醋皂。再由交互服務(wù)組件判定加工狀況的滿(mǎn)意度亭结。當(dāng)結(jié)果滿(mǎn)意時(shí)，則停止系統(tǒng)運(yùn)行藤汇，否則召摔，將重新開(kāi)始智精，反復(fù)進(jìn)行直至滿(mǎn)意為止蜻肄。

    5 結(jié)論

    由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)我們使用了組件技術(shù)，不僅使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加靈活丙卧、開(kāi)放性更強(qiáng)琴致，而且還使虛擬機(jī)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)作更加默契洪鸭。

    基于組件的虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的設(shè)計(jì)样刷，充分顯示出組件技術(shù)的巨大優(yōu)勢(shì)。它使復(fù)雜的機(jī)床加工及檢測(cè)系統(tǒng)的虛擬工作的難度大大降低览爵≈帽牵可以相信，隨著研究的進(jìn)一步深入蜓竹，它在系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及更多的領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更大的作用箕母。

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