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(jìng)爭(zhēng)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(duì)經(jīng)濟(jì)的化和工業(yè)環(huán)境的競(jìng)爭(zhēng)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(diǎn)，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(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)。通過虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)可以優(yōu)化加工工藝、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，為敏捷制造的實(shí)施奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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。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)。通過這個(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)。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。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。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，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，具備現(xiàn)實(shí)機(jī)床加工系統(tǒng)的全部功能、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)，它的內(nèi)涵是非常豐富的。試圖用一個(gè)準(zhǔn)確的定義來說明它是很困難的，但我們知道它是一個(gè)軟件工具、一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。也就是說虛擬機(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)床的選擇及加工過程等）以及預(yù)測(cè)加工質(zhì)量的軟件工具。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，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，完成諸如碰撞、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、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(shí)際的資源和能量。

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

（3）組織的柔性：虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)是面向未來的制造系統(tǒng)，是面向市場(chǎng)、面向用戶需求的。因此，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；

（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)，要特別注意到信息、職能、人機(jī)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(shì)。這也是虛擬制造系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。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。它要適應(yīng)未來制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。

此外，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、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(gè)以真實(shí)感為基礎(chǔ)的機(jī)床加工模擬系統(tǒng)，是依賴于真實(shí)系統(tǒng)的。由于經(jīng)過虛擬實(shí)現(xiàn)的加工zui終仍要在真實(shí)的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，所以，諸如：1）機(jī)床的型號(hào)；2）機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)尺寸、工作臺(tái)的大小、工作行程等；3）機(jī)床的精度，包括加工時(shí)各工作部件的運(yùn)動(dòng)精度、導(dǎo)軌精度、定位精度等；4）機(jī)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(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)。因此，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)于軟件工具來說，建立一個(gè)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(yùn)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(jiǎn)練的面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)模型。在這種模型中，內(nèi)核對(duì)象中封裝的是能為用戶界面對(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。而用戶界面對(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(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。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(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的通訊上的開銷和復(fù)雜性。但是，在這種模型中，對(duì)象之間的是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直接，當(dāng)系統(tǒng)對(duì)象增加時(shí)，通訊鏈接將以平方級(jí)激增。同時(shí)，為支持通訊，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。在眾多的對(duì)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(duì)象的接口沒有一致的標(biāo)準(zhǔn)，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。為此，我們引入了組件技術(shù)（Component Technology）。此時(shí)，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(jì)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(gè)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(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)。如圖2所示。

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
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(gè)組件請(qǐng)求另一個(gè)組件的服務(wù)時(shí)，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(jī)床加工系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)雙總線結(jié)構(gòu)。一個(gè)是虛擬機(jī)床內(nèi)部的核心總線，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。另一條總線則構(gòu)成了虛擬機(jī)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(gè)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(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、機(jī)床組合、機(jī)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(dòng)。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(shí)，也是和其他制造資源相鏈接的重要部分。

（2）對(duì)象庫 虛擬機(jī)床中有一個(gè)對(duì)象庫，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、虛擬加工的各種算法、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。通過總線可以獲得制造網(wǎng)絡(luò)上加工地的機(jī)床信息，與對(duì)象庫組件協(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。

（4）機(jī)床控制 根據(jù)輸入信息，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，各種坐標(biāo)變換等。

（5）虛擬加工 通過虛擬機(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，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(kuò)充，并根據(jù)工藝的要求進(jìn)行選用。

（9）刀具庫 存儲(chǔ)了大量的通用刀具。可依據(jù)一定的規(guī)則選用。該刀具庫可任意擴(kuò)充。

（10）工藝規(guī)劃 這是一個(gè)十分重要，但又十分復(fù)雜的組件。它是一個(gè)工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行檢驗(yàn)。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，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(jī)床組件共同工作，以謀求合適的加工條件。機(jī)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(shí)中合適的機(jī)床信息、描述機(jī)床并初始化，進(jìn)而調(diào)用對(duì)象庫中的信息建立虛擬機(jī)床。然后請(qǐng)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(shí)，則停止系統(tǒng)運(yùn)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(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、開放性更強(qiáng)，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。

基于組件的虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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。可以相信，隨著研究的進(jìn)一步深入，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。