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虚拟机床加工系统的组件化设计
张铁军 袁哲俊 姚英学 刘华明
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概论
如何缩短产品开发周期、消除废品生产、降低产品成本以提高产品的综合竞争能力，是现代制造企业所面临的决定其是否继续生存的新要素。为适应这种状况，敏捷制造的概念被提出。并行工程和虚拟制造技术成为敏捷制造的最为重要的使能技术。面对经济的全球化和工业环境的竞争要求，虚拟制造技术应该以广域的制造资源为出发点，以在虚拟的环境中描述加工过程及加工质量为其最终目的。为此开展了虚拟机床加工系统(VMT Virtual machine Tool )的研究，提出了虚拟机床加工系统的基本体系结构。通过虚拟机床加工系统可以优化加工工艺、预报和检测加工质量，可以在分布制造网络中很好地利用广域的制造资源迅速而快捷地实现生产制造，为敏捷制造的实施奠定坚实的基础。
2　虚拟机床加工系统的概念及基本要求
虚拟机床加工系统主要是针对虚拟制造系统中的虚拟加工单元而言的。机床—刀具—夹具—工件所组成的加工系统是加工单元的物理实体的重要组成部分。一个或多个这样的系统的组合便构成一个加工单元的物理结构。通过这个组合并在信息系统的支持下，加工单元便可完成预定的加工任务。虚拟机床加工系统便是这个重要组成部分在虚拟空间的映射。它同样也是虚拟加工单元的重要组成部分。它是由虚拟的机床—刀具—夹具—工件所组成的虚拟系统所构成的。这一虚拟机床加工系统的扩充和集成将发挥虚拟加工单元的功能，完成所规划的虚拟加工单元所要完成的虚拟生产任务。
虚拟机床加工系统与现实中的机床加工系统是一一对应的，具备现实机床加工系统的全部功能、特征和行为。能够完成现实机床加工系统同样的生产任务，它的内涵是非常丰富的。试图用一个准确的定义来说明它是很困难的，但我们知道它是一个软件工具、一个计算机系统。也就是说虚拟机床加工系统是在计算机上建立的一套能够描述真实加工过程、允许使用者测试和优化加工工艺(机床的选择及加工过程等)以及预测加工质量的软件工具。它可以根据实际加工机床或加工中心的状况进行初始化，然后用数控代码驱动虚拟机床进行切削加工，它除可描述刀具的真实运动轨迹，完成诸如碰撞、干涉检验等功能外，还可逼真地描述加工后工件的形状误差、位置误差、几何尺寸误差和表面粗糙度等属性。它生产的是数字产品。它最大的好处是不消耗实际的资源和能量。
这样的一个软件工具的实现必须满足以下的基本要求：
(1)功能一致性：虚拟机床加工系统的功能应与相应的实际机床加工系统是一致的；
(2)结构相似性：虚拟机床加工系统的结构应与实际机床加工系统是相似的；
(3)组织的柔性：虚拟机床加工系统是面向未来的制造系统，是面向市场、面向用户需求的。因此，虚拟机床加工系统的组织与实现应具有非常高的柔性。要具有很强的可重用性和可重组性；
(4)集成化：虚拟机床加工系统是一个复杂的软件系统，要特别注意到信息、职能、人机等的高度集成；
(5)网络化：制造系统的跨地域化和制造单元的跨地域化是未来制造业组织形式的发展趋势。这也是虚拟制造系统发展的趋势。将虚拟机床加工系统自身看作是一个网络以及将其放入一个网络中去研究是十分必要的。它要适应未来制造业发展的趋势。
此外，虚拟机床加工系统作为一种估计和验证新产品的可制造性、可加工性的不可缺少的工具。它所关注的是金属切削加工的模拟，是一个以真实感为基础的机床加工模拟系统，是依赖于真实系统的。由于经过虚拟实现的加工最终仍要在真实的环境中实现，所以，诸如：1)机床的型号；2)机床的主要结构尺寸、工作台的大小、工作行程等；3)机床的精度，包括加工时各工作部件的运动精度、导轨精度、定位精度等；4)机床的使用情况，如故障率、故障原因、维修记录、使用环境等；5)操作机床的人员状况等的信息将是选择具体加工地的重要依据。因此，虚拟机床加工系统就是要包含上述所有信息并能自如地与其他虚拟资源及真实系统互通信息的虚拟系统。
3　虚拟机床加工系统体系结构的提出
对于软件工具来说，建立一个正确的体系结构是十分重要的。它将关系到系统的正确建立、运行和维护。
随着面向对象技术的成熟，软件的系统模型的发展在经历了以数据为中心和以执行为中心的过程之后，出现了更为简练的面向对象的系统模型。在这种模型中，内核对象中封装的是能为用户界面对象和所有应用对象共享的数据及相应的操作。而用户界面对象及其它应用对象则分别封装了各自的数据及相应的操作。所有这些对象都通过相互间的通讯协调来完成指定的功能。这样的系统在结构上是无中心的，系统的各构成对象实体的地位是平等的。这是面向对象系统模型与以数据和执行为中心的系统模型的不同之处。正是由于这一不同，面向对象的系统模型便显示出了它的优点：数据和功能的合理封装降低了由于数据和功能的集中管理所带来的通讯上的开销和复杂性。但是，在这种模型中，对象之间的联系是一种点对点的直接联系，当系统对象增加时，通讯链接将以平方级激增。同时，为支持通讯，每个对象实体都要维护一个包含所有对象实体服务信息的功能服务信息库。在众多的对象中，这一部分信息是重复的，而且还要保持一致性，这样就损害了系统的有效性。另外，这些对象的接口没有一致的标准，也造成向系统中加入对象的不规范和随意性。对系统的维护和对象的复用非常不利。为此，我们引入了组件技术(Component Technology)。此时，系统的整体模型如图1所示。

（图片）

图1　引入组件技术的系统模型

组件技术是继面向对象技术之后发展起来的一种新的软件工程技术，是面向对象技术的延伸。这种系统结构仍然是一种面向对象的结构，软件系统中的组件是定义良好的软件模块。它们是按照一定的规范设计的，在系统中共存，共同完成复杂的任务。
为使组件做到即插即用，无缝集成，系统模型的关键在于建立一种高效的总线结构，使组件之间能以一个公共接口互相连接。而由于这种接口规范的一致性，使通讯的复杂度大大降低，组件间的互操作性大大提高。
在此，我们依据虚拟机床加工系统的基本特点，提出了组件化的虚拟机床加工系统的体系结构。如图2所示。

（图片）

图2　虚拟机床加工系统组件化的体系结构

4　体系内部结构及工作原理
4.1　内部结构
4.1.1　总线
系统中的总线，提供了各组件之间的通讯服务、一致的接口规范和管理组件的功能服务。当一个组件请求另一个组件的服务时，总线负责查询功能服务信息库，定位提供服务的组件，并传送服务要求。虚拟机床加工系统的体系结构是一个双总线结构。一个是虚拟机床内部的核心总线，主要是完成作为虚拟机床加工系统的重要组成部分虚拟机床内部各部分的交互和应用。另一条总线则构成了虚拟机床与工艺设备、刀具库的互操作以及与工艺规划及整个制造网络的互操作。系统中的各组件可以通过该总线互相链接，可以任意插拔，以便构成更大的系统。两条总线是相通的，这样可减少核心总线上的流量，提高了核心总线的效率。
4.1.2　虚拟机床加工系统的基本组件
在虚拟机床加工系统中有如下基本组件：交互服务、对象库、机床组合、机床控制、虚拟加工、误差融合、工艺设备、刀具库等。
(1)交互服务 是系统执行的驱动。它包括必要的输入信息，如：NC代码、工件毛坯描述、刀具描述等信息。同时，也是和其他制造资源相链接的重要部分。
(2)对象库 虚拟机床中有一个对象库，分别由一组对象组成。它包括：虚拟机床各模块的参数化图形类、虚拟加工的各种算法、加工误差的基本信息等。
(3)机床组合 一个机床的虚拟描述方法。通过总线可以获得制造网络上加工地的机床信息，与对象库组件协同工作，形成与真实加工机床具有一定可比性的虚拟机床。
(4)机床控制 根据输入信息，完成对虚拟机床的各种联动运动部件的控制。包括数控代码处理，各种坐标变换等。
(5)虚拟加工 通过虚拟机床和机床控制组件的支持完成虚拟切削加工任务。
(6)误差融合 将真实机床的加工误差描述出来，使其体现在切削加工后所形成的工件中。
(7)转换器 完成异构数据的处理、工件描述数据的处理等任务。
(8)工艺设备 通用的和特殊的工艺装备，包括：夹具、量具等。它们可根据需要进行扩充，并根据工艺的要求进行选用。
(9)刀具库 存储了大量的通用刀具。可依据一定的规则选用。该刀具库可任意扩充。
(10)工艺规划 这是一个十分重要，但又十分复杂的组件。它是一个工艺设计系统，负责对现有工艺进行检验。并发送给系统以进行虚拟加工。
4.2　工作原理
当系统接收到输入信息即工作请求后，通过总线，信息被分送不同的组件。转换器和工艺规划组件通过总线1及总线2分别使工艺设备和刀具以及虚拟机床组件共同工作，以谋求合适的加工条件。机床组合组件则通过总线向制造网络上发送信息，获得现实中合适的机床信息、描述机床并初始化，进而调用对象库中的信息建立虚拟机床。然后请求其他组件的协同来完成切削加工，并将加工后的工件信息放置在总线上。再由交互服务组件判定加工状况的满意度。当结果满意时，则停止系统运行，否则，将重新开始，反复进行直至满意为止。
5　结论
由于在系统设计时我们使用了组件技术，不仅使系统的结构更加灵活、开放性更强，而且还使虚拟机床加工系统与CAD/CAM系统、虚拟装配系统之间以及加工地之间的协作更加默契。
基于组件的虚拟机床加工系统的设计，充分显示出组件技术的巨大优势。它使复杂的机床加工及检测系统的虚拟工作的难度大大降低。可以相信，随着研究的进一步深入，它在系统设计以及更多的领域将发挥更大的作用。
6/15/2004

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