現(xiàn)代制造技術(shù)正朝著高效率、高速度、高精度、高集成和高智能方向發(fā)展，加工智能化和虛擬制造已成為現(xiàn)代制造業(yè)中最重要的組成部分和發(fā)展方向，并成為提高產(chǎn)品國際競爭力的關(guān)鍵技術(shù)。目前，全球制造業(yè)之間的競爭日趨激烈，企業(yè)要贏得競爭，就需要以市場和用戶為中心，快速響應市場的需求，以最短的產(chǎn)品開發(fā)時間(time)、最優(yōu)的產(chǎn)品品質(zhì)(quality)、最低的成本(cost)、最好的服務(service)，即以TQCS去贏得用戶和市場。虛擬制造技術(shù)就是根據(jù)企業(yè)的競爭需求，在強調(diào)柔性和快速的前提下，于20世紀80年代提出的，并隨著計算機，特別是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在90年代得到人們的極大重視，獲得迅速的發(fā)展。在不長的時間里，已成為企業(yè)界、學術(shù)界的研究熱點之一，是當今國際上科技領(lǐng)域的前沿課題，目前在美、英、日、西歐諸國已經(jīng)形成了相當規(guī)模的新興產(chǎn)業(yè)部門，商品化軟件已趨于成熟，應用比較廣泛。
虛擬機床(virtualmachinetool)是隨著虛擬制造技術(shù)的發(fā)展而提出的一個新的研究領(lǐng)域，虛擬數(shù)控機床是虛擬制造的執(zhí)行單元，是虛擬制造的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)之一。它的最終目的是為虛擬制造建立一個真實的加工環(huán)境，在計算機屏幕上實現(xiàn)加工過程的仿真，以增強制造過程的各級決策與控制能力，優(yōu)化制造過程。
1 虛擬數(shù)控機床的特點及功能
虛擬數(shù)控機床應具備的特點
良好的結(jié)構(gòu)：包括三個方面：1)與真實機床相似的結(jié)構(gòu)。具有與真實機床相似的結(jié)構(gòu)使虛擬機床能模仿真實機床的任何功能而不致因為采用某種近似代替而導致某種結(jié)構(gòu)的失真或丟失；2)機床各模塊的顆粒性。虛擬機床各模塊的顆粒性使每個模塊能彼此獨立的被開發(fā)和工作，從而增強了虛擬機床的可操作性和可管理性；3)各模塊合適的顆粒度。虛擬機床各模塊顆粒度的合適與否取決于每個模塊的抽象度是否定義合適，以便使虛擬機床既是一個能概括各種類型數(shù)控機床的抽象框架，又能方便的掛接具體的模塊來仿真某種特定類型的數(shù)控機床；
完善的圖形接口：完善的圖形接口使用戶既能像在真實環(huán)境中那樣完全操作數(shù)控機床，又能完全真實地以圖像的形式觀察機床運行的各種狀態(tài)和各種機床運行參數(shù)，從而最大限度的提高人機融合度；
完全的符號數(shù)據(jù)接口：完全的符號數(shù)據(jù)接口能使虛擬機床的各種靜止和運行狀態(tài)以符號數(shù)據(jù)的形式被外界感知，從而提供了與其他制造軟件的無縫鏈接。外界也能通過輸人符號數(shù)據(jù)對虛擬機床進行控制;強大的網(wǎng)絡支持功能：強大的網(wǎng)絡支持功能能使虛擬機床為各種真正的制造資源服務，從而在連接意義上提供與外界制造資源的相互操作性；標準數(shù)據(jù)格式：虛擬機床由于采用標準數(shù)據(jù)格式存儲、傳輸和處理數(shù)據(jù)因而能夠在語義意義上提高與外界制造資源的相互操作性。
虛擬數(shù)控機床的功能
虛擬數(shù)控機床應該能夠仿真不同的加工方法和不同的加工材料，能夠完成數(shù)控機床的各項操作，逼真地顯示數(shù)控機床的各種動作，并且能夠顯示和評估加工結(jié)果。因此系統(tǒng)要求具有如下功能：
模擬加工過程：顯示和仿真CNC控制功能、動畫加工過程，檢查刀具軌跡和干涉、過切、碰撞等并給予警告；
評估工件品質(zhì)：顯示工件3D實體表面的拓撲關(guān)系、尺寸、公差和表面品質(zhì)；
估算加工成本：通過仿真加工過程，能進行加工成本的估算；
加工過程的監(jiān)控：監(jiān)控加工過程的各個方面。
2 虛擬數(shù)控機床的體系結(jié)構(gòu)
虛擬機床與實際機床一樣，可以認為是一組相互連接的活動部件的集合，它們完成要求的相對運動，提供工件和工件刀具系統(tǒng)上相關(guān)點的瞬間空間位置關(guān)系。因為機床的類型各式各樣，品種千變?nèi)f化，要想能夠表達各種機床，就需要采用模塊化的原理，定制各種標準的模塊，這樣經(jīng)過少量的修改就可以建立各種機床的模型。各模塊應該標準化、通用化、集成化、層次化、靈便化、經(jīng)濟化、并具有互換性、相容性和相關(guān)性，使系統(tǒng)具有開放性和適應性。根據(jù)虛擬數(shù)控機床的特點與功能，可以將虛擬數(shù)控機床系統(tǒng)的功能模塊作如下劃分：
NC編譯模塊：為了使虛擬數(shù)控機床能夠識別NC程序，開發(fā)了NC編譯模塊，它的功能是接受數(shù)控代碼并將其翻譯為機床部件、刀具等運動的信息；
運動控制模塊：運動控制模塊根據(jù)NC程序決定機床刀具和各個軸的運動狀態(tài)，向各個運動部件發(fā)送運動指令并采集各軸的反饋信息；
操作面板模塊：操作面板模塊包括真實數(shù)控機床的操作面板按鈕功能和虛擬數(shù)控機床的菜單；
切削計算模塊：根據(jù)工件與刀具的相對位置，進行干涉判斷，對發(fā)生干涉的工件進行切削計算并重新生成工件模型；
機床場景模塊：建立虛擬機床的工作環(huán)境。
虛擬機床不能脫離實際機床而獨立存在，它是真實機床在計算機內(nèi)的模擬，虛擬機床與真實機床是密不可分的。虛擬機床的結(jié)論是需要由真實機床來檢驗的，只有與真實機床相一致的結(jié)論才是正確的結(jié)論。
3 虛擬數(shù)控機床的的應用及展望
虛擬數(shù)控機床的應用將給制造業(yè)帶來革命性的飛躍。由于虛擬數(shù)控機床是數(shù)字模型，所以容易實現(xiàn)對數(shù)字模型進行顯示、分析、傳遞和迭代更新，為設計提供并行作業(yè)的可能，用經(jīng)濟快捷的方式提高產(chǎn)品設計品質(zhì)，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。采用虛擬數(shù)控機床技術(shù)，可以為產(chǎn)品設計過程中的可制造性分析提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，能夠迅速完成在機床上不方便操作的各項任務，如完成數(shù)控程序的調(diào)試、測量產(chǎn)品加工誤差、評定加工效率和檢驗干涉碰撞情況等。還可以利用虛擬機床優(yōu)化切削參數(shù)，優(yōu)化刀具路徑，提高機床設備的生產(chǎn)效率。利用機床加工的全過程與用戶的交互功能，可以為企業(yè)、學校的數(shù)控人才培訓提供快速、安全且不消耗資源的有效手段，并幫助機床制造商向遠程客戶逼真地演示其產(chǎn)品。為制造業(yè)提供最佳的發(fā)展以及為加工過程的優(yōu)化提供決策依據(jù)。虛擬數(shù)控機床的網(wǎng)絡功能為真正實現(xiàn)遠程合作提供保證。
虛擬數(shù)控技術(shù)是由許多先進學科、先進知識形成的綜合技術(shù)系統(tǒng)，是一個極具潛力的前沿研究領(lǐng)域。由于多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)以及仿真技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬數(shù)控技術(shù)將獲得更快的發(fā)展。虛擬機床是虛擬加工技術(shù)的核心，網(wǎng)絡化、智能化、集成化是虛擬制造技術(shù)的發(fā)展方向。虛擬機床軟件的發(fā)展目標應該是根據(jù)國內(nèi)的現(xiàn)實情況和國外軟件的發(fā)展趨勢，針對具體的機床開發(fā)面向工程的實用化小型軟件。把某一類型的虛擬機床作為該類型數(shù)控機床的附件，提高數(shù)控機床的市場競爭力、增加機床產(chǎn)品的附加值。虛擬數(shù)控機床的應用，將為制造技術(shù)帶來勃勃生機，并將虛擬數(shù)控機床的研究開發(fā)推向一個更加嶄新的階段。