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(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵技術(shù)。目前，全球制造業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，企業(yè)要贏得競(jìng)爭(zhēng)，就需要以市場(chǎng)和用戶為中心，快速響應(yīng)市場(chǎng)的需求，以最短的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間(time)、最優(yōu)的產(chǎn)品品質(zhì)(quality)、最低的成本(cost)、最好的服務(wù)(service)，即以TQCS去贏得用戶和市場(chǎng)。虛擬制造技術(shù)就是根據(jù)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)需求，在強(qiáng)調(diào)柔性和快速的前提下，于20世紀(jì)80年代提出的，并隨著計(jì)算機(jī)，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(zhǎng)的時(shí)間里，已成為企業(yè)界、學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)之一，是當(dāng)今國(guó)際上科技領(lǐng)域的前沿課題，目前在美、英、日、西歐諸國(guó)已經(jīng)形成了相當(dāng)規(guī)模的新興產(chǎn)業(yè)部門，商品化軟件已趨于成熟，應(yīng)用比較廣泛。
虛擬機(jī)床(virtualmachinetool)是隨著虛擬制造技術(shù)的發(fā)展而提出的一個(gè)新的研究領(lǐng)域，虛擬數(shù)控機(jī)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(gè)真實(shí)的加工環(huán)境，在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的仿真，以增強(qiáng)制造過(guò)程的各級(jí)決策與控制能力，優(yōu)化制造過(guò)程。
1 虛擬數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及功能
虛擬數(shù)控機(jī)床應(yīng)具備的特點(diǎn)
良好的結(jié)構(gòu)：包括三個(gè)方面：1)與真實(shí)機(jī)床相似的結(jié)構(gòu)。具有與真實(shí)機(jī)床相似的結(jié)構(gòu)使虛擬機(jī)床能模仿真實(shí)機(jī)床的任何功能而不致因?yàn)椴捎媚撤N近似代替而導(dǎo)致某種結(jié)構(gòu)的失真或丟失；2)機(jī)床各模塊的顆粒性。虛擬機(jī)床各模塊的顆粒性使每個(gè)模塊能彼此獨(dú)立的被開(kāi)發(fā)和工作，從而增強(qiáng)了虛擬機(jī)床的可操作性和可管理性；3)各模塊合適的顆粒度。虛擬機(jī)床各模塊顆粒度的合適與否取決于每個(gè)模塊的抽象度是否定義合適，以便使虛擬機(jī)床既是一個(gè)能概括各種類型數(shù)控機(jī)床的抽象框架，又能方便的掛接具體的模塊來(lái)仿真某種特定類型的數(shù)控機(jī)床；
完善的圖形接口：完善的圖形接口使用戶既能像在真實(shí)環(huán)境中那樣完全操作數(shù)控機(jī)床，又能完全真實(shí)地以圖像的形式觀察機(jī)床運(yùn)行的各種狀態(tài)和各種機(jī)床運(yùn)行參數(shù)，從而最大限度的提高人機(jī)融合度；
完全的符號(hào)數(shù)據(jù)接口：完全的符號(hào)數(shù)據(jù)接口能使虛擬機(jī)床的各種靜止和運(yùn)行狀態(tài)以符號(hào)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(wú)縫鏈接。外界也能通過(guò)輸人符號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)虛擬機(jī)床進(jìn)行控制;強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持功能：強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持功能能使虛擬機(jī)床為各種真正的制造資源服務(wù)，從而在連接意義上提供與外界制造資源的相互操作性；標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式：虛擬機(jī)床由于采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)、傳輸和處理數(shù)據(jù)因而能夠在語(yǔ)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(jī)床的功能
虛擬數(shù)控機(jī)床應(yīng)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(jī)床的各項(xiàng)操作，逼真地顯示數(shù)控機(jī)床的各種動(dòng)作，并且能夠顯示和評(píng)估加工結(jié)果。因此系統(tǒng)要求具有如下功能：
模擬加工過(guò)程：顯示和仿真CNC控制功能、動(dòng)畫加工過(guò)程，檢查刀具軌跡和干涉、過(guò)切、碰撞等并給予警告；
評(píng)估工件品質(zhì)：顯示工件3D實(shí)體表面的拓?fù)潢P(guān)系、尺寸、公差和表面品質(zhì)；
估算加工成本：通過(guò)仿真加工過(guò)程，能進(jìn)行加工成本的估算；
加工過(guò)程的監(jiān)控：監(jiān)控加工過(guò)程的各個(gè)方面。
2 虛擬數(shù)控機(jī)床的體系結(jié)構(gòu)
虛擬機(jī)床與實(shí)際機(jī)床一樣，可以認(rèn)為是一組相互連接的活動(dòng)部件的集合，它們完成要求的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，提供工件和工件刀具系統(tǒng)上相關(guān)點(diǎn)的瞬間空間位置關(guān)系。因?yàn)闄C(jī)床的類型各式各樣，品種千變?nèi)f化，要想能夠表達(dá)各種機(jī)床，就需要采用模塊化的原理，定制各種標(biāo)準(zhǔn)的模塊，這樣經(jīng)過(guò)少量的修改就可以建立各種機(jī)床的模型。各模塊應(yīng)該標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、集成化、層次化、靈便化、經(jīng)濟(jì)化、并具有互換性、相容性和相關(guān)性，使系統(tǒng)具有開(kāi)放性和適應(yīng)性。根據(jù)虛擬數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)與功能，可以將虛擬數(shù)控機(jī)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(jī)床能夠識(shí)別NC程序，開(kāi)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(jī)床部件、刀具等運(yùn)動(dòng)的信息；
運(yùn)動(dòng)控制模塊：運(yùn)動(dòng)控制模塊根據(jù)NC程序決定機(jī)床刀具和各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，向各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件發(fā)送運(yùn)動(dòng)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(shí)數(shù)控機(jī)床的操作面板按鈕功能和虛擬數(shù)控機(jī)床的菜單；
切削計(jì)算模塊：根據(jù)工件與刀具的相對(duì)位置，進(jìn)行干涉判斷，對(duì)發(fā)生干涉的工件進(jìn)行切削計(jì)算并重新生成工件模型；
機(jī)床場(chǎng)景模塊：建立虛擬機(jī)床的工作環(huán)境。
虛擬機(jī)床不能脫離實(shí)際機(jī)床而獨(dú)立存在，它是真實(shí)機(jī)床在計(jì)算機(jī)內(nèi)的模擬，虛擬機(jī)床與真實(shí)機(jī)床是密不可分的。虛擬機(jī)床的結(jié)論是需要由真實(shí)機(jī)床來(lái)檢驗(yàn)的，只有與真實(shí)機(jī)床相一致的結(jié)論才是正確的結(jié)論。
3 虛擬數(shù)控機(jī)床的的應(yīng)用及展望
虛擬數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用將給制造業(yè)帶來(lái)革命性的飛躍。由于虛擬數(shù)控機(jī)床是數(shù)字模型，所以容易實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行顯示、分析、傳遞和迭代更新，為設(shè)計(jì)提供并行作業(yè)的可能，用經(jīng)濟(jì)快捷的方式提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)品質(zhì)，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。采用虛擬數(shù)控機(jī)床技術(shù)，可以為產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)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(jī)床上不方便操作的各項(xiàng)任務(wù)，如完成數(shù)控程序的調(diào)試、測(cè)量產(chǎn)品加工誤差、評(píng)定加工效率和檢驗(yàn)干涉碰撞情況等。還可以利用虛擬機(jī)床優(yōu)化切削參數(shù)，優(yōu)化刀具路徑，提高機(jī)床設(shè)備的生產(chǎn)效率。利用機(jī)床加工的全過(guò)程與用戶的交互功能，可以為企業(yè)、學(xué)校的數(shù)控人才培訓(xùn)提供快速、安全且不消耗資源的有效手段，并幫助機(jī)床制造商向遠(yuǎn)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(guò)程的優(yōu)化提供決策依據(jù)。虛擬數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)功能為真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程合作提供保證。
虛擬數(shù)控技術(shù)是由許多先進(jìn)學(xué)科、先進(jìn)知識(shí)形成的綜合技術(shù)系統(tǒng)，是一個(gè)極具潛力的前沿研究領(lǐng)域。由于多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)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(jī)床是虛擬加工技術(shù)的核心，網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化是虛擬制造技術(shù)的發(fā)展方向。虛擬機(jī)床軟件的發(fā)展目標(biāo)應(yīng)該是根據(jù)國(guó)內(nèi)的現(xiàn)實(shí)情況和國(guó)外軟件的發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)具體的機(jī)床開(kāi)發(fā)面向工程的實(shí)用化小型軟件。把某一類型的虛擬機(jī)床作為該類型數(shù)控機(jī)床的附件，提高數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、增加機(jī)床產(chǎn)品的附加值。虛擬數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用，將為制造技術(shù)帶來(lái)勃勃生機(jī)，并將虛擬數(shù)控機(jī)床的研究開(kāi)發(fā)推向一個(gè)更加嶄新的階段。