摘 要：随着虚拟现实技术在虚拟制造系统中应用的推广，对虚拟数控机床的研究也越来越多，虚拟数控机床可以提供关键的数据到产品设计的制造性分析过程中。传统的数控机床系统虽然已经可以具备相当的精度，但其实现过程对用户是封闭的，不利于扩展；开放式数控系统应运而生，能够方便扩展数控系统的功能。
关键词：虚拟数控；数控机床；开放式数控
1 虚拟数控机床及其关键技术
虚拟数控加工过程可以为产品设计提供重要的数据支持，在节省资源的同时又避免风险。虚拟数控机床技术是虚拟数控加工过程的关键步骤，具有如下特点：（1）良好的结构。虚拟数控机床和现实生活中的机床结构类似，因此在仿真机床的各项功能时不会产生结构或信息的失真。另外，虚拟机床各个模块是隔离的，可以独立地开发和工作。（2）完善的图形和数据接口。图形接口使用户体验虚拟现实的感觉，以图像形式展现机床的各种状态和参数；数据接口提供了和其他软件的交互接口。
虚拟数控机床和客户端组成了服务器/客户端网络结构，作为服务器的虚拟数控机床在接收到客户端的请求后，会调度知识库中的元知识，将客户端的请求分解为一系列的子任务，然后把每个子任务分发给相应的子模块。一般而言，虚拟数控机床系统包括四个子模块：计算模块、拓扑机构、解释器以及几何实体。计算模块完成齐次变换等计算任务，是虚拟制造过程中不可或缺的组成部分；解释器将数控代码翻译为制定机床部件等相关信息，并计算数控机床的响应；几何实体的作用是描述各机械实体的相关信息，从而方便快速建立数控机床几何模型；拓扑结构描述了各几何实体间的关系。
在虚拟数控机床的应用中，其关键技术主要包括机床环境构建、数控加工的建模以及与虚拟对象的拟实工具等。虚拟数控机床技术利用计算机等硬件和相关软件构建虚拟数据加工环境，此环境的组成部分可以囊括：（1）硬件及驱动层。立体眼镜以及实景头盔等是实现虚拟现实技术的硬件支持，为驱动这些硬件设备还需要相应的程序驱动模块，以获取和硬件设备相关的位置、姿势等视觉参数。（2）虚拟数控机床的管理层。此部分主要用于管理虚拟数控机床加工过程中的各种事件，并描述机械物体的形状及特性，一般包括特征数据库和规则库两部分。（3）工具和应用层。提供和CAD/CAM等的接口，并为用户提供人机交互接口和仿真界面。数控加工过程中涉及到的建模一般包括加工条件模型和加工过程两种。
2 虚拟数控机床系统的几何模型
虚拟数控机床的几何模型实质上是装配单元组成的装配体，也就是一个装配模型，一般包括总体结构、装配模型等方面。
虚拟数控机床的总体结构可以用相关的数据结构来描述，由于数控机床的几何模型本质上就是一个装配体，所以其数据结构可以对应分为两部分：第一部分存储备机床零部件几何模型相关的信息，第二部分用于存储机床零部件几何模型间的装配关系，装配关系反应了零部件间的位置和约束关系。
装配模型可以使用层次树和图两种形式表示：层次树在表示装配体的组成关系时比较清晰，并且方便装配求解装配序列规划，但是在表达零部件的配合关系上有所欠缺。与之相反，图结构易于表达零部件的配合关系，并且可以迅速地从一个零件找到另外一个零件，适于分析运动链，但难以表示层次组成关系。装配关系描述了各个零部件的配合关系描述以及约束关系：几何关系、排斥关系以及运动关系。几何关系说明了零部件间的对齐、偏置以及配合等相互关系；运动关系说明了零部件之间的诸如直线运动、旋转运动等关系；排斥关系阐述某零部件是否可以和其他部件并存于一个机床中。
在基于二叉树结构的装配模型中，单独的一个装配体被表示为一颗二叉树，根节点表示的是最终要使用的装配体，中间节点表示子装配部件，叶子节点表示零件。其中非叶子节点的左子节点一般作为基体存在，不能变换它的位置，而只能将变换矩阵作用于非叶子节点的右子节点。约束关系上，同一层次的装配单元间只存在位置约束关系，从属关系存在于不同层次的装配单元间。
3 开放式数控系统
与传统的虚拟数控系统不同，开放式数控系统不再是包含很多插件版的专用系统，而是采用模块化结构，可以灵活地配置软件和硬件，并允许集成第三方插件，所以说是能够满足可扩展性、可移植性的数控系统。
开放式数控系统具有传统的数控系统不具备的一些特点：（1）模块化及可扩展性。开放式数控系统应该可以实现功能的模块化和体系结构的模块化，用户使用时可以根据模块的功能进行调整，以此实现二次开发。（2）平台无关性。开放式数控系统不应该依赖于具体的操作系统平台，当平台和控制器间的接口明确时，只要使用相应操作系统平台的API接口，就应该可以实现平台移植。（3）标准化和网络化。开放式数控系统要在一定的标准规范下进行，以提供给用户一个标准开发平台，用户只要使用简单的步骤就可以实现添加硬件、改变软件结构等操作，从而简化系统的模块。另外，开放式数控系统还应该融合网络技术，以实现网络化。
基于PC的开放式数控系统可以存在多种形式：PC连接NC型、NC嵌入PC型以及PC嵌入NC型等。PC连接NC型开放式数控系统利用串行线连接PC和NC，在实现上比较简单，并且再重复利用时几乎不加修改就可使用；但是这种数控系统的响应速度较慢，而且原有的NC系统无法实现开放化。PC嵌入NC型开放式数控系统将PC嵌入到NC内部，二者使用专用的总线连接，虽然响应速度比较快，但这种开放式数控系统无法直接利用PC，不能充分发挥PC丰富的功能；虽然此类数控系统已经具备一定的开放性，但其体系结构还不是完全开放的。
作为数控系统的重要功能，自动换刀功能目的是降低数控加工过程中的非切削时间，以此提高数控机床的生产效率。在实现时，自动换刀功能需要数控系统多模块的密切配合，现有的自动换刀功能主要是采用PLC实现的，一定程度上增加了数控系统的硬件成本。开放式数控系统可以使用全软件化方式控制数控机床系统和刀库，以降低自动换刀的生产成本。
现有的数控机床多采用集中工序的原则，多种工序的加工需要多种刀具，这就要求有自动换刀的装置。刀库式换刀装置按照刀库容量可以分为盘式刀库以及链式刀库，盘式刀库正反两个方向都可以转动，但为节省换刀时间，一般采用最短路径的旋转方法，基本原理是当旋转刀库时，先比较期望刀号和当前刀号的差值，然后决定刀库的旋转方向，这样可以保证刀库总是按照最短的旋转路径进行旋转，最终节省选刀时间。
4 结束语
文章首先介绍了虚拟数控机床及其关键技术，并深入分析了虚拟数控机床的几何模型，最后研究了开放式数控系统，并深入研究其自动换刀功能，对提高数控生产效率具有重要的现实意义。
参考文献
[1]秦承刚.开放式数控系统的实时操作系统优化技术研究与应用[D].中国科学院研究生院，2012.
[2]谷岩.数控系统软件可靠性设计与故障分析技术[D].吉林大学，2014.
[3]王程鹏.开放式数控系统的现状与发展趋势[J].科技传播，2013.
[4]任晚娜.开放式数控系统平台架构及其应用研究[D].长安大学，2012.
作者简介：李芳（1982，6-），女，籍贯：江苏省扬州市，学历：在职硕士在读，研究方向：机械电子工程。
