建立一个真实的数控铣床加工环境，并在此环境下对加工过程进行仿真。对虚拟制造的体系结构和相关技术进行了深入的研究和分析、着重阐述了虚拟数控机床的建模原理及其相关的控制技术，在建立的虚拟数控机床上实现机床各轴的运动控制、程序显示、NC编译、反馈信息显示等功能，实现了虚拟数控铣床最基本的功能。
本系统的目标是建立一个真实的数控加工环境。在这个环境中，需要建立机床模型和加工过程模型。机床模型就是整个加工过程的物理环境，将真实的机床在计算机中以3D画面的形式出现；加工过程模型是一个动画过程，模拟真实机床、刀具、切削等加工过程的运动。
该系统应满足的要求：
1)具有逼真的加工环境；
2)能够对NC代码等进行检测，即具备机床的NC程序编译功能，能发现NC程序的错误，并生成目标文件；
3)能够显示刀具轨迹及切削过程；
4)能调整、修改机床状态参数，实时监控机床的运动状态；
5)有友好的人机界面，能方便用户操作。
它具备的特点有：
1)环境真实，系统的环境和真实的机床环境尽量相同；
2)功能一致，系统的功能要和机床的功能一样；
3)较强的纠正错误能力，能发现各种错误同时给出报警信息；
4)快速完成仿真过程，仿真加工过程需要的时间不能和真实的加工时间一样，否则让人难以忍受，加工过程时问可以根据用户的要求来进行调节。
1 本系统整体构架
仿真过程为：在控制面板上编辑NC程序或调入NC程序，然后对准备好的加工程序进行检查，轨迹仿真，确认无误，准备加工。加工前对整个系统进行必要的设置，刀具参数设置，工件坐标系设置等。进行加工时，显示机床运动动画及工件切削动画，对机床状态进行监测，显示监测的信息，如果有非法操作、越程等信息，发出相应的警报。
系统分为五个模块：人机界面、几何模块、运动模块、编译模块和监测反馈模块。整个系统的模块划分如图l所示。
人机界面用来实现人机交互，即机床的控制面板；几何模块用来实现系统的物理环境，刀具轨迹及工件模型等几何体；NC模块主要功能有数控程序编辑、刀补、插补、编译生成虚拟机床驱动文件等；运动模块用来实现虚拟机床运动，刀具运动及切削运动等；机床参数设鬣、机床状态信息反馈与监测等功能用监测反馈模块来实现。整个系统各个模块关系如图2所示。
2 各个模块的设计
2．1 人机界面(控制面板)的设计
这个模块有两个方面： 一是对面板的各个界面元素进行设计，一一个是对机床等各个虚拟物体进行控制。操作面板上的组件数量很多，但大多数都具有相似性，因此可以将具有相同功能的组件设计为ActiveX控件，利用ActiveX控件的封装性和动态连接性来实现虚拟操作面板上的具有相同功能的组件。界面元素构建三个类CRob、CMyButton、CMyEdilo CRob是用米实现旋转开关。CMyEdit用于实现显示屏。CMyBunon来实现方形按钮。几乎所用的操作，控制都在控制面板上，那么所有的模块都在这里汇集，可以是指针、实体，用来实现整个机床及加工过程的控制。设计一个NcPanel类，这个类提供各个控制变量，用于NC文件检查，机床参数设置，机床运动控制等等。
2．2 几何模块的设计
2．2．1 机床本体模型、刀具模型、切削液喷管等复杂几何模型
这峰模型比较复杂，直接采用绘图编程的方法很难实现这么复杂的图形，即使实现了也需要花费极大的时间和精力，绘制出来的效果也难以达到预期效果。本文采用一些成熟绘图应用软件如3dsMax、UG、Pro/E等来实现这些几何模型。本系统并不能直接调用这些软件生成的几何模型，只能得到这些几何模型的描述性文件。不得不对这些文件进行研究，找出需要的几何信息，然后转化成程序中能够使用的几何实体。有一种标准的文件格式--3DS文件格式，几乎所有的3D绘图软件都支持这种文件格式，能转化成这种文件格式。因此，这个模块的工作便是编写一个文件接口，将3DS二进制文件读入转换成0penGL几何实体。构建的类如下：
class C3dsReader；//3DS文件读人类
class8 CTriList；//生成数据链表(用来逼近3DS图形的小三角形片//集合)
将机床各个部件几何模型组成一个机床类class Machine，这个类包括机床的各个组件，如床身、主轴等。
2．2．2 刀具轨迹及零件几何模型
此模块用于刀具轨迹仿真，验证NC程序是否正确及显示加工后刀具轨迹几何模型，可划分为两层：
第一层：基本几何元素层。
点，线，圆弧，平面，直纹面面等几何元素的绘制，点，向量，矩阵的各种运算等。在0penGL环境中，可以相似地构造出一个设备环境类，让它绘制出一些基本的几何元素：直线、圆弧等。
第二层：模型建立层。
整个NC文件形成的刀具轨迹是由各种几何元素构成的，建模即是将各种几何元素构成一个完整的图形。如加工一个字，字体则是由多条直线构成。从中可以构建各个几何模型的类如直线(CLine)，圆弧(CAre)，圆(CCircIe)，直纹曲面(CLin_Are)等。各个无素的绘制则调用上一层glCDC类的成员函数。如直线自我绘制可以写成：
pDC->Line(start，end)；
pDC是glCDC一个实例的一个指针。
2．2．3 工件模型
工件模型用于工件切削运动。采用空间分割法对工件模型进行建模。本文只将工件在X、Y平面上进行分割，Z方向用top值表示，构建的模型的如下：
class PexSeL//离散的小方块实体模型
整个工件可表示为：PexSel Box[x][y]；//x，y为工件分辨率
2．3 运动模块的设计
运动模型有机床本体运动，刀具运动，加工切削运动，属于动画制作过程。动画可以让一张张相关的图片以较快的速度进行切换，就能得到连续的运动效果。相似地，在一定地时间里绘制N张相关的图片，就能得到计算机动画效果。先设置一个系统时间，让它不停的刷新画面，接下来的工作就是绘制这些相关的图片。
图形的绘制，把它封装成按参数化形式绘制，只要将其参数进行修改就可以实现动画控制。
比如一个正方体绘制可写成：
Translated(m_x，m_y，m_z)；//
DrawBox(length，width，high)；
那么只要对m_x，m_y，m_z三个变量进行控制，然后让画图模块不停地按参数绘制即可实现正方体移动动画。接下来的工作需按时间对位置变量进行控制，实现需要的运动。设计一些位置控制器，如直线、圆弧位置控制器等
cIass MoveCircle//实现圆弧运动计算器
class Movenne //实现直线运动计算器
……
2．4 编译模块的设计
编译模块主要划分为四个部分：词法分析、语法分析、目标代码生成和出错处理。编译过程是输入数控加工程序，输出目标代码或错误信息。本系统采用逐行扫描方式，以词法分析程序和语法分析程序为核心，出错处理作为一个独立的过程，目标代码的生成则在错误为零的情况下生成。
设计一个编译类Compile。
输入：CString m_Nccode；//一段NC代码
功能函数：
Wo-check( ) //词法检查
SyntaxCheck( )//语法检查
输出：CString errInfo//错误信息
操作数据对象
ProgramNode NcSegementStruct//编译后生成的中间文件。
CTypedPtrList<C0bList，CPart*>*m_curvelist；//生成的刀具轨迹链表
2．5 监测反馈模块的设计
机床参数系统的没计：
1)设计一个后台数据库CDaoDatabase m_db，后台数据库使用微软公司的ACCESS制作；
2)所有的变量设计一个MachineState类来集中进行管理。
3)状态监测，设计一个类RunErrCheck，实现功能包括非法报警、工件与刀具干涉、非法操作和越程等。
3 小结
数控加工过程本身是一个十分复杂的过程，它是对零部件设计、工艺规划等许多工作的一个检验。本文建立的系统已经具备虚拟机床的基本功能，仍然存在以下几个需要改进的地方：
1)工件模型可以进一步进行研究，找出结构更优秀，显示速度更快的模型，使得切削过程更加逼真、快捷；
2)运动模型需要进一步研究，构造更强大的运动控制器，如高级曲线运动控制、高级曲面运动控制，以满足更高级CNC系统刀位控制要求；
3)本系统只研究了纯几何仿真，对于加工中一些力学因素没有考虑，今后可通过建立加工过程的力学物理仿真模型，进行加工过程切削性能与切削效果仿真。
