研究用于教学的虚拟数控车间

　　制造业的发展对产品性能、规格、品种不断提出新的要求，产品的生命周期越来越短，新产品的开发时间是决定性因素。虚拟制造技术(VMT Virtual Manufacturing Technology)可以模拟由产品设计、制造到装配的全过程，对设计与制造过程中可能出现的问题进行分析与预测，提出改进措施，实现产品从开发列制造整个过程的优化，达到降低产品生命周期、减小开发风险、提高经济效益的目的。而机械加工过程仿真在虚拟制造中占有重要地位，它通过对机床一工件一刀具构成的工艺系统中的各种加工信息的有效预测与优化，为实际加工过程的智能化实现创造了有利条件，同时它也是研究加工过程的重要手段。

　　1虚拟制造技术

　　虚拟制造是利用信息技术、仿真技术、计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，以发现制造中呵能出现的问题，在产品实际生产前就采取预防措施，从而达到产品一次性制造成功，来达到降低成本、缩短产品开发周期、增强产品竞争力的目的。它进行的过程是虚拟过程，所生产的产船也是虚拟的。所谓”虚拟”，是相对于实物产品的实际制造系统而言的，强调的是制造系统运行过程的计算机化。

　　1.1虚拟制造与实际制造关系

　　一方面，虚拟制造不是无源之水、无本之木，而是实际制造过程在计算机环境下的映射;另一方面。在实际制造系统生产出适销对路的产品，然后再通过对实际制造系统进行抽象、分析、综合，得到实际产品的全数字化模型。虚拟制造的最终目标是反作用于实际制造过程，用来指导生产实践。因此，虚拟制造是实际制造的抽象，而实际制造又是虚拟制造的实例。

　　1.2虚拟制造的分类

　　从广义上讲，制造过程不仅包括了产品的设计加工、装配，还包含了对企业生产活动的组织与控制。从这个观点出发，可以把虚拟制造划分为三类。

　　1.2.1以设计为中心的虚拟制造

　　以设计为中心的虚拟制造是将制“制造”，仿真多种制造方案和产生许多“软”的模型，为设计者提供—个设计产品和评估产品可制造性的环境。它的主要支持技术包括特征造型、面向数学的模型设计及加工过程的仿真技术。主要应用领域包括造型设计、热力学分析、运动学分析、动力学分析、容差分析和加工过程仿真。

　　1.2.2以生产为中心的虚拟制造

　　以生产为中心的虚拟制造是将仿真能力加人到生产过程模型中，其目的是方便和快捷地评价多种加工过程，检验新工艺流程的可信度、产品的生产效率、资源的需求状况(包括购置新设备、征询盟友等)，从而优化制造环境的配置和生产的供给计划。它的主要支持技术包括虚拟现实技术和嵌人式仿真技术，其应用领域包括工厂或产品的物理布局及生产计划的编排。

　　1.2.3以控制为中心的虚拟制造

　　以控制为中心的虚拟制造是将仿真能力增加到控制模型和实际的生产过程中，模拟实际的车间生产，评估车间生产活动，达到优化制造过程的目的。它的主要支持技术有对离散制造一基于仿真的实时动态调度对连续制造一基于仿真的最优控制。

　　2虚拟制造技术支撑系统

　　虚拟制造技术是多学科综合的系统技术。需要研究开发相应的软件与硬件集成系统以及相关技术支持。

　　2.1软件配置

　　(1)可视化：真实、直观地再现主观产品与客观制造过程;(2)环境：增强可视化和其它虚拟制造功能的集成系平台;(3)信息：表达各种信息，包括数据、知识和模型的统一方法、语义、语法;(4)中介模型：构造、定义、开发对过程易于中断介人的模型;(5)基层集成组织结构：硬、软件的基层组织结构;(6)仿真模型：在计算机系统中没计的真实系统模型;(7)应用方法：产品多样性与过程动态性的共同特征的抽象提取;(8)制造特征：各种材料在虚拟制造环境中的变化过程;(9)虚拟制造系统评价：可制造性、工艺性、可靠性、经济性、质量、工期等。

　　2.2硬件配置

　　(1)输人、输出(1可Out)设备：基于CRT和LCD的头盔显示器(HMD)、普通计算机显示器、投影系统、可视化眼镜擞据手套、数据背心、蹋滚、摇杆、触垫、耳机和音响系统等;(2)信息采集、存储设备：(3)能支持各种设备、数据存储和高速运算的计算机系统：(4)网络体系结构(星型、环型、总线型)、通讯硬件等。

　　2.3关健技术

　　(1)主模型技术：以主模型为中心通向设计、制造和生产管理等各个环节并为其提供服务。主模型具有统一的数据结构和分布式数据管理系统，它是—个可视化的数字产品模型，具有所代表的对象具有的各种性能和特征，并能并行地处理设计分析、加工制造、生产组织与调度等各种生产环节所面临的诸多问题;(2)可视化技术：主要包括计算机可视化技术、虚拟现实技术、多媒体技术和仿真技术;(3)虚拟制造系统与实际制造系统之间的映射：虚拟没备、虚拟传感器、虚拟单元、虚拟生产线、虚拟车间和虚拟工厂的建立，以及各种虚拟设备的重用性和重组性技术;(4)虚拟制造系统集成开发平台的体系结构、构件库及用户开发环境;(5)虚拟环境下分布式并行处理的分布式智能协同求解模型;(6)虚拟公司的组织、调度及控制策略与技术。

　　3利用现有的虚拟制造的研究成果，开发教学用的虚拟数控车间

　　虚拟数控车间就是利用虚拟现实技术创建出—个可视化的车间环境，虚拟数控车间包含技术室、调度室、资料窀、工艺室、毛坯室、仿真机床、刀具室等组成(图一)。其中每—个可视化的物体代表一种操作对象。通过鼠标的点击以及拖曳操作，用户可以进行虚拟加工，了解关于机械制造中的相关技术。虚拟数控车间实现的基础是虚拟现实技术和数控仿真加工软件、自动编程技术、多媒体计算机技术。无论是学生还是教师，都可以自由地、无顾虑地随时进入虚拟数控车间，进行各种数控设备的操作，同时还可以突破地域的限制，拓展至任一地域进行。

　　图1

　　虚拟数控车间最大的优点是成本低，效率高。因为“软件即为车间”，这样就可解决凼实验经费不足或高档次、高价位设备缺乏所不能购买的设备，同时也不会造成因使用不当、管理不善等因素造成的设备损坏丢失等现象。同时在虚拟数控车问操作可以保护环境，防止污染。

　　4结论

　　通过对建成的虚拟数控车间的应用，提高教学质量，提高了学生的动手能力，改变了学生进行数控设备操作的环境，提高了学习效率，在教学应用中受到了教师和学生的好评。同时将虚拟仿真技术应用于教学实践，是职业教育提高教学质量，降低教学成本的—个有效途径。以后还应当吸收国外的成熟经验，在研究中大胆创新，注重企业实际，使虚拟制造技术能在教学中更加广泛的应用起来。