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虛擬機床加工系統的組件化設計
閱讀：385 發布時間：2011-4-6概論
如何縮短產品開發周期、消除廢品生產、降低產品成本以提高產品的綜合競爭能力，是現代制造企業所面臨的決定其是否繼續生存的新要素。為適應這種狀況，敏捷制造的概念被提出。并行工程和虛擬制造技術成為敏捷制造的zui為重要的使能技術。面對經濟的化和工業環境的競爭要求，虛擬制造技術應該以廣域的制造資源為出發點，以在虛擬的環境中描述加工過程及加工質量為其zui終目的。為此開展了虛擬機床加工系統（VMT Virtual machine Tool ）的研究，提出了虛擬機床加工系統的基本體系結構。通過虛擬機床加工系統可以優化加工工藝、預報和檢測加工質量，可以在分布制造網絡中很好地利用廣域的制造資源迅速而快捷地實現生產制造，為敏捷制造的實施奠定堅實的基礎。
2 虛擬機床加工系統的概念及基本要求
虛擬機床加工系統主要是針對虛擬制造系統中的虛擬加工單元而言的。機床—刀具—夾具—工件所組成的加工系統是加工單元的物理實體的重要組成部分。一個或多個這樣的系統的組合便構成一個加工單元的物理結構。通過這個組合并在信息系統的支持下，加工單元便可完成預定的加工任務。虛擬機床加工系統便是這個重要組成部分在虛擬空間的映射。它同樣也是虛擬加工單元的重要組成部分。它是由虛擬的機床—刀具—夾具—工件所組成的虛擬系統所構成的。這一虛擬機床加工系統的擴充和集成將發揮虛擬加工單元的功能，完成所規劃的虛擬加工單元所要完成的虛擬生產任務。
虛擬機床加工系統與現實中的機床加工系統是一一對應的，具備現實機床加工系統的全部功能、特征和行為。能夠完成現實機床加工系統同樣的生產任務，它的內涵是非常豐富的。試圖用一個準確的定義來說明它是很困難的，但我們知道它是一個軟件工具、一個計算機系統。也就是說虛擬機床加工系統是在計算機上建立的一套能夠描述真實加工過程、允許使用者測試和優化加工工藝（機床的選擇及加工過程等）以及預測加工質量的軟件工具。它可以根據實際加工機床或加工中心的狀況進行初始化，然后用數控代碼驅動虛擬機床進行切削加工，它除可描述刀具的真實運動軌跡，完成諸如碰撞、干涉檢驗等功能外，還可逼真地描述加工后工件的形狀誤差、位置誤差、幾何尺寸誤差和表面粗糙度等屬性。它生產的是數字產品。它zui大的好處是不消耗實際的資源和能量。
這樣的一個軟件工具的實現必須滿足以下的基本要求：
（1）功能一致性：虛擬機床加工系統的功能應與相應的實際機床加工系統是一致的；
（2）結構相似性：虛擬機床加工系統的結構應與實際機床加工系統是相似的；
（3）組織的柔性：虛擬機床加工系統是面向未來的制造系統，是面向市場、面向用戶需求的。因此，虛擬機床加工系統的組織與實現應具有非常高的柔性。要具有很強的可重用性和可重組性；
（4）集成化：虛擬機床加工系統是一個復雜的軟件系統，要特別注意到信息、職能、人機等的高度集成；
（5）網絡化：制造系統的跨地域化和制造單元的跨地域化是未來制造業組織形式的發展趨勢。這也是虛擬制造系統發展的趨勢。將虛擬機床加工系統自身看作是一個網絡以及將其放入一個網絡中去研究是十分必要的。它要適應未來制造業發展的趨勢。
此外，虛擬機床加工系統作為一種估計和驗證新產品的可制造性、可加工性的*的工具。它所關注的是金屬切削加工的模擬，是一個以真實感為基礎的機床加工模擬系統，是依賴于真實系統的。由于經過虛擬實現的加工zui終仍要在真實的環境中實現，所以，諸如：1）機床的型號；2）機床的主要結構尺寸、工作臺的大小、工作行程等；3）機床的精度，包括加工時各工作部件的運動精度、導軌精度、定位精度等；4）機床的使用情況，如故障率、故障原因、維修記錄、使用環境等；5）操作機床的人員狀況等的信息將是選擇具體加工地的重要依據。因此，虛擬機床加工系統就是要包含上述所有信息并能自如地與其他虛擬資源及真實系統互通信息的虛擬系統。
3 虛擬機床加工系統體系結構的提出
對于軟件工具來說，建立一個正確的體系結構是十分重要的。它將關系到系統的正確建立、運行和維護。
隨著面向對象技術的成熟，軟件的系統模型的發展在經歷了以數據為中心和以執行為中心的過程之后，出現了更為簡練的面向對象的系統模型。在這種模型中，內核對象中封裝的是能為用戶界面對象和所有應用對象共享的數據及相應的操作。而用戶界面對象及其它應用對象則分別封裝了各自的數據及相應的操作。所有這些對象都通過相互間的通訊協調來完成的功能。這樣的系統在結構上是無中心的，系統的各構成對象實體的地位是平等的。這是面向對象系統模型與以數據和執行為中心的系統模型的不同之處。正是由于這一不同，面向對象的系統模型便顯示出了它的優點：數據和功能的合理封裝降低了由于數據和功能的集中管理所帶來的通訊上的開銷和復雜性。但是，在這種模型中，對象之間的是一種點對點的直接，當系統對象增加時，通訊鏈接將以平方級激增。同時，為支持通訊，每個對象實體都要維護一個包含所有對象實體服務信息的功能服務信息庫。在眾多的對象中，這一部分信息是重復的，而且還要保持一致性，這樣就損害了系統的有效性。另外，這些對象的接口沒有一致的標準，也造成向系統中加入對象的不規范和隨意性。對系統的維護和對象的復用非常不利。為此，我們引入了組件技術（Component Technology）。此時，系統的整體模型如圖1所示。
圖1 引入組件技術的系統模型
組件技術是繼面向對象技術之后發展起來的一種新的軟件工程技術，是面向對象技術的延伸。這種系統結構仍然是一種面向對象的結構，軟件系統中的組件是定義良好的軟件模塊。它們是按照一定的規范設計的，在系統中共存，共同完成復雜的任務。
為使組件做到即插即用，無縫集成，系統模型的關鍵在于建立一種的總線結構，使組件之間能以一個公共接口互相連接。而由于這種接口規范的一致性，使通訊的復雜度大大降低，組件間的互操作性大大提高。
在此，我們依據虛擬機床加工系統的基本特點，提出了組件化的虛擬機床加工系統的體系結構。如圖2所示。
圖2 虛擬機床加工系統組件化的體系結構
4 體系內部結構及工作原理
4.1 內部結構
4.1.1 總線
系統中的總線，提供了各組件之間的通訊服務、一致的接口規范和管理組件的功能服務。當一個組件請求另一個組件的服務時，總線負責查詢功能服務信息庫，定位提供服務的組件，并傳送服務要求。虛擬機床加工系統的體系結構是一個雙總線結構。一個是虛擬機床內部的核心總線，主要是完成作為虛擬機床加工系統的重要組成部分虛擬機床內部各部分的交互和應用。另一條總線則構成了虛擬機床與工藝設備、刀具庫的互操作以及與工藝規劃及整個制造網絡的互操作。系統中的各組件可以通過該總線互相鏈接，可以任意插拔，以便構成更大的系統。兩條總線是相通的，這樣可減少核心總線上的流量，提高了核心總線的效率。
4.1.2 虛擬機床加工系統的基本組件
在虛擬機床加工系統中有如下基本組件：交互服務、對象庫、機床組合、機床控制、虛擬加工、誤差融合、工藝設備、刀具庫等。
（1）交互服務 是系統執行的驅動。它包括必要的輸入信息，如：NC代碼、工件毛坯描述、刀具描述等信息。同時，也是和其他制造資源相鏈接的重要部分。
（2）對象庫 虛擬機床中有一個對象庫，分別由一組對象組成。它包括：虛擬機床各模塊的參數化圖形類、虛擬加工的各種算法、加工誤差的基本信息等。
（3）機床組合 一個機床的虛擬描述方法。通過總線可以獲得制造網絡上加工地的機床信息，與對象庫組件協同工作，形成與真實加工機床具有一定可比性的虛擬機床。
（4）機床控制 根據輸入信息，完成對虛擬機床的各種聯動運動部件的控制。包括數控代碼處理，各種坐標變換等。
（5）虛擬加工 通過虛擬機床和機床控制組件的支持完成虛擬切削加工任務。
（6）誤差融合 將真實機床的加工誤差描述出來，使其體現在切削加工后所形成的工件中。
（7）轉換器 完成異構數據的處理、工件描述數據的處理等任務。
（8）工藝設備 通用的和特殊的工藝裝備，包括：夾具、量具等。它們可根據需要進行擴充，并根據工藝的要求進行選用。
（9）刀具庫 存儲了大量的通用刀具。可依據一定的規則選用。該刀具庫可任意擴充。
（10）工藝規劃 這是一個十分重要，但又十分復雜的組件。它是一個工藝設計系統，負責對現有工藝進行檢驗。并發送給系統以進行虛擬加工。
4.2 工作原理
當系統接收到輸入信息即工作請求后，通過總線，信息被分送不同的組件。轉換器和工藝規劃組件通過總線1及總線2分別使工藝設備和刀具以及虛擬機床組件共同工作，以謀求合適的加工條件。機床組合組件則通過總線向制造網絡上發送信息，獲得現實中合適的機床信息、描述機床并初始化，進而調用對象庫中的信息建立虛擬機床。然后請求其他組件的協同來完成切削加工，并將加工后的工件信息放置在總線上。再由交互服務組件判定加工狀況的滿意度。當結果滿意時，則停止系統運行，否則，將重新開始，反復進行直至滿意為止。
5 結論
由于在系統設計時我們使用了組件技術，不僅使系統的結構更加靈活、開放性更強，而且還使虛擬機床加工系統與CAD/CAM系統、虛擬裝配系統之間以及加工地之間的協作更加默契。
基于組件的虛擬機床加工系統的設計，充分顯示出組件技術的巨大優勢。它使復雜的機床加工及檢測系統的虛擬工作的難度大大降低。可以相信，隨著研究的進一步深入，它在系統設計以及更多的領域將發揮更大的作用。