伴随着计算机技术、控制技术和系统工程的发展，制造技术正逐步向集成制造、智能制造方向发展。数控技术是现代化加工设备的基础，发展先进制造技术，必须发展数控技术。为了有效的解决数控加工在实际应用中存在的问题，面向一般数控机床用户，针对机械零件中占90%以上的普通零件，以铣削加工为背景，在Windows环境下设计一个仿真数控铣削软件，将仿真结果变换成指令直接输出给数控加工中心，以提高NC编程的效率与质量，改善NC加工环境是十分有益的。
1 数控技术
数控技术是20世纪40年代中后期为适应加工复杂外形零件而发展起来的一种自动化控制技术。数控加工以加工形状复杂、改型频繁、小批量生产的零件为主。其主要优点是:加工精度高，生产效率高，自动化程度高，使用数字信息，便于计算机控制。尤其是近年来随着CAD/CAM技术的发展及应用，数控加工技术的优越性更加明显，而制造业与数控技术结合的日益紧密，使得机械制造设备的数控化程度已成为衡量一个国家制造技术水平的重要标志。
但是，在实际应用中，数控加工技术还存在着若干问题:
数控设备管理方面的问题
操作人员素质的提高
数控程序的编制有难度
无法进行产品的检验等等
这些问题直接导致了数控机床利用率的降低，不能发挥出先进技术和设备的最大潜力。同时，由于检验手段的限制或检验设备精度不够，致使检验结果不符合图纸要求，机床不能正常生产，因此必须尽快解决数控加工技术应用中存在的问题，特别是数控程序的编制，它是数控加工的关键环节，程序编制的好坏将直接影响到数控机床的加工质量和经济效益。
2 虚拟数控技术是现代数控技术的一个发展方向
2.1 虚拟制造技术
虚拟制造(VM)的概念
虚拟制造是近年来由美国首先提出来的一种全新概念，它基于计算机仿真和虚拟现实技术，在计算机上实现产品的设计、生产以及企业的管理与控制，实现实际产品在计算机上的全过程的模拟，又称为拟实制造，是虚拟现实技术在制造领域的应用。虚拟制造提供一个集成环境，集成了一些孤立的制造技术如CAD、CAM、CAPP等，使许多用户可以在不同的地方同时执行部分或全部功能，CAD/CAM的产品也可称为虚拟产品，但是其研究仍处在概念设计和详细设计分析阶段，而VM的虚拟产品包含了产品生命周期的各个阶段，实现实际制造之前，对产品的功能及可制造性的潜在问题进行预测。
虚拟制造具有下列特点:
产品与制造环境是拟实模型，一切加工过程在计算机上进行，而不依赖传统的原型样机的反复修改，从而缩短开发周期，提高质量，降低成本。
可使不同地点不同专业开发人员在同一个产品模型上协同工作，信息资源共享。
虚拟制造的关键技术
虚拟制造的研究意义
系统建模和验模技术:包括制造全过程的系统模型建立，面向对象技术的应用，模型的修改，存储及检索。
仿真技术:包括设计、制造、管理各类计算机仿真算法，虚拟现实技术在设计、制造、管理过程中的应用技术。
拟实制造平台:支持产品的并行设计、工艺规划、加工、装配和维修等过程，进行可制造性分析。它是以完整的信息模型为基础的众多仿真分析软件的集成，包括力学、热力学、运动学、动力学等可制造分析。
敏捷制造与VM敏捷制造的思想是充分考虑到小规模，模块化的生产方式，利用虚拟企业的形式，实现劳动力、资源、资本和信息的最优配置，而虚拟制造平台和虚拟企业平台为敏捷制造提供了可合作性支持。
并行工程与VM并行工程是对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。这种工作模式使开发者从一开始就考虑到产品全生命周期中的所有因素。为了达到并行的目的，必须建立高度集成的主模型，充分应用仿真技术，而VM的发展则使CE实时化、可视化，促进了实际生产中CE的发展.
精益生产与VM精益生产要求简化生产过程，减少信息量，消除过量臃肿的生产组织，使产品及其生产过程尽可能地简化和标准化，这为VM的实现创造了有利条件，而VM又对精益生产起指导作用。
2.2 虚拟数控铣削技术
虚拟数控铣削的概念
虚拟数控铣削的特性
针对具有代表性的数控铣床，利用虚拟制造的优势，通过计算机技术构造一个逼真的虚拟的数控铣削加工环境，在此环境中集成了铣削加工从设计功能到制造功能的全部或者大部分功能，操作者可观测整个过程，及时发现加工中存在的问题，并加以修正，最后向数控铣床输出NC代码。虚拟数控铣削技术可解决数控技术在实际中存在的问题，以指导实际生产，更好的发挥数控机床的优点。
图1 虚拟铣削加工与实际加工
虚拟数控铣削与实际数控铣削在功能和结构上都应该是一一对应的，见图1。它可以根据实际加工机床或加工中心的状况进行初始化，然后在虚拟铣床上进行铣削加工仿真，可以真实地描述出刀具运动轨迹，完成诸如碰撞、干涉检验等功能。它生产的是数字产品，不消耗实际的资源和能量，仅是模拟产品的设计、开发与实现过程，具有以下特性:
功能一致性
结构相似性
组织灵活性
集成化
智能化
3 虚拟数控铣削的实现
3.1 虚拟加工平台的选择
VM并不是一个全新的技术范畴，它是已有的CAD技术与数据库技术、计算机网络技术、人工智能技术、虚拟现实技术等相交叉的一门综合技术。目前，国外已经出现了一些相关软件，这些软件都是继承已存在的CAD技术，并将它作为设计工具放入虚拟现实环境中。他们的一些共同特点就是与已存在的CAD软件(如UGI、Pro/E、IDEAS等)有很好的接口。
Solidworks2000是一个新型的CAD软件，具有强大的实体造型功能和直观的用户界面，提供VB和VC的语言开发接口，支持网络技术，便于数据共享，更重要的是它具有独特的特征管理员历史树，而这种基于特征的数字化模型是产品的虚拟制造的前提和基础，因此可用来作为虚拟设计的主要支撑软件。
VB是一种面向对象的程序设计软件，能支持动态链接库、动态数据交换和对象链接与嵌入等技术，并且可以直接处理Solidworks为开发者提供的宏纪录，并进一步拓展。应用VB进行编程，调用Solidworks API中的库函数，能生成用户所需的各种零件，当要调用零件库中的零件时，运行建库时创建的可执行文件，输入适当的参数，库中相应的零件就会作出相应的修改，因此选为开发语言。
3.2 虚拟环境建模
由于在国内外已经有了许多CAD三维造型软件，技术已经基本成熟，在开发系统时，对于零件毛坯的造型技术不需要投入很大的精力，只采取对接技术，即开发出符合step标准的接口模块文件，来读取其他CAD三维造型软件产生的文件，进行数据处理，变成虚拟加工环境可接受的三维模型数据。
刀具处理模块主要包括刀具的选择、刀具编辑和管理、刀具轨迹规划等。建立一个相应的虚拟现实的三维变参数刀具库，实现刀具的编辑、查询、修改功能，根据零件毛坯和夹具的空间几何关系及刀具特征和参数，制定合适的加工方法，优化加工刀具轨迹，预测加工过程可能的干涉情况。
数据处理模块根据生成相应的刀位文件，转化成NC代码，利用NC程序翻译器来解释NC程序，获得刀位数据，最终输出给数控机床。
3.3 机械加工过程仿真
铣削加工是目前应用最广泛的加工方法之一，虚拟铣削加工将对铣削加工能够完成的各种工作，如面铣削、外形铣削、挖槽、钻孔、全圆铣削等加工形式中的几何及物理因素的变化情况进行模拟与预测，在计算机上生成加工零件的硬件环境和软件环境，实现加工过程的演示。现在的产品大多由复杂曲面构成，数控编程效率低且容易出错，应用虚拟加工仿真技术可以较圆满的解决以上问题。在虚拟环境中放置一个毛坯，让刀具进行动态模拟铣削仿真，编程人员可以根据刀具的运行情况和毛坯切削形状后及时反馈，调整加工工艺。
图2 虚拟铣削加工结构图
虚拟铣削加工的结构图如图2所示。
Solidworks2000虽然是一个功能强大的CAD软件，但是尚不具备CAM功能，我们需要通过标准数据接口，读取CAD数据，绘制出零件图形，再选择合理的工艺参数，自行编制CAM模块生成刀具轨迹。
4 结论与展望
综上所述，虚拟数控铣削技术具有以下优点:
首先，虚拟数控铣削将完整的数控铣削加工过程在一台微机上显示出来，不需要购买其他任何硬件设备，初始投资非常少，任何企业都能负担。
其次，由于铣削加工是在微机上进行，不涉及到机床、刀具的磨损，加工原材料的消耗，也节省了开资。同时，任何新型零件的加工都可以在虚拟环境下进行，可预先观察到实际加工中可能出现情况，例如是否存在刀具工件的干涉等，并预测加工结果，不必为经常的改装与调整设备花费不必要的人力财力。
最后，铣床的选择，铣刀的选择，加工轨迹路线的优化，加工过程的动画演示，CNC程序代码的输出，全部在微机上操作，友好的人机交互界面方便操作员的使用。应用上当今流行的专家系统，人工智能系统，将大大减轻编程的工作量。
通过以上研究，为了实现虚拟数控铣削技术，本研究旨在开发一套具有初步功能的虚拟铣削加工系统，提供一个可将铣削加工方法集成在一起的虚拟环境，可以与CAD/CAM系统协作更加默契，具有较强的灵活性和开放性，使得该系统能够在设计的初始阶段就将对设计的评价反馈给设计人员，从而设计出更合理的工艺过程。
目前，在虚拟铣削加工系统的开发过程中，还存在一些问题:CAD/CAM中二次曲面求交交线的计算问题，刀具轨迹自动编成算法的实现，加工过程演示的真实性等等。可以相信，这些问题一旦解决，将进一步提高虚拟加工的实用性，扩展虚拟加工的应用范围。
