在虚拟制造环境中，数控加工过程仿真为产品设计可制造性分析提供关键数据。在实际数控加工过程中，为了校验数控代码的正确性，需要进行反复试切直至确认数控代码能够完成预定的加工任务。同时数控加工参数也需要反复调试。这些操作不仅效率低下，占用了机器资源，而且有可能引起
刀具碰撞而造成经济损失。通过对数控机床建模进而仿真数控加工过程，能节省资源并避免风险。对机床建模和加工过程仿真的好处还体现在通过真实地模拟机床及加工过程的行为来快速地对机床操作人员进行培训，也可帮助机床制造商向潜在的远程客户逼真演示其产品。另外数控加工过程仿真可以产生加工过程关键数据如总体加工时间、刀具轨迹长度、刀具空程运行时间等等。它们被用来进行虚拟制造中加工方案评估、产品可加工性分析和产品可制造性分析。国内外对数控机床模型展开了广泛而深入的工作，如美国西北大学等7所高校提出了虚拟数控机床的概念。虚拟数控机床，即虚拟制造环境中数控机床模型。美国Lamb公司、Deneb公司等也一直在进行虚拟机床的研究。本文将分析虚拟数控机床应有的特点和体系结构。
1、虚拟数控机床的特点：
数控加工过程仿真主要包括两个部分：数控机床建模和切削过程仿真。数控机床模型主要由机床的硬件 （或物理） 部分和软件部分组成。硬件部分由机床部件，加工零件，刀具，夹具等构成。软件部分则由CNC控制器构成。切削是一个机床接受数控代码并驱动机床运动加工零件的过程。在这里，对数控机床建模，即建立虚拟数床 （Virtual NC Machine Tool），是虚拟数控加工过程仿真的关键。
下面将分析虚拟数控机床所应具备的特点：
1.1 良好的结构
良好的结构性包括三个方面。
a. 与真实机床相似的结构。具有与真实机床相似的结构使虚拟机床能模仿真实机床的任何功能而不致因为采用某种近似替代而导致某种结构和信息的失真或丢失。一个与真实机床相似的结构能使其设计者以直观的方式设计和修改系统。
b. 虚拟机床各模块的颗粒性。虚拟机床各模块的颗粒性使每个模块能彼此独立地被开发和工作，从而增强了虚拟机床的可操作性和可管理性。
c. 各模块合适的颗粒度。虚拟机床各模块颗粒度的合适与否取决于每个模块的抽象度是否定义合适，以便使虚拟机床既是一个能概括各种类型的数控机床的抽象框架，又能方便地挂接具体的模块来仿真某种特定类型的数控机床。
1.2 完善的图形接口
完善的图形接口使用户既能象在真实环境中那样完全操作虚拟数控机床，又能完全真实地以图像的形式观察机床运行的各种状态和各种机床运行参数，从而最大限度地提高人机融合程度。
1.3 完全的符号数据接口
完全的符号数据接口能使虚拟机床的各种静止和运行状态以符号数据的形式被外界感知，从而提供了与其他制造软件的无缝连接。外界也能通过输入符号数据对虚拟机床进行控制。
1.4 强大的网络支持功能
强大的网络支持功能使虚拟机床为各种真正的制造资源服务，从而在连接意义上提高其与外界制造资源的相互操作性。
1.5 标准数据格式
虚拟机床由于采用标准数据格式存储、传输和处理数据因而能够在语义意义上提高其与外界制造资源的相互操作性。
以上诸方面决定了虚拟数控机床需要具备合适的体系结构。下面将提出并讨论虚拟数控机床的体系结构。
2、虚拟数控机床的体系结构
根据虚拟机床应具备的特点，提出如图1 所示虚拟数控机床体系结构。
在总体结构上一个虚拟机床系统和本地/远程客户构成服务器/客户体系。它们建立的连接由不同层次的协议支持。在低层使用连接意义上的协议来使低级数据相互通信。如 TCP/IP，IIOP，RMI等。在高层使用语义意义上的协议来支持高级数据传输，如符合STEP标准的产品数据格式、VRML以及预先定义好的（标准的）任务请求/结果回送格式等。由此通过图形接口和符号接口来连接客户和提供服务。在虚拟数控机床接受任务请求后，通过调用调度知识库中的元知识，将任务分解为一系列子任务，并通过服务定位模块将每个子任务分发给响应的子模块。系统共有4个子模块，即NC解释器、计算模块、几何实体和拓扑结构。
a. NC解释器 从服务定位模块中接受数控代码并将其翻译为制定机床部件、刀具等运动的信息，并将其通过服务定位模块传送到计算模块来计算随后的机床的响应。NC解释器能够被自由地配置从而能够模拟任何一种数控机床的CNC控制器。
b. 计算模块 完成各种计算任务，如进行齐次变换，计算部件新的空间坐标来修改拓扑关系，根据刀具的轨迹计算加工零件新的几何形状，根据几何实体模型判断两部件的空间距离来检验是否发生干涉等。这些计算结果是虚拟制造过程中加工方案评价以及可加工性分析所必须的。
c. 拓扑结构 描述几何实体当前及历史相互空间关系。可以建立以任两个几何实体之间相对坐标变换矩阵为元素的矩阵，亦可建立链表结构来存储类似数据。
d. 几何实体 描述单个几何实体当前及历史空间信息。几何实体的存储格式应符合工业标准，以便能从现有的CAD软件中方便地抽取几何模型，从而能快速建立机床几何模型。
在具体系统实现上，应保证客户和虚拟机床具备良好的通信协议，即客户端应具备相应知识，以便使客户端不但能够发送虚拟机床能够理解的请求，而且能够理解虚拟机床回送的服务结果。针对客户和虚拟机床服务器之间建立连接次数的多少，可将其分为稠密和稀疏两种类型；根据连接客户相对虚拟机床服务器在网络中位置的变化程度可分为静止和移动两种。对于稠密和静止客户，将知识长期驻留在客户端能减少每次通信的传输量从而减少成本；而对稀疏和移动客户，在每次建立连接时将知识动态传输至客户端能够使服务器和客户端知识是一致的，从而避免了每次一致性校验的成本。在当前，采用Java与浏览器组成客户，利用CORBA作为连接协议，利用并扩展ISO STEP标准建立任务请求/服务结果回送所遵循的标准，将虚拟数控机床利用OMG IDL封装，以及利用VRML作为图形接口，是一个可行的方案。本研究正在建立一个原型系统来论证上述方案的技术可行性。在原形系统中利用CLI和GSL作为脚本控制Deneb的VNC软件包将其服务提供给利用CORBA封装的对象。在客户端Java小应用程序向CORBA对象发送请求，并从其接受服务结果。Java小应用程序负责相关数据分析。初步实践表明，方案在技术上是可行的。原型系统的系统结构如图2。
上述系统只支持部分符号数据的访问，如判断是否发生干涉以及加工时间等数据。原型系统进一步的功能将利用VRML能使远程客户能访问虚拟机床的图形资源。
