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本文从虚拟制造概念出发，结合航空发动机制造过程中的工艺特点，研究虚拟仿真软件间的协同工作方式，并以软件开发的方式实现。文章主要从数据管理、流程控制、仿真报告生成和数据传递等四个方面详细介绍了虚拟加工平台的功能特点并加以说明。
一、引言
在航空发动机制造，特别是新产品研制过程中，多采用新型材料结合新工艺进行加工，新材料成本昂贵，采用传统的工艺试切方案，新品制造周期长且工艺质量难以保证。随着计算机技术的飞速发展，三维数值模型已经从零件设计领域走向制造加工领域，这使得以计算机为载体的数字化制造技术在机械加工领域得到了广泛的应用。几何仿真软件VERCICUT与NX有着良好的数据契合性，已经在机械加工仿真工作中得到很好的应用，在判断和防止加工干涉、过切和欠切等方面发挥了积极作用。近年，随着国内外对切削理论的不断研究，以切削原理为出发点的物理仿真软件越来越受到工艺人员的重视。行业内已经开始尝试将物理仿真软件与几何仿真软件相结合，形成从数值模型创建到数控加工编程、从几何仿真到物理仿真、从单一角度分析到多因素综合衡量的虚拟加工方式。本文以此为研究目的，提出了一种合理的虚拟加工软件协同工作方式，并最终通过开发虚拟加工平台加以实现。
二、虚拟制造
虚拟制造是20世纪90年代提出的一个集成的、综合的可运行制造环境。但是到目前为止，虚拟制造技术的内涵还没有完整统一的定义，不同的研究人员分别从预测、制造环境、虚拟制造与实际制造过程的相似性、仿真、建模和分析技术及工具的综合应用、全方位预测等多种角度对虚拟制造进行了阐述。
虚拟制造实际上是通过在计算机上建立虚拟模型来模拟和预估产品性能，增强制造过程中各级的决策，从而更经济、有效地组织生产，是实际制造在计算机上的本质体现，所以它并不是一成不变的，而是不断变化发展的。在虚拟制造过程中，综合运用计算机仿真、建模和优化等多种技术，对产品的全生命周期进行建模，从而实现制造过程的动态模拟。它可以对产品的性能进行预测，从而在设计和制造过程中及早地发现并更正问题，也可以对实际制造过程中的资源进行合理地配置，使产品的整个制造过程具有高度的并行性，从而实现产品周期和成本的最优化，提高生产效率。
三、虚拟加工
在虚拟环境下对产品对象实现几何及物理性能变化的过程称为虚拟加工。虚拟加工是真实加工过程在虚拟环境下的映射，是对象行为的“微观”描述。它是虚拟制造的底层核心技术，以计算机为载体对实际加工制造中数据信息、切削信息及工艺信息等制造要素的实施过程进行模拟，对加工过程的有效性和可靠性进行预测和评价，通过决策者调整和修改，使加工过程的信息参数和可实施性得到优化。
从工作层面上讲，虚拟加工技术可以分为加工过程模拟分析、加工过程参数优化两个层面。加工过程模拟分析是指通过相应技术手段全面逼真地反映现实加工环境和加工过程，人们可以直观地“观察”全部加工过程，包括工件的装夹定位、机床调整、切削和检验等，并对所关心的问题进行分析。加工过程参数优化是指以分析所得的数据为依据，以专业软件为指导对加工过程给出合理的、可行的加工意见，它是建立在模拟分析基础上的后续优化行为。
从技术层面上讲，虚拟加工包含几何仿真和物理仿真两种核心技术。几何仿真是指在仿真过程中，假设刀具和工件在切削过程中不发生任何弹性变形和塑性变形等变化，不考虑切削力、切削参数等其它物理因素的影响，只仿真刀具与工件在三维空间中的运动，动态显示工件材料的去除和碰撞干涉检查等加工过程，从而验证NC加工程序和加工路径的正确性、合理性。物理仿真是指综合考虑切削力、速度、密度以及其他物理参数的影响，通过专用软件仿真加工过程中的各种物理现象，揭示机械加工过程的实质，在计算机上虚拟出最接近于实际的加工过程。
四、虚拟加工中的仿真软件
如今，虚拟加工技术在机械制造业正得到日益广泛地应用，它涵盖零件三维模型建立、数控加工程序编制及切削加工过程仿真等多个方面，随之出现了，如NX、Pro/ENGINEER、CATIA、SolidWorks、VERICUT、AdvantEdge系列功能模块、ABAQUS、ANSYS和MARC等多种较为成熟的工程化应用软件，并在不同的工程制造领域得到成功应用。
航空发动机零件结构复杂、材料加工难度大，多采用先进的数控机床进行加工。由于材料贵、成本高，在行业内普遍采用虚拟加工技术进行零件加工的分析和验证，常用的软件有NX、VERICUT等。近年，开始尝试将物理仿真技术融入到现有的虚拟加工中。
五、虚拟加工平台开发
目前，航空发动机制造领域常用的虚拟加工软件有NX CAM、VERICUT几何仿真和PM等，该类软件的功能侧重点各有不同。在进行虚拟加工分析时，经常需要上述多种软件进行密切配合，期间涉及到紧密的数据交互传输和仿真过程的往复修改。同时由于软件多由不同公司开发，其所生成的过程数据文件种类繁多、数量庞大不宜管理。笔者通过长时间的摸索已经初步完成了一套较为合理的仿真软件相互配合的虚拟加工技术方案，并自主开发出虚拟加工平台。
下面将结合虚拟加工平台的流程控制功能、数据结构化管理功能、仿真报告定制功能及数据快速传递功能等多个实用特点，介绍虚拟加工平台的研究与实现。
1.流程控制功能
虚拟加工需要多种仿真软件相互配合工作，配合的好坏直接决定了虚拟仿真工作的准确性和高效性，虚拟加工平台的流程控制功能很好地解决了该项问题。如图1所示，系统平台提供已经定制好的虚拟仿真全过程流程图，可以通过点击相应流程节点启用相应的流程模块功能，并实时记录该过程的操作信息，直观、简洁地实现了对虚拟加工过程的流程控制与管理。平台通过流程图控制，以一种“规定动作”和“自选环节”相结合的人机交互方式进行虚拟加工，在保证仿真流程正确性的同时，最大程度的赋予平台用户软件应用的灵活性。 2.数据结构化管理功能
现阶段虚拟仿真过程中，应用的软件或功能模块有NX CAD、NX CAM、VERICUT、PM和FEM等，软件种类多、产生的数据格式各有不同（如：*.prt、*.stl、*.Vcproject等）且数据量庞大。针对此种情况，虚拟加工平台以面向用户的方法、统一的文件格式、规范的命名方式、层次清晰的存储路径自动进行结构化管理。平台以软件的形式囊括了全部的仿真过程和结果数据，用户在不接触仿真数据文件的情况下，通过虚拟平台即可完成操作，在提高工作效率的同时，保证了仿真过程和结果数据的安全性和准确性。后台数据结构化管理如图2所示。
3.仿真报告定制功能
作为虚拟加工的重要结果和判断依据，虚拟仿真报告必不可少。虚拟加工平台实现了仿真报告的定制和自动生成功能，为用户提供了方便快捷的操作模块。如图3所示，点击平台流程图中“PM刀轨分析”左侧的“定制仿真报告”节点，即可启动平台的“PM刀轨分析后的定制仿真报告”功能。在平台右侧的信息录入界面中，平台操作者可以通过填写零件名称、加工参数、程序名称以及加工刀轨路线示意图等实现报告基本信息的录入，并根据需要录入多个程序分析信息，在给出明确的仿真结论和优化方案后可以点击“生成报告”和“报告另存为”来实现仿真报告的自动排版和生成。在平台中同一程序存在两个仿真报告时，平台提供了“报告对比”功能。
如图4所示，当平台启动“报告对比”模块时，平台将自动检索操作者当前存在的可对比分析的仿真报告，并将报告信息自动显示供操作者浏览，操作者从不同因素出发对比分析选中的仿真报告，并给出对比结论，通过点击“生成对比报告”平台将自动记录相应信息，并自动生成该程序的对比分析报告（以*.xlsx文件格式进行管理）。
虚拟加工平台针对office软件进行了二次开发，实现仿真分析报告、对比分析报告和仿真参数优化报告等多种报告的模板定制和一键生成。减少了人工干预，提高了仿真人员的工作效率，降低了报告生成过程中的出错概率。
4.数据传递功能及平台应用中的数据流
虚拟加工过程具有多种软件、多用户协同工作的特点，为此虚拟加工平台将虚拟加工过程的全部有效数据压缩成一个特定格式的文件（*.vmp），并能够通过平台在不同计算机上对仿真数据进行查看、编辑和保存，使得数量庞大、种类繁多的仿真数据以一种特定的格式、单一的文件实现了共享和快速传递。如图5所示（数据流对比分析），以零件示意模型为例，从模型创建、程序编制、加工仿真（几何仿真、物理仿真）到数据分析报告定制生成，会产生和使用多种类型的数据文件，通常情况下用户需要自己创建文件夹存储该类数据，这种方法在用户间需要进行数据传递时，显得效率低下、正确性难以有效保证，通过操作虚拟加工平台可以将各种类型的数据文件自动分类到合理的数据文件夹下进行规范管理，用户只需对*.vmp文件进行操作即可实现仿真协同工作中数据的正确、高效传递。
5.平台应用中的工作模式
在零件制造的加工仿真中，能否将所拥有的编程仿真软件合理的组织利用起来是决定工作正确性和保障工作高效率的关键所在。虚拟加工平台与用户间形成了良好的人机交互模式，用户在面对一个加工仿真问题时，可以在虚拟加工平台中找到适用于该问题的正确的虚拟加工工作流程（该流程一般由经验丰富的技术人员制定并经过专家组审核后生效发布），用户在虚拟加工平台中通过该流程的指导可以快速、正确地进行虚拟加工工作。同时应用平台所提供的流程控制功能，用户可以实现多种仿真软件的协同调用。应用虚拟加工平台后用户工作流程改变如图6所示。截止目前，经统计应用虚拟加工平台可以使用户进行加工仿真的操作步骤缩短近43%，用户工作效率提升约35%。
六、总结与展望
现阶段应用虚拟加工平台初步实现了多种仿真软件间的协同应用，解决了工作中容易出现的数据管理不规范、软件操作目的性不明确等问题，在提高虚拟仿真效率的同时，有效地保证了工作质量。但需要认清的是，目前的虚拟加工平台只是对几类仿真软件的简单功能集成，软件间的密切深六、总结与展望度集成是未来的一个重要发展方向。此外，仿真软件本身的现阶段应用虚拟加工平台初步实现了多种仿真软件间实用性研究也十分重要。
一、引言
在航空发动机制造，特别是新产品研制过程中，多采用新型材料结合新工艺进行加工，新材料成本昂贵，采用传统的工艺试切方案，新品制造周期长且工艺质量难以保证。随着计算机技术的飞速发展，三维数值模型已经从零件设计领域走向制造加工领域，这使得以计算机为载体的数字化制造技术在机械加工领域得到了广泛的应用。几何仿真软件VERCICUT与NX有着良好的数据契合性，已经在机械加工仿真工作中得到很好的应用，在判断和防止加工干涉、过切和欠切等方面发挥了积极作用。近年，随着国内外对切削理论的不断研究，以切削原理为出发点的物理仿真软件越来越受到工艺人员的重视。行业内已经开始尝试将物理仿真软件与几何仿真软件相结合，形成从数值模型创建到数控加工编程、从几何仿真到物理仿真、从单一角度分析到多因素综合衡量的虚拟加工方式。本文以此为研究目的，提出了一种合理的虚拟加工软件协同工作方式，并最终通过开发虚拟加工平台加以实现。
二、虚拟制造
虚拟制造是20世纪90年代提出的一个集成的、综合的可运行制造环境。但是到目前为止，虚拟制造技术的内涵还没有完整统一的定义，不同的研究人员分别从预测、制造环境、虚拟制造与实际制造过程的相似性、仿真、建模和分析技术及工具的综合应用、全方位预测等多种角度对虚拟制造进行了阐述。
虚拟制造实际上是通过在计算机上建立虚拟模型来模拟和预估产品性能，增强制造过程中各级的决策，从而更经济、有效地组织生产，是实际制造在计算机上的本质体现，所以它并不是一成不变的，而是不断变化发展的。在虚拟制造过程中，综合运用计算机仿真、建模和优化等多种技术，对产品的全生命周期进行建模，从而实现制造过程的动态模拟。它可以对产品的性能进行预测，从而在设计和制造过程中及早地发现并更正问题，也可以对实际制造过程中的资源进行合理地配置，使产品的整个制造过程具有高度的并行性，从而实现产品周期和成本的最优化，提高生产效率。
三、虚拟加工
在虚拟环境下对产品对象实现几何及物理性能变化的过程称为虚拟加工。虚拟加工是真实加工过程在虚拟环境下的映射，是对象行为的“微观”描述。它是虚拟制造的底层核心技术，以计算机为载体对实际加工制造中数据信息、切削信息及工艺信息等制造要素的实施过程进行模拟，对加工过程的有效性和可靠性进行预测和评价，通过决策者调整和修改，使加工过程的信息参数和可实施性得到优化。
从工作层面上讲，虚拟加工技术可以分为加工过程模拟分析、加工过程参数优化两个层面。加工过程模拟分析是指通过相应技术手段全面逼真地反映现实加工环境和加工过程，人们可以直观地“观察”全部加工过程，包括工件的装夹定位、机床调整、切削和检验等，并对所关心的问题进行分析。加工过程参数优化是指以分析所得的数据为依据，以专业软件为指导对加工过程给出合理的、可行的加工意见，它是建立在模拟分析基础上的后续优化行为。
从技术层面上讲，虚拟加工包含几何仿真和物理仿真两种核心技术。几何仿真是指在仿真过程中，假设刀具和工件在切削过程中不发生任何弹性变形和塑性变形等变化，不考虑切削力、切削参数等其它物理因素的影响，只仿真刀具与工件在三维空间中的运动，动态显示工件材料的去除和碰撞干涉检查等加工过程，从而验证NC加工程序和加工路径的正确性、合理性。物理仿真是指综合考虑切削力、速度、密度以及其他物理参数的影响，通过专用软件仿真加工过程中的各种物理现象，揭示机械加工过程的实质，在计算机上虚拟出最接近于实际的加工过程。
四、虚拟加工中的仿真软件
如今，虚拟加工技术在机械制造业正得到日益广泛地应用，它涵盖零件三维模型建立、数控加工程序编制及切削加工过程仿真等多个方面，随之出现了，如NX、Pro/ENGINEER、CATIA、SolidWorks、VERICUT、AdvantEdge系列功能模块、ABAQUS、ANSYS和MARC等多种较为成熟的工程化应用软件，并在不同的工程制造领域得到成功应用。
航空发动机零件结构复杂、材料加工难度大，多采用先进的数控机床进行加工。由于材料贵、成本高，在行业内普遍采用虚拟加工技术进行零件加工的分析和验证，常用的软件有NX、VERICUT等。近年，开始尝试将物理仿真技术融入到现有的虚拟加工中。
五、虚拟加工平台开发
目前，航空发动机制造领域常用的虚拟加工软件有NX CAM、VERICUT几何仿真和PM等，该类软件的功能侧重点各有不同。在进行虚拟加工分析时，经常需要上述多种软件进行密切配合，期间涉及到紧密的数据交互传输和仿真过程的往复修改。同时由于软件多由不同公司开发，其所生成的过程数据文件种类繁多、数量庞大不宜管理。笔者通过长时间的摸索已经初步完成了一套较为合理的仿真软件相互配合的虚拟加工技术方案，并自主开发出虚拟加工平台。
下面将结合虚拟加工平台的流程控制功能、数据结构化管理功能、仿真报告定制功能及数据快速传递功能等多个实用特点，介绍虚拟加工平台的研究与实现。
1.流程控制功能
虚拟加工需要多种仿真软件相互配合工作，配合的好坏直接决定了虚拟仿真工作的准确性和高效性，虚拟加工平台的流程控制功能很好地解决了该项问题。如图1所示，系统平台提供已经定制好的虚拟仿真全过程流程图，可以通过点击相应流程节点启用相应的流程模块功能，并实时记录该过程的操作信息，直观、简洁地实现了对虚拟加工过程的流程控制与管理。平台通过流程图控制，以一种“规定动作”和“自选环节”相结合的人机交互方式进行虚拟加工，在保证仿真流程正确性的同时，最大程度的赋予平台用户软件应用的灵活性。 2.数据结构化管理功能
现阶段虚拟仿真过程中，应用的软件或功能模块有NX CAD、NX CAM、VERICUT、PM和FEM等，软件种类多、产生的数据格式各有不同（如：*.prt、*.stl、*.Vcproject等）且数据量庞大。针对此种情况，虚拟加工平台以面向用户的方法、统一的文件格式、规范的命名方式、层次清晰的存储路径自动进行结构化管理。平台以软件的形式囊括了全部的仿真过程和结果数据，用户在不接触仿真数据文件的情况下，通过虚拟平台即可完成操作，在提高工作效率的同时，保证了仿真过程和结果数据的安全性和准确性。后台数据结构化管理如图2所示。
3.仿真报告定制功能
作为虚拟加工的重要结果和判断依据，虚拟仿真报告必不可少。虚拟加工平台实现了仿真报告的定制和自动生成功能，为用户提供了方便快捷的操作模块。如图3所示，点击平台流程图中“PM刀轨分析”左侧的“定制仿真报告”节点，即可启动平台的“PM刀轨分析后的定制仿真报告”功能。在平台右侧的信息录入界面中，平台操作者可以通过填写零件名称、加工参数、程序名称以及加工刀轨路线示意图等实现报告基本信息的录入，并根据需要录入多个程序分析信息，在给出明确的仿真结论和优化方案后可以点击“生成报告”和“报告另存为”来实现仿真报告的自动排版和生成。在平台中同一程序存在两个仿真报告时，平台提供了“报告对比”功能。
如图4所示，当平台启动“报告对比”模块时，平台将自动检索操作者当前存在的可对比分析的仿真报告，并将报告信息自动显示供操作者浏览，操作者从不同因素出发对比分析选中的仿真报告，并给出对比结论，通过点击“生成对比报告”平台将自动记录相应信息，并自动生成该程序的对比分析报告（以*.xlsx文件格式进行管理）。
虚拟加工平台针对office软件进行了二次开发，实现仿真分析报告、对比分析报告和仿真参数优化报告等多种报告的模板定制和一键生成。减少了人工干预，提高了仿真人员的工作效率，降低了报告生成过程中的出错概率。
4.数据传递功能及平台应用中的数据流
虚拟加工过程具有多种软件、多用户协同工作的特点，为此虚拟加工平台将虚拟加工过程的全部有效数据压缩成一个特定格式的文件（*.vmp），并能够通过平台在不同计算机上对仿真数据进行查看、编辑和保存，使得数量庞大、种类繁多的仿真数据以一种特定的格式、单一的文件实现了共享和快速传递。如图5所示（数据流对比分析），以零件示意模型为例，从模型创建、程序编制、加工仿真（几何仿真、物理仿真）到数据分析报告定制生成，会产生和使用多种类型的数据文件，通常情况下用户需要自己创建文件夹存储该类数据，这种方法在用户间需要进行数据传递时，显得效率低下、正确性难以有效保证，通过操作虚拟加工平台可以将各种类型的数据文件自动分类到合理的数据文件夹下进行规范管理，用户只需对*.vmp文件进行操作即可实现仿真协同工作中数据的正确、高效传递。
5.平台应用中的工作模式
在零件制造的加工仿真中，能否将所拥有的编程仿真软件合理的组织利用起来是决定工作正确性和保障工作高效率的关键所在。虚拟加工平台与用户间形成了良好的人机交互模式，用户在面对一个加工仿真问题时，可以在虚拟加工平台中找到适用于该问题的正确的虚拟加工工作流程（该流程一般由经验丰富的技术人员制定并经过专家组审核后生效发布），用户在虚拟加工平台中通过该流程的指导可以快速、正确地进行虚拟加工工作。同时应用平台所提供的流程控制功能，用户可以实现多种仿真软件的协同调用。应用虚拟加工平台后用户工作流程改变如图6所示。截止目前，经统计应用虚拟加工平台可以使用户进行加工仿真的操作步骤缩短近43%，用户工作效率提升约35%。
六、总结与展望
现阶段应用虚拟加工平台初步实现了多种仿真软件间的协同应用，解决了工作中容易出现的数据管理不规范、软件操作目的性不明确等问题，在提高虚拟仿真效率的同时，有效地保证了工作质量。但需要认清的是，目前的虚拟加工平台只是对几类仿真软件的简单功能集成，软件间的密切深六、总结与展望度集成是未来的一个重要发展方向。此外，仿真软件本身的现阶段应用虚拟加工平台初步实现了多种仿真软件间实用性研究也十分重要。