在数控机床设备操作的实践教学中，教师在现场同时指导多名学生操作，围着一台数控机床讲解，环境嘈杂；数控机床结构复杂，学生无法清晰地了解数控机床的内部构造和数控机床工作时的状态变化，观察角度十分有限。因为以上种种原因不能满足数控机床设备操作实践教学的需要，而且学生没有经过深度的学习以及反复训练，增加了实训的危险程度。为了解决这一难题，有必要开发和应用数控铣削加工虚拟仿真实训系统。
数控铣削加工虚拟仿真实训系统是以计算机技术和数控加工技术为基础，集多媒体技术、虚拟现实、计算机图形学和人工智能等技术为一体，在虚拟的条件下，模拟数控设备的工作过程和环境来代替实际设备的操作训练，实现了虚拟数控铣床操作全过程虚拟仿真和加工运行的全环境虚拟仿真，数控铣削加工虚拟仿真实训系统适用于职业教育教学与培训，满足实训教学的需要，实践中取得了良好的效果。
1. 数控铣削加工虚拟仿真实训系统总体设计
1.1 数控铣削加工虚拟仿真实训系统总体设计思想
数控铣削加工虚拟仿真实训系统由虚拟加工环境和虚拟加工过程两大部分构成。
1.1.1 数控铣削加工虚拟仿真实训系统虚拟加工环境
虚拟加工环境由铣床、工件、刀具和夹具构成，这些特征造型的实现可以依靠比较底层的图形渲染技术完成。
1.1.2 数控铣削加工虚拟仿真实训系统虚拟加工过程
虚拟加工过程包括数控程序译码、三维动画虚拟仿真、碰撞干涉检查、加工精度虚拟仿真四个模块。（1）数控程序译码模块：负责把数控代码翻译成数控机床的执行动作；（2）三维动画虚拟仿真模块：主要完成加工过程中的动画，使加工过程的虚拟仿真与实际加工更相似；（3）碰撞干涉检查：进行加工过程碰撞干涉检查，提高数控代码的正确性；（4）加工精度虚拟仿真：进行加工过程中的精度分析，让虚拟加工过程更精确。
数控铣削加工虚拟仿真实训系统把数控铣床的虚拟仿真过程分成各个功能相对比较独立的子模块，运用了模块化的设计思想，先单独设计各个子模块，再把各个子模块组合成在一起成为一个完整的数控铣削加工虚拟仿真实训系统。
1.2 数控铣削加工虚拟仿真实训系统虚拟仿真环境模型的建立
数控铣削加工虚拟仿真实训系统的目标是在一个统一的虚拟仿真界面中实现三维场景的布置、加工过程的动态虚拟仿真及控制，同时能够显示虚拟仿真过程中的一些加工信息。数控铣削加工虚拟仿真实训系统的虚拟操作面板是模仿实际的数控系统的操作面板制作的，可以在上面操作回原点、手动、点动、自动等主要功能，系统设置了刀具库，可以修改、删除、添加刀具，还能够根据加工需要自定义刀具。系统能够根据菜单操作来实现视图的转换，工件尺寸测量和DNC传送功能。系统还根据学生的学习特点增设了切削深度设置和虚拟仿真速度设置两个菜单。
根据数控铣削加工虚拟仿真实训系统设计要求进行功能抽象，合理创建功能模块，再根据需求选择模块组成机床拼装，最终建立完成机床模型。数控铣床主轴可以旋转，工作台之间可以相互运动，可以从各个角度来观察机床的工作情况。
2. 数控铣削加工虚拟仿真实训系统关键技术实现方法
2.1 数控铣削加工虚拟仿真实训系统三维几何模型的构建
建模技术是将现实世界中的物体及其属性转化为计算机内部数字化表达的原理和方法。加工过程中的图形模拟加工过程以及加工后零件的检验效果是数控铣削加工虚拟仿真实训系统中的核心问题，几何建模是数控铣削加工虚拟仿真实训系统中的中心工作。数控加工虚拟仿真中，建模主要集中在三个部分，即毛坏体建模、工件体建模和刀具体建模。其中毛坯体是加工对象，工件是加工目标，刀具是加工工具。
加工虚拟仿真就是模拟实际过程中刀具体沿着刀具轨迹切削运动的过程，计算刀具运动产生的包络体与毛坯体的布尔差，从而实现切削过程的虚拟仿真模拟。加工虚拟仿真的的几何建模可分为线框模型、表面模型、实体模型、基于图像空间模型和离散矢量模型，这是按照虚拟仿真的复杂程度划分的。
数控铣削加工虚拟仿真实训系统中毛坏体模型的获取及构造步骤如下:(1)定义毛坯：毛坯可以由用户定义或者由文件读取获得。用户自定义需由用户给出毛坯长宽高尺寸，同时指定中心点相对工作台中心的位置。文件读取由磁盘中读入已经构造好的毛坯体模型数据文件；（2）设置网格离散点：毛坯离散点构成了求交计算和虚拟仿真显示的主体。根据加工虚拟仿真的精度要求定义离散精度，将毛坯在XOY平面投影的包围盒按离散精度分割为均匀分布的网格点阵。（3）设置非均匀离散网格点：精度是实际加工过程中非常看重的一点，为提高精度、提高优化模型对零件毛坯表达的真实性，可以添加非均匀离散网格点。
2.2 数控铣削加工虚拟仿真实训系统求交算法的实现
在加工虚拟仿真过程中，刀具每走过一个刀位点，就会在空间形成一段刀具扫描体。相应的毛坯体就需要和刀具扫描体进行一定的几何求交运算，然后用所得的毛坯体数据代替原毛坯体数据，更新毛坯，求交算法的速度对于数控铣削加工虚拟仿真实训系统十分关键。
2.3 数控铣削加工虚拟仿真实训系统代码分析编译
数控代码编译模块的功能是从数控代码中直接提取有关的加工指令和状态，以驱动加工模型实现加工动作。首先扫描数控代码检查存在的词法与语法错误，然后依次读入代码进行译码、计算刀具轨迹，作坐标变换和刀补计算，最后得到驱动加工中心各轴位移的数据、工步信息及有关状态信息，从而驱动加工过程虚拟仿真。
数控铣削加工虚拟仿真实训系统具有高交互性的特点，实现了虚拟数控铣床操作全过程虚拟仿真和加工运行的全环境虚拟仿真，学生可以通过数控铣削加工虚拟仿真实训系统，深入学习复杂数控机床的基本参数、内部构造以及操作过程等，并反复练习直至掌握，大大降低了实际数控机床操作当中的危险程度，有利于培养学生解决数控机床实际操作中复杂问题的能力，进一步提高了实践教学质量。
