智能制造能够实现更好的质量、更高的生产率、更低的成本和更大的制造灵活性。在智能制造的背景下,智能化数控加工已成为智能制造技术的不可或缺的重要组成部分,通过将机床加工过程监测技术、网络通信等技术进行融合对推动数控加工智能化具有积极作用。但现有对机床加工过程进行监测的方式主要以二维图表呈现为主,缺乏虚拟机床及虚拟加工过程的表达与仿真分析。随着数字孪生技术这一新兴的虚实融合技术的出现,运用虚拟仿真手段更加准确的反映物理实际情况成为可能。本文以数控机床和数控机床加工过程为研究对象,借助数字孪生技术,在几何规则层面针对数控机床及其加工过程进行数字孪生建模,将物理数控机床以及加工过程映射至虚拟空间,通过开放式数控系统接口实时获取机床状态数据以及加工要素,结合虚拟模型运动可视化,碰撞检测仿真、几何切削仿真等虚拟仿真技术,在虚拟空间同步演示机床加工过程,实现数控机床加工过程可视化,在线监测数控机床及加工过程并开发出数控机床加工过程监测平台。主要研究内容包括以下几个方面:虚实机床运动同步可视化研究。采用SolidWorks三维实体建模和OpenGL后处理相结合的手段在虚拟环境下建立三轴和BC型五轴数控机床的几何层面的数字孪生体,嵌入相应的正逆运动学模型构建其运动知识体系。基于字符串分割和识别算法准确解析NC加工程序,提取机床运动信息注入机床数字孪生体,对虚拟机床离线驱动,进行机床加工运动预演和刀具加工轨迹的三维显示。利用通讯接口对接机床控制系统,实时获取机床各轴位置数据驱动机床数字孪生模型,直观显示机床实际运动的每一个细节,实现物理机床和虚拟机床加工运动的同步再现。数控机床加工路径碰撞检测研究。采用基于包围盒碰撞检测算法进行数控机床加工过程碰撞检测。根据三轴机床和五轴机床中各模型运动形式的不同,对三轴和五轴机床中做平移运动的部件采用AABB包围盒,对五轴机床中做回转运动的部件采用OBB包围盒。运用层次包围盒技术以加速检测过程,通过空间相交性判断完成对两类数字孪生机床模型中由基本几何图元（三角形）构建的部件的碰撞检测。在NC代码驱动下,对模型以及层次包围盒进行运动变换,沿着加工路径扫掠实现动态碰撞检测。检测到碰撞发生时,反馈当前执行的NC代码以及碰撞发生部位。数控加工过程几何切削仿真方法研究。采用Tri-Dexel模型表达几何切削加工中的工件和刀具。在每个刀位点上对刀具和工件进行三向Dexel线段的布尔运算,模拟工件材料的去除。基于Marching Cubs原理对工件Tri-Dexel模型进行三角网格模型重构并在OpenGL中进行绘制和渲染显示。提出利用AABB包围盒锁定工件切削区域并仅对切削区域进行布尔运算和模型重构的方法加速几何切削模拟。在NC代码的驱动下进行几何切削加工预演。通过实时获取数控系统中刀具实际位置数据驱动几何切削仿真过程,实现虚实切削同步以及加工过程可视化。数控加工过程监测平台开发。以数控机床联网和开放式数控系统接口库为基础,基于TCP/IP通信协议,利用QT应用开发框架和SQL Sever数据库,采用C++高级语言进行数控加工过程监测平台开发。平台主要包含机床状态监测、能效监测、虚拟加工仿真、生产管理等功能模块。实现了机床状态监测、能效监测、加工过程预演以及加工过程同步可视化等功能。构建数控加工监测平台,为充分提高机床利用率、合理使用制造资源、推进数控加工过程智能化,加快实现智能制造奠定基础。