在“工业4.0”大背景下,“虚拟工厂”已成为“智能制造”领域中重要的研究课题。作为虚拟工厂的主要组成部分,如何建立一个实时性好、真实感强的数控机床虚拟仿真系统已成为当前研究的热点。针对传统的虚拟仿真系统实时性差、仿真画面真实感不强以及兼容性差等问题,本文以常见类型的五轴数控机床为研究对象,基于GPU加速技术进行了全新的数控机床虚拟仿真系统的设计与开发。具体研究内容如下:(1)根据现有的虚拟仿真系统的一些优缺点以及实际数控加工需求,对本虚拟仿真系统进行了需求分析;以面向对象为指导思想,对数控机床虚拟仿真系统进行总体框架设计,按照功能属性不能耦合的原则将系统划分为四大模块;针对本系统底层编程语言表达的逻辑对象之间调用关系复杂的情况,重点对这些抽象后的逻辑对象的类进行整体逻辑架构设计。(2)为了给本数控机床虚拟仿真系统提供3D模型素材,以某数控车间多种类型的机床为样本,开展了精确、逼真度高的三维建模工作。针对传统的虚拟仿真软件只能导入一种模型文件类型的情况,本文对几种常见的模型文件类型进行了数据结构分析,并提出了相应的模型导入算法,着重分析了3D模型在基于OpenGL图形库创建的虚拟环境中显示的工作原理。(3)针对传统的虚拟仿真系统只能实现某一特定类型机床的仿真运动的缺陷,本文以机床运动链为标准对常见的机床进行类型划分,分析了每种类型机床工作机理,提出了一种通过设置机床运动部件的运动形式来实现多种类型机床虚拟仿真的解决方案。为了解决由于机床转轴模型的旋转中心轴与坐标系轴不重合而引起仿真运动失真的情况,提出了一种通用解决算法。(4)结合数控机床虚拟仿真系统对实时数据的要求,设计并实现了仿真系统与现实机床数据通信的接口模块。同时分析两种旋转机制的工作原理,提出了相应的算法,实现了人机界面交互。(5)为了解决仿真系统实时性差的问题,本文引入了GPU加速技术。结合GPU异步传输原理,将模型数据直接传递给GPU的顶点缓存中,一方面利用GPU强大的并行运算能力处理模型数据,节约了CPU资源;另一方面优化了CPU与GPU之间数据传方式,减少了数据传递的时间,极大的提高了系统实时性。