數(shù)控加工仿真系統(tǒng)在教學(xué)實踐中的應(yīng)用

殷志軍

摘要：數(shù)控加工仿真系統(tǒng)能滿足大批量學(xué)生教學(xué)需求，在數(shù)控教學(xué)改革過程中，通過引進(jìn)數(shù)控加工仿真軟件作為輔助教學(xué)工具進(jìn)行數(shù)控編程和加工的理論教學(xué)，有利于改進(jìn)教學(xué)方法，豐富教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，取得較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工；仿真系統(tǒng)；虛擬現(xiàn)實；教學(xué)效果

中圖分類號：G423.0

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-2374(2009)03-0208-02

數(shù)控加工技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用廣泛，傳統(tǒng)的機(jī)床操作教學(xué)方法效率低、教師工作量大，需要用更新的方法來取代。數(shù)控加工仿真系統(tǒng)是理論與實驗結(jié)合、廠家實際加工制造經(jīng)驗與高校教學(xué)訓(xùn)練一體所研發(fā)的一種機(jī)床控制仿真系統(tǒng)軟件，可以滿足大批量學(xué)生教學(xué)需求。數(shù)控仿真系統(tǒng)軟件還能彌補(bǔ)了教學(xué)投入大、消耗多、成本高的缺陷，它可以在微機(jī)平臺上運(yùn)行，解決了教學(xué)時學(xué)生多機(jī)床設(shè)備少的問題、并為學(xué)校節(jié)省了大量設(shè)備購置經(jīng)費(fèi)。數(shù)控仿真系統(tǒng)軟件可以在微機(jī)平臺上運(yùn)行，學(xué)生可利用此軟件進(jìn)行仿真操作，會起到真實設(shè)備的教學(xué)效果。數(shù)控加工仿真系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)實用。能夠集中精力幫助學(xué)生分析、解決實際問題，保證了教學(xué)質(zhì)量使教學(xué)效果得到顯著提高。能利用此軟件對數(shù)控裝置進(jìn)行仿真操作，使學(xué)生達(dá)到實際操作訓(xùn)練的目的，動態(tài)的仿真操作使教學(xué)過程易教易學(xué)、教學(xué)效果顯著。

一、數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的特點

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了可以模擬實際機(jī)床加工環(huán)境及其工作狀態(tài)的計算機(jī)仿真加工系統(tǒng)，它是一個應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)于數(shù)控加工操作技能培訓(xùn)的仿真軟件。各種數(shù)控加工仿真教學(xué)系統(tǒng)如上海宇龍、北京斐克、南京宇航、廣州超軟、武漢金銀花等不同的數(shù)控加工仿真軟件，既能單機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行。又能實現(xiàn)在線運(yùn)行。采取數(shù)控加工仿真教學(xué)方法能進(jìn)一步提高操作者的實際操作技能。實踐證明，用這種方式進(jìn)行教學(xué)是非常經(jīng)濟(jì)有效的。

1．虛擬數(shù)控機(jī)床具有以下的功能和特點：(1)虛擬數(shù)控機(jī)床具有與真實機(jī)床完全相同的結(jié)構(gòu)。虛擬數(shù)控機(jī)床能模仿真實機(jī)床的任何功能而不致因為采用某種近似替代而導(dǎo)致某種結(jié)構(gòu)和信息的失真或丟失，并與真實機(jī)床有完全相同的界面風(fēng)格和對應(yīng)功能，如動態(tài)旋轉(zhuǎn)、縮放、移動等功能的實時交互操作，從而為學(xué)員的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)提供保證。(2)機(jī)床操作全過程仿真。仿真機(jī)床操作的整個過程：毛坯定義，工件裝夾，壓板安裝，基準(zhǔn)對刀，安裝刀具，機(jī)床手動操作。(3)豐富多樣的刀具庫。系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理的刀具材料、特性參數(shù)庫，含數(shù)百種不同材料、類型和形狀的車刀、銑刀，同時還支持用戶自定義刀具及相關(guān)特性參數(shù)。(4)全面的碰撞檢測。手動、自動加工等模式下的實時碰撞檢測，包括刀炳刀具與夾具、壓板、刀具，機(jī)床行程越界，主軸不轉(zhuǎn)時刀柄刀具與工件等的碰撞。出錯時會有報警或提示，從而防止了誤操作的發(fā)生。強(qiáng)大的測量功能。可實現(xiàn)基于刀具切削參數(shù)零件粗糙度的測量，能夠?qū)Ψ抡孳浖霞庸ね瓿珊蟮墓ぜM(jìn)行完全自動的、智能化的測量。(5)具有完善的圖形和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口。用戶既能在真實的環(huán)境中運(yùn)行虛擬機(jī)床，又能觀察它的各種運(yùn)行參數(shù)，并能將其他CAD/CAM軟件。(6)實用靈活的考試系統(tǒng)。可用于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、作業(yè)、考試等功能，并實現(xiàn)答卷保存、自動評分、成績查詢和分析等功能，輕松實現(xiàn)無紙化的考核與測評。

2．?dāng)?shù)控加工仿真系統(tǒng)在教學(xué)應(yīng)用中的意義，數(shù)控技術(shù)是一門實踐性很強(qiáng)的課程，在以往的教學(xué)中，由于缺乏必要的設(shè)備支持，只能采取課堂教學(xué)來“紙上談兵”單一的課堂教學(xué)，單向的信息流動很難讓學(xué)生有系統(tǒng)，全面的認(rèn)識。將此仿真軟件應(yīng)用到教學(xué)中，具有如下意義：(1)將傳統(tǒng)的被動教學(xué)變學(xué)生參與的主功教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力；(2)利用虛擬機(jī)床代替實際機(jī)床，可消除實際機(jī)床加工的危險因素；(3)在計算機(jī)上模擬加工過程代替試切，可不消耗材料，降低成本；(4)可有效解決設(shè)備不足的問題，使每個學(xué)生都可參與其中，極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得更好的教學(xué)效果；(5)滿足網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和遠(yuǎn)程培訓(xùn)的需要。

3．?dāng)?shù)控加工仿真系統(tǒng)特點。通過該軟件可以使學(xué)生達(dá)到實物操作訓(xùn)練的目的，并且安全可靠。通過動態(tài)的仿真操作使教學(xué)過程易教易學(xué)、教學(xué)效果顯著提高：(1)系統(tǒng)完全模擬真實數(shù)控機(jī)床的控制面板和屏幕顯現(xiàn)，易教、易學(xué)，可輕松操作；(2)學(xué)生和培訓(xùn)學(xué)員可根據(jù)自己熟悉的機(jī)床任意選擇機(jī)床設(shè)備進(jìn)行操作；(3)在虛擬環(huán)境下對NC代碼的切削狀態(tài)進(jìn)行檢驗，操作安全；(4)學(xué)生可看到各種機(jī)床真實的三維加工仿真過程，并能檢查和測量加工后的工件，可以更迅速的掌握數(shù)控機(jī)床的實操過程；(5)采用虛擬機(jī)床替代真實機(jī)床進(jìn)行教學(xué)與培訓(xùn)，在降低費(fèi)用的同時獲得更佳的教學(xué)和培訓(xùn)效果，使用更經(jīng)濟(jì)。其優(yōu)點在于系統(tǒng)完全模擬真實CNC機(jī)床的控制面板和屏幕顯現(xiàn)，可輕松操作。在虛擬環(huán)境下對NC代碼的切削狀態(tài)進(jìn)行檢驗，操作安全。用戶可看到真實的三維加工仿真過程，仔細(xì)檢查加工后的工件，可以更迅速的掌握CNC機(jī)床的操作過程，過程逼真。

二、虛擬數(shù)控機(jī)床平臺的構(gòu)建

數(shù)控仿真系統(tǒng)的核心是虛擬數(shù)控機(jī)床，而虛擬數(shù)控機(jī)床又是虛擬制造技術(shù)中的一個重要的執(zhí)行單元。數(shù)控仿真系統(tǒng)完全模擬真實零件的加工過程，可以檢驗各種數(shù)控指令是否正確，能提供與真實機(jī)床完全相同的操作面板，其調(diào)試、編輯、修改和跟蹤執(zhí)行等功能也一應(yīng)俱全，數(shù)控加工仿真系統(tǒng)實際上是虛擬環(huán)境中數(shù)控機(jī)床的模型。虛擬數(shù)控機(jī)床一般是通過以下的構(gòu)建平臺來實現(xiàn)上述功能：

1．NC解釋平臺。NC解釋平臺包括NC解釋器和NC驗證器。任務(wù)分配數(shù)據(jù)庫從任務(wù)調(diào)度中接受數(shù)控代碼并將其翻譯為虛擬機(jī)床的部件、刀具等運(yùn)動的信息，并將其通過計算模塊來模擬機(jī)床的響應(yīng)，NC解釋器能夠被自由地配置從而能夠模擬任何一種數(shù)控機(jī)床的CNC控制器。

2．NC驗證器。能夠驗證NC代碼的語法是否正確。

3．刀具庫。刀具庫應(yīng)包括一臺數(shù)控機(jī)床所需要的所有刀具。并能自由配置刀具庫中的刀具號，從而能模擬任何一種數(shù)控機(jī)床的換刀形式及切削加工的要求。

4．仿真平臺。仿真平臺包括刀具軌跡仿真、切削力仿真，加工精度仿真、三維動畫仿真、加工工時統(tǒng)計分析，仿真平臺是虛擬數(shù)控機(jī)床的核心技術(shù)。操作者可以在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行機(jī)床運(yùn)動和切削過程等的仿真，從中獲得相關(guān)的加工數(shù)據(jù)。如進(jìn)給軸的位移量、換刀狀態(tài)、主軸轉(zhuǎn)速、加速度、進(jìn)給量、加工時間等。通過加工過程的仿真，了解所設(shè)計工件的可加工性，驗證NC代碼的正確性以及評價和優(yōu)化加工過程，并通過在線修改NC代碼來將其優(yōu)化。

5．計算平臺。計算平臺用來完成虛擬數(shù)控機(jī)床中各種計算，如根據(jù)NC代碼計算加工零件新的幾何形狀，根據(jù)刀具的材料、運(yùn)行時間、零件的材料性質(zhì)和潤滑介質(zhì)的性質(zhì)計算刀具的補(bǔ)償量和熱補(bǔ)償量。這些計算結(jié)果是虛擬數(shù)控機(jī)床在應(yīng)用于虛擬制造過程中的加工方案評價以及可制造性分析所

必須的。

6．設(shè)計開發(fā)平臺。虛擬數(shù)控機(jī)床的設(shè)計平臺是一個面向?qū)ο蟮臄?shù)控軟件庫及其開發(fā)環(huán)境。通過對數(shù)控軟件的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化研究和其它CAD／CAM軟件的數(shù)據(jù)交換，并對典型的零件進(jìn)行封裝，設(shè)計成具有穩(wěn)定、通用接口的可重復(fù)使用的軟件。

7．操作運(yùn)行平臺和監(jiān)控平臺。在虛擬環(huán)境中完全實現(xiàn)真實機(jī)床的操作，讓使用者完全感受到真實機(jī)床的運(yùn)行特性。在這些基礎(chǔ)上的監(jiān)控硬件和軟件，用來控制簡易機(jī)床，增加虛擬數(shù)控機(jī)床的真實感，并且可以進(jìn)行典型零件的實驗性試切加工，讓使用者有一種身臨其盡的感覺。尤其是在數(shù)控教學(xué)和培訓(xùn)過程中，初學(xué)數(shù)控編程者需要大量的編程練習(xí)，并進(jìn)行實際調(diào)試。用試切法來檢驗數(shù)控加工程序顯然不合理，而且也難于實現(xiàn)。如果利用仿真技術(shù)，這些問題可以輕松得到解決，從而避免編程時人為出錯或工藝不合理造成工件報廢。

三、數(shù)控加工仿真系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬數(shù)控機(jī)床強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程教育，不僅在局域網(wǎng)上具有雙向互動的教學(xué)功能，還具有基于互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行雙向互動的遠(yuǎn)程教學(xué)功能，使用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)軟件進(jìn)行輔助教學(xué)，主要從以下幾個方面進(jìn)行探索與實踐：

1．課堂教學(xué)中采用靈活教學(xué)手段，變學(xué)生被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，恰當(dāng)運(yùn)用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，充分發(fā)揮其課堂教學(xué)中的作用。教師應(yīng)十分重視數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的在教學(xué)中的應(yīng)用方法，擺正數(shù)控加工仿真系統(tǒng)在教學(xué)中的位置，既不能完全依賴數(shù)控加工仿真系統(tǒng)放棄教師在教學(xué)中的引導(dǎo)作用，也不能在教學(xué)中教師唱獨(dú)角戲，采用常規(guī)的教學(xué)模式而忽視數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的應(yīng)用，應(yīng)該科學(xué)地、充分地發(fā)揮數(shù)控加工仿真系統(tǒng)在教學(xué)中的作用。

2．科學(xué)安排教學(xué)內(nèi)容，循序漸近，掌握數(shù)控編程與操作技巧，在教學(xué)過程中教學(xué)內(nèi)容的安排可分模塊化教學(xué)。(1)基礎(chǔ)模塊，主要講解與訓(xùn)練最常用的FANUC數(shù)控系統(tǒng)中的數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控加工中心的編程方法、操作及應(yīng)用，這一模塊是教學(xué)重點，必須使學(xué)生熟練掌握，靈活應(yīng)用；(2)提高模塊。主要講解與訓(xùn)練SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)的三種機(jī)床的編程與操作，以幫助學(xué)生進(jìn)一步加強(qiáng)在不同數(shù)控系統(tǒng)下對不同數(shù)控機(jī)床的編程方法的理解與應(yīng)用能力；(3)拓展模塊，如講解國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)中的華中數(shù)控系統(tǒng)和廣州數(shù)控系統(tǒng)中的數(shù)控車床的編程與操作方法，擴(kuò)大學(xué)生的知識面，提高學(xué)生對不同操作系統(tǒng)、不同操作面板的編程與操作能力，正確進(jìn)行教學(xué)評價，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)意識和自覺性。利用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的教學(xué)方法、教學(xué)手段來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣顯得尤為重要。

3．恰當(dāng)運(yùn)用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，充分發(fā)揮其課堂教學(xué)中的作用，數(shù)控加工仿真系統(tǒng)主要應(yīng)用于數(shù)控編程與操作這一理論教學(xué)課程，還可作為數(shù)控操作技能訓(xùn)練的輔助工具。在操作方面，由于數(shù)控加工仿真系統(tǒng)采用了與數(shù)控機(jī)床操作系統(tǒng)相同的面板和按鍵功能，并且使用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)在操作中即使出現(xiàn)人為的編程或操作失誤也不會危及機(jī)床和人身安全，反而學(xué)生還可以從中吸取大量的經(jīng)驗和數(shù)訓(xùn)。將理論與實踐有機(jī)地結(jié)合在一起邊講授邊練習(xí)，使講過的知識及時應(yīng)用于實踐中，不但可加深學(xué)生對理論知識的理解，而且在模擬操作的同時對數(shù)控機(jī)床的操作方法上也將具備相當(dāng)水平的實踐基礎(chǔ)。

四、結(jié)語

將數(shù)控加工仿真軟件引入教學(xué)之中，用于數(shù)控機(jī)床操作與編程訓(xùn)練，既可以避免因誤操作造成價格昂貴的數(shù)控機(jī)床的損壞，又可以使操作人員在對仿真數(shù)控機(jī)床操作過程中產(chǎn)生臨場感和真實感。而且能夠讓同學(xué)們更快地熟悉和了解數(shù)控加工的工作過程，并且掌握每種數(shù)控機(jī)床的基本操作。數(shù)控加工仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用，有利于全面提高學(xué)生綜合職業(yè)素質(zhì)，激發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生勇于實踐的能力，從教學(xué)效果看，數(shù)控仿真系統(tǒng)的引入，使學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)控編程理論時，課堂的教學(xué)變得更加生動、更加具體，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果明顯。由于仿真軟件不存在安全問題，這使得學(xué)生可以大膽地、獨(dú)立地進(jìn)行學(xué)習(xí)和練習(xí)，并能自我檢測加工零件幾何形狀的精度，這對學(xué)生機(jī)床操作能力的培養(yǎng)，起到了極大的作用。同時該系統(tǒng)還可以減輕老師的工作強(qiáng)度，減少工件材料和能源的消耗，節(jié)約了實踐環(huán)節(jié)的成本。