殷志軍

摘要：數控加工仿真系統能滿足大批量學生教學需求，在數控教學改革過程中，通過引進數控加工仿真軟件作為輔助教學工具進行數控編程和加工的理論教學，有利于改進教學方法，豐富教學內容，增強學習興趣，取得較好的教學效果。

關鍵詞：數控加工；仿真系統；虛擬現實；教學效果

中圖分類號：G423.0

文獻標識碼：A

文章編號：1009-2374(2009)03-0208-02

數控加工技術在機械制造業(yè)中的應用廣泛，傳統的機床操作教學方法效率低、教師工作量大，需要用更新的方法來取代。數控加工仿真系統是理論與實驗結合、廠家實際加工制造經驗與高校教學訓練一體所研發(fā)的一種機床控制仿真系統軟件，可以滿足大批量學生教學需求。數控仿真系統軟件還能彌補了教學投入大、消耗多、成本高的缺陷，它可以在微機平臺上運行，解決了教學時學生多機床設備少的問題、并為學校節(jié)省了大量設備購置經費。數控仿真系統軟件可以在微機平臺上運行，學生可利用此軟件進行仿真操作，會起到真實設備的教學效果。數控加工仿真系統安全、經濟實用。能夠集中精力幫助學生分析、解決實際問題，保證了教學質量使教學效果得到顯著提高。能利用此軟件對數控裝置進行仿真操作，使學生達到實際操作訓練的目的，動態(tài)的仿真操作使教學過程易教易學、教學效果顯著。

一、數控加工仿真系統的特點

隨著虛擬現實技術及計算機技術的發(fā)展，出現了可以模擬實際機床加工環(huán)境及其工作狀態(tài)的計算機仿真加工系統，它是一個應用虛擬現實技術于數控加工操作技能培訓的仿真軟件。各種數控加工仿真教學系統如上海宇龍、北京斐克、南京宇航、廣州超軟、武漢金銀花等不同的數控加工仿真軟件，既能單機系統獨立運行。又能實現在線運行。采取數控加工仿真教學方法能進一步提高操作者的實際操作技能。實踐證明，用這種方式進行教學是非常經濟有效的。

1．虛擬數控機床具有以下的功能和特點：(1)虛擬數控機床具有與真實機床完全相同的結構。虛擬數控機床能模仿真實機床的任何功能而不致因為采用某種近似替代而導致某種結構和信息的失真或丟失，并與真實機床有完全相同的界面風格和對應功能，如動態(tài)旋轉、縮放、移動等功能的實時交互操作，從而為學員的學習和培訓提供保證。(2)機床操作全過程仿真。仿真機床操作的整個過程：毛坯定義，工件裝夾，壓板安裝，基準對刀，安裝刀具，機床手動操作。(3)豐富多樣的刀具庫。系統采用數據庫統一管理的刀具材料、特性參數庫，含數百種不同材料、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特性參數。(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，機床行程越界，主軸不轉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。強大的測量功能。可實現基于刀具切削參數零件粗糙度的測量，能夠對仿真軟件上加工完成后的工件進行完全自動的、智能化的測量。(5)具有完善的圖形和標準數據接口。用戶既能在真實的環(huán)境中運行虛擬機床，又能觀察它的各種運行參數，并能將其他CAD/CAM軟件。(6)實用靈活的考試系統。可用于遠程網絡學習、作業(yè)、考試等功能，并實現答卷保存、自動評分、成績查詢和分析等功能，輕松實現無紙化的考核與測評。

2．數控加工仿真系統在教學應用中的意義，數控技術是一門實踐性很強的課程，在以往的教學中，由于缺乏必要的設備支持，只能采取課堂教學來“紙上談兵”單一的課堂教學，單向的信息流動很難讓學生有系統，全面的認識。將此仿真軟件應用到教學中，具有如下意義：(1)將傳統的被動教學變學生參與的主功教學，培養(yǎng)學生的實際動手能力；(2)利用虛擬機床代替實際機床，可消除實際機床加工的危險因素；(3)在計算機上模擬加工過程代替試切，可不消耗材料，降低成本；(4)可有效解決設備不足的問題，使每個學生都可參與其中，極大提高學生的學習興趣，取得更好的教學效果；(5)滿足網絡教學和遠程培訓的需要。

3．數控加工仿真系統特點。通過該軟件可以使學生達到實物操作訓練的目的，并且安全可靠。通過動態(tài)的仿真操作使教學過程易教易學、教學效果顯著提高：(1)系統完全模擬真實數控機床的控制面板和屏幕顯現，易教、易學，可輕松操作；(2)學生和培訓學員可根據自己熟悉的機床任意選擇機床設備進行操作；(3)在虛擬環(huán)境下對NC代碼的切削狀態(tài)進行檢驗，操作安全；(4)學生可看到各種機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控機床的實操過程；(5)采用虛擬機床替代真實機床進行教學與培訓，在降低費用的同時獲得更佳的教學和培訓效果，使用更經濟。其優(yōu)點在于系統完全模擬真實CNC機床的控制面板和屏幕顯現，可輕松操作。在虛擬環(huán)境下對NC代碼的切削狀態(tài)進行檢驗，操作安全。用戶可看到真實的三維加工仿真過程，仔細檢查加工后的工件，可以更迅速的掌握CNC機床的操作過程，過程逼真。

二、虛擬數控機床平臺的構建

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

1．NC解釋平臺。NC解釋平臺包括NC解釋器和NC驗證器。任務分配數據庫從任務調度中接受數控代碼并將其翻譯為虛擬機床的部件、刀具等運動的信息，并將其通過計算模塊來模擬機床的響應，NC解釋器能夠被自由地配置從而能夠模擬任何一種數控機床的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。刀具庫應包括一臺數控機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控機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、加工工時統計分析，仿真平臺是虛擬數控機床的核心技術。操作者可以在虛擬的環(huán)境中進行機床運動和切削過程等的仿真，從中獲得相關的加工數據。如進給軸的位移量、換刀狀態(tài)、主軸轉速、加速度、進給量、加工時間等。通過加工過程的仿真，了解所設計工件的可加工性，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控機床中各種計算，如根據NC代碼計算加工零件新的幾何形狀，根據刀具的材料、運行時間、零件的材料性質和潤滑介質的性質計算刀具的補償量和熱補償量。這些計算結果是虛擬數控機床在應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．設計開發(fā)平臺。虛擬數控機床的設計平臺是一個面向對象的數控軟件庫及其開發(fā)環(huán)境。通過對數控軟件的標準化、規(guī)范化研究和其它CAD／CAM軟件的數據交換，并對典型的零件進行封裝，設計成具有穩(wěn)定、通用接口的可重復使用的軟件。

7．操作運行平臺和監(jiān)控平臺。在虛擬環(huán)境中完全實現真實機床的操作，讓使用者完全感受到真實機床的運行特性。在這些基礎上的監(jiān)控硬件和軟件，用來控制簡易機床，增加虛擬數控機床的真實感，并且可以進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。尤其是在數控教學和培訓過程中，初學數控編程者需要大量的編程練習，并進行實際調試。用試切法來檢驗數控加工程序顯然不合理，而且也難于實現。如果利用仿真技術，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、數控加工仿真系統在教學中的應用

虛擬數控機床強大的網絡功能，可實現遠程教育，不僅在局域網上具有雙向互動的教學功能，還具有基于互聯網進行雙向互動的遠程教學功能，使用數控加工仿真系統軟件進行輔助教學，主要從以下幾個方面進行探索與實踐：

1．課堂教學中采用靈活教學手段，變學生被動學習為主動學習，恰當運用數控加工仿真系統，充分發(fā)揮其課堂教學中的作用。教師應十分重視數控加工仿真系統的在教學中的應用方法，擺正數控加工仿真系統在教學中的位置，既不能完全依賴數控加工仿真系統放棄教師在教學中的引導作用，也不能在教學中教師唱獨角戲，采用常規(guī)的教學模式而忽視數控加工仿真系統的應用，應該科學地、充分地發(fā)揮數控加工仿真系統在教學中的作用。

2．科學安排教學內容，循序漸近，掌握數控編程與操作技巧，在教學過程中教學內容的安排可分模塊化教學。(1)基礎模塊，主要講解與訓練最常用的FANUC數控系統中的數控車床、數控銑床、數控加工中心的編程方法、操作及應用，這一模塊是教學重點，必須使學生熟練掌握，靈活應用；(2)提高模塊。主要講解與訓練SIEMENS數控系統的三種機床的編程與操作，以幫助學生進一步加強在不同數控系統下對不同數控機床的編程方法的理解與應用能力；(3)拓展模塊，如講解國產數控系統中的華中數控系統和廣州數控系統中的數控車床的編程與操作方法，擴大學生的知識面，提高學生對不同操作系統、不同操作面板的編程與操作能力，正確進行教學評價，提高學生的學習意識和自覺性。利用數控加工仿真系統的教學方法、教學手段來提高學生的學習興趣顯得尤為重要。

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

四、結語

將數控加工仿真軟件引入教學之中，用于數控機床操作與編程訓練，既可以避免因誤操作造成價格昂貴的數控機床的損壞，又可以使操作人員在對仿真數控機床操作過程中產生臨場感和真實感。而且能夠讓同學們更快地熟悉和了解數控加工的工作過程，并且掌握每種數控機床的基本操作。數控加工仿真軟件在教學中的應用，有利于全面提高學生綜合職業(yè)素質，激發(fā)學生獨立思考和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學生勇于實踐的能力，從教學效果看，數控仿真系統的引入，使學生在學習數控編程理論時，課堂的教學變得更加生動、更加具體，提高學生的學習興趣，教學效果明顯。由于仿真軟件不存在安全問題，這使得學生可以大膽地、獨立地進行學習和練習，并能自我檢測加工零件幾何形狀的精度，這對學生機床操作能力的培養(yǎng)，起到了極大的作用。同時該系統還可以減輕老師的工作強度，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。