古茂容

廣東省清遠(yuǎn)市技師學(xué)院數(shù)控模具系

《數(shù)控技術(shù)》中插補原理教學(xué)方法的建設(shè)研究

古茂容

廣東省清遠(yuǎn)市技師學(xué)院數(shù)控模具系

數(shù)控技術(shù)對于現(xiàn)代化建設(shè)和生產(chǎn)有著十分重要的作用，大量培養(yǎng)數(shù)控技術(shù)人才成為所有高校的一項共識。然而數(shù)控技術(shù)的教學(xué)存在諸多難點，插補原理即是其中之一。本文通過分析插補原理的概念、內(nèi)容和目的，強化數(shù)控技術(shù)教學(xué)環(huán)節(jié)，為提高教學(xué)質(zhì)量，改善學(xué)生素質(zhì)打下了堅實的基礎(chǔ)。

數(shù)控技術(shù)；插補原理教學(xué)

在當(dāng)今社會，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)融入到了各行各業(yè)，包括機械自動化和電子集成化等重要的生產(chǎn)技術(shù)都有數(shù)控技術(shù)參與其中。通過利用數(shù)控技術(shù)來提高生產(chǎn)效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，成為了所有生產(chǎn)制造業(yè)的共識。因此，數(shù)控技術(shù)的普及應(yīng)用就成為了重要的課題。各大高校紛紛設(shè)立了數(shù)控技術(shù)課程，在實際教學(xué)的過程中，很多高校都反應(yīng)出數(shù)控技術(shù)課程的難點在于理論教學(xué)要與實踐操作緊密結(jié)合，而現(xiàn)有的教學(xué)條件卻無法滿足兩者結(jié)合的需求。這既是因為數(shù)控設(shè)備價格昂貴，普通高校難以負(fù)擔(dān)；同時學(xué)生的理論知識和操作技巧還不成熟，不能很好地適應(yīng)設(shè)備。本文通過分析插補原理的概念，對其內(nèi)容和目的進(jìn)行詳細(xì)研究，以期改善數(shù)控技術(shù)的教學(xué)環(huán)境，彌補理論與實際難以結(jié)合的缺陷，為高校解決教學(xué)難題提供一些經(jīng)驗。

一、插補原理概述

插補原理是指在數(shù)控技術(shù)中，根據(jù)曲線段已知的幾何數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的工藝數(shù)據(jù)所計算出的速度、曲線起終點、中間點等信息，然后以坐標(biāo)軸為基準(zhǔn)，發(fā)送具有方向、大小和速度的協(xié)調(diào)的運動序列命令。通過坐標(biāo)軸為中心的運動合成，形成了符合加工程序所要求的工件刀具運動軌跡。插補的方法主要分為基準(zhǔn)脈沖和數(shù)據(jù)采樣兩種，其中基準(zhǔn)脈沖中的逐點比較法和數(shù)字積分法在實際環(huán)境中應(yīng)用十分廣泛，是插補原理中的重點教學(xué)內(nèi)容。

逐點比較法是以坐標(biāo)軸中的四個象限區(qū)域的判別為特征，每運動一步都要該點的瞬時坐標(biāo)與給定的圖形上的坐標(biāo)相比較，判別是否有偏差；如果有偏差，就要在下一步中進(jìn)行調(diào)整，如果沒有偏差，就按照給定軌跡繼續(xù)運動，這樣就能得到一個最接近給定圖形的軌跡。逐點比較法的最大偏差不會超過一個脈沖當(dāng)量，且操作簡單便于觀察，在坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。

數(shù)字積分法是利用數(shù)字積分器來計算工件刀具沿坐標(biāo)軸的位移，保證刀具沿給定的圖標(biāo)曲線進(jìn)行運動。數(shù)字積分法的運算速度快，脈沖分配均勻，這就使得它能夠很好地實現(xiàn)多個坐標(biāo)的插補聯(lián)動，這意味著它不僅能實現(xiàn)平面上的直線和弧線插補，還可以實現(xiàn)空間曲線的插補。在現(xiàn)階段的數(shù)控理論教學(xué)中，數(shù)字積分法具有十分重要的現(xiàn)實意義，在輪廓控制數(shù)控系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用。

二、數(shù)控技術(shù)中插補原理的教學(xué)目的

傳統(tǒng)的數(shù)控技術(shù)教學(xué)主要是讓學(xué)生了解和熟悉插補運算的原理，學(xué)習(xí)并掌握數(shù)控系統(tǒng)中插補運算的算法，包括逐點比較法和數(shù)字積分法的算法。部分院校根據(jù)其專業(yè)性質(zhì)以及教學(xué)設(shè)備的不同，可能會在教學(xué)內(nèi)容上存在一些差異，但是其主體內(nèi)容基本相同。特別是逐點比較法和數(shù)字積分法，一直是所有高校數(shù)控技術(shù)教學(xué)中的重點。隨著數(shù)控設(shè)備的提高與數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，逐點比較法和數(shù)值積分法已經(jīng)不能完全代表數(shù)控技術(shù)中的所有算法了。為了使得學(xué)生能夠更好地掌握插補原理，并具備相應(yīng)的知識拓展能力，教師在教學(xué)中需要幫助學(xué)生深入了解數(shù)控系統(tǒng)的工作原理，并結(jié)合這兩種算法分析數(shù)控系統(tǒng)中不同模塊的功能，使學(xué)生真正地掌握插補原理。即使面對新的算法，也能夠根據(jù)系統(tǒng)模塊的功能對該算法進(jìn)行初步分析，在一定程度上提高了學(xué)生接受新知識的能力。

三、插補原理的教學(xué)

普通的數(shù)控設(shè)備價格對于很多高校來說仍然難以負(fù)擔(dān)，無法實現(xiàn)大規(guī)模地實踐應(yīng)用。而作為實踐與理論緊密結(jié)合的科目，插補原理教學(xué)對于實踐操作的需求更甚于其他科目。因此，本文采用模擬仿真軟件，既滿足了學(xué)生的實踐課程，也為理論教學(xué)中提供了逼真的教學(xué)演示。

（—）仿真系統(tǒng)的作用

該仿真系統(tǒng)主要是以逐點比較法和數(shù)字積分法這兩種插補方法為模板進(jìn)行設(shè)計。選擇的插補對象一般為直線和圓弧，首先在文本框中輸入數(shù)控程序，系統(tǒng)對該程序進(jìn)行讀取之后再繪制直線和圓弧的軌跡。通過逐點比較法和數(shù)字積分法所繪制出來的插補軌跡是不同的，經(jīng)過仿真系統(tǒng)可以清楚地看到這兩種算法對同一個插補對象的計算過程和運動軌跡的狀況，從而更加深刻地認(rèn)識兩者之間的異同。仿真系統(tǒng)對于理論教學(xué)有著十分重要的演示作用，它能夠?qū)?fù)雜抽象的概念具體化，幫助學(xué)生更好地理解其內(nèi)涵，同時提高了課堂教學(xué)效率，為數(shù)控技術(shù)的進(jìn)一步普及打下了堅實的基礎(chǔ)。

（二）仿真系統(tǒng)的設(shè)計

仿真系統(tǒng)采用了Visual Basic語言進(jìn)行設(shè)計，它便于操作、功能強大，擁有簡潔直觀的圖形用戶界面，能夠支持應(yīng)用程序的快速開發(fā)，還可以使用DAO、RDO、ADO連接數(shù)據(jù)庫。仿真系統(tǒng)的界面設(shè)計包括窗體、命令按鈕、文本框、圖片框、標(biāo)簽、時鐘控件等，在Visual Basic語言下這些都能夠輕松實現(xiàn)。系統(tǒng)主要功能在于對人工編寫程序進(jìn)行讀取和判斷：當(dāng)用戶在文本框中完成程序輸入之后，系統(tǒng)要根據(jù)程序內(nèi)給定的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)軸上表現(xiàn)運動軌跡；是否需要跨象限、對插補類型進(jìn)行選擇、對軌跡進(jìn)行計算等，都需要該語言來完成。

（三）仿真系統(tǒng)的準(zhǔn)備

想要利用Visual Basic語言來實現(xiàn)數(shù)控插補過程的仿真，首先要建立一個顯示平臺，該平臺也是基于Visual Basic語言構(gòu)建，可以分為顯示與控制兩個部分；其次，在后臺建立插補計算程序，該程序是按照插補原理圖編寫而成的，主要用于模擬顯示插補點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并判斷插補是否結(jié)束；最后，設(shè)計一個連接顯示平臺與后臺計算程序的接口，將兩者連接起來。在設(shè)計顯示平臺時，需要設(shè)置參數(shù)選項與操作按鈕，這樣能夠有效區(qū)分不同類型的插補過程，然后進(jìn)行有針對性的仿真。例如：直線與圓弧的插補過程有所不同，設(shè)置參數(shù)選項之后，學(xué)生能夠輸入詳細(xì)的數(shù)據(jù)，使得插補過程的仿真效果更加逼真。操作按鈕的設(shè)置則能夠有效地控制插補曲線的理論軌跡，并實現(xiàn)動態(tài)的放大與縮小，便于學(xué)生比較兩種軌跡之間的差別。

（四）仿真系統(tǒng)的模塊

系統(tǒng)模塊主要有參數(shù)輸入、坐標(biāo)平移、跨象限判斷和插補類型判斷。

1、參數(shù)輸入：用于輸入插補對象的有關(guān)參數(shù)，如起點及終點坐標(biāo)、圓弧的圓心或者半徑等，另外插補方向、插補方式、插補方法、插補精度、插補時間間隔等參數(shù)都要通過該模塊進(jìn)行輸入。

2、坐標(biāo)平移：通常情況下，插補計算中的直線起點或者圓弧圓心均默認(rèn)為坐標(biāo)軸的原點。為了使該系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)不同種類的插補計算，仿真系統(tǒng)中的直線起點或圓弧圓心是任意給定的，并不一定要落在坐標(biāo)軸的原點上。在計算的時候，如果直線起點或圓弧圓心與坐標(biāo)軸原點重合，則可以直接進(jìn)行計算；如果兩者并不重合，則要進(jìn)行坐標(biāo)平移，將坐標(biāo)原點移到與直線起點或者圓弧圓心重合的位置，然后進(jìn)行計算。

3、跨象限判斷：當(dāng)直線作為插補對象時，一般不存在跨象限的問題；如果圓弧作為插補對象，則要考慮軌跡的跨象限問題。這是因為在不同象限內(nèi)對于圓弧的插補計算方法有所不同，判斷圓弧是否跨象限是保證運動軌跡符合程序要求的重要方法?？梢越柚鴺?biāo)平移來進(jìn)行判斷。

4、插補類型判斷：由于不同象限內(nèi)插補對象的插補計算方法不同，因此在完成跨象限判斷之后，還要進(jìn)行插補類型判斷。即確定直線或者圓弧所屬的象限，并根據(jù)設(shè)置好的各個象限子計算模塊進(jìn)行相應(yīng)部分的計算。通常情況下，直線有四個不同的插補情況，既直線在四個象限內(nèi)的軌跡；而圓弧存在八種不同的插補情況，即圓弧在單一象限內(nèi)以及跨象限的軌跡。

（五）仿真系統(tǒng)的操作

打開仿真系統(tǒng)，點擊啟動；在界面上選擇需要仿真的線型，然后輸入?yún)?shù)；輸入完成之后點擊顯示按鈕，觀察理論軌跡；點擊步進(jìn)顯示按鈕，系統(tǒng)將按照步進(jìn)按鈕中設(shè)置的間隔顯示軌跡的生成；然后點擊插補軌跡連續(xù)顯示按鈕，軌跡會結(jié)束步進(jìn)狀態(tài)，迅速生成；點擊停止按鈕就會終止插補過程的仿真；可以根據(jù)需要點擊放大或者縮小按鈕來調(diào)整某一段軌跡；點擊清屏按鈕就可以清除原有的插補軌跡。

四、插補仿真系統(tǒng)的優(yōu)勢

（一）該系統(tǒng)采用Visual Basic語言進(jìn)行設(shè)計，這種語言簡單易學(xué)、操作性強，十分適合教學(xué)使用。同時，該語言系統(tǒng)界面簡潔、可視性強，保證了人機的良好互動，能夠很好地提高學(xué)生的程序設(shè)計能力，值得在廣大高校中進(jìn)行推廣。

（二）學(xué)生在仿真系統(tǒng)中能夠深度參與數(shù)控編程的每個過程，即使只是簡單的指令，經(jīng)由學(xué)生親自手動輸入，也大大加深了學(xué)生對于該指令的理解和認(rèn)識。這是在數(shù)控技術(shù)課堂上學(xué)不到的重要體驗，對提高學(xué)生的綜合能力有所幫助。

（三）仿真系統(tǒng)在接受一次指令之后就能夠繪制出坐標(biāo)軸四象限中的所有曲線軌跡，同時將逐點比較法和數(shù)字積分法兩種算法的不同插補軌跡繪制出來，以供學(xué)生進(jìn)行直觀的觀察和比較，并對插補仿真結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)。

五、總結(jié)

插補原理的教學(xué)，不僅要讓學(xué)生學(xué)習(xí)到理論知識，更要讓學(xué)生親自體驗插補算法的編寫與運行。在Visual Basic語言下建立起的仿真系統(tǒng)，滿足了學(xué)生手工編寫數(shù)控程序代碼的要求，同時它能夠動態(tài)繪制插補軌跡，使教學(xué)過程更加簡便直觀。學(xué)生不僅能夠更好地理解插補原理，也在與系統(tǒng)的互動之中，提高了學(xué)習(xí)效率，它使插補原理教學(xué)的課程充滿了樂趣，大大提高了教學(xué)質(zhì)量。

［1］齊保謙.數(shù)控技術(shù).中插補原理教學(xué)的研究科技信息，2009，13

［2］呂彥明.插補仿真系統(tǒng)在數(shù)控技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用.工具技術(shù)，2013，47

［3］楊偉東.計算機數(shù)據(jù)課程中插補原理教學(xué)方法的探討實驗室科學(xué)，2009，4