数控加工仿真系统在教学实践中的应用

殷志军

摘要：数控加工仿真系统能满足大批量学生教学需求，在数控教学改革过程中，通过引进数控加工仿真软件作为辅助教学工具进行数控编程和加工的理论教学，有利于改进教学方法，丰富教学内容，增强学习兴趣，取得较好的教学效果。

关键词：数控加工；仿真系统；虚拟现实；教学效果

中图分类号：G423.0

文献标识码：A

文章编号：1009-2374(2009)03-0208-02

数控加工技术在机械制造业中的应用广泛，传统的机床操作教学方法效率低、教师工作量大，需要用更新的方法来取代。数控加工仿真系统是理论与实验结合、厂家实际加工制造经验与高校教学训练一体所研发的一种机床控制仿真系统软件，可以满足大批量学生教学需求。数控仿真系统软件还能弥补了教学投入大、消耗多、成本高的缺陷，它可以在微机平台上运行，解决了教学时学生多机床设备少的问题、并为学校节省了大量设备购置经费。数控仿真系统软件可以在微机平台上运行，学生可利用此软件进行仿真操作，会起到真实设备的教学效果。数控加工仿真系统安全、经济实用。能够集中精力帮助学生分析、解决实际问题，保证了教学质量使教学效果得到显著提高。能利用此软件对数控装置进行仿真操作，使学生达到实际操作训练的目的，动态的仿真操作使教学过程易教易学、教学效果显著。

一、数控加工仿真系统的特点

随着虚拟现实技术及计算机技术的发展，出现了可以模拟实际机床加工环境及其工作状态的计算机仿真加工系统，它是一个应用虚拟现实技术于数控加工操作技能培训的仿真软件。各种数控加工仿真教学系统如上海宇龙、北京斐克、南京宇航、广州超软、武汉金银花等不同的数控加工仿真软件，既能单机系统独立运行。又能实现在线运行。采取数控加工仿真教学方法能进一步提高操作者的实际操作技能。实践证明，用这种方式进行教学是非常经济有效的。

1．虚拟数控机床具有以下的功能和特点：(1)虚拟数控机床具有与真实机床完全相同的结构。虚拟数控机床能模仿真实机床的任何功能而不致因为采用某种近似替代而导致某种结构和信息的失真或丢失，并与真实机床有完全相同的界面风格和对应功能，如动态旋转、缩放、移动等功能的实时交互操作，从而为学员的学习和培训提供保证。(2)机床操作全过程仿真。仿真机床操作的整个过程：毛坯定义，工件装夹，压板安装，基准对刀，安装刀具，机床手动操作。(3)丰富多样的刀具库。系统采用数据库统一管理的刀具材料、特性参数库，含数百种不同材料、类型和形状的车刀、铣刀，同时还支持用户自定义刀具及相关特性参数。(4)全面的碰撞检测。手动、自动加工等模式下的实时碰撞检测，包括刀炳刀具与夹具、压板、刀具，机床行程越界，主轴不转时刀柄刀具与工件等的碰撞。出错时会有报警或提示，从而防止了误操作的发生。强大的测量功能。可实现基于刀具切削参数零件粗糙度的测量，能够对仿真软件上加工完成后的工件进行完全自动的、智能化的测量。(5)具有完善的图形和标准数据接口。用户既能在真实的环境中运行虚拟机床，又能观察它的各种运行参数，并能将其他CAD/CAM软件。(6)实用灵活的考试系统。可用于远程网络学习、作业、考试等功能，并实现答卷保存、自动评分、成绩查询和分析等功能，轻松实现无纸化的考核与测评。

2．数控加工仿真系统在教学应用中的意义，数控技术是一门实践性很强的课程，在以往的教学中，由于缺乏必要的设备支持，只能采取课堂教学来“纸上谈兵”单一的课堂教学，单向的信息流动很难让学生有系统，全面的认识。将此仿真软件应用到教学中，具有如下意义：(1)将传统的被动教学变学生参与的主功教学，培养学生的实际动手能力；(2)利用虚拟机床代替实际机床，可消除实际机床加工的危险因素；(3)在计算机上模拟加工过程代替试切，可不消耗材料，降低成本；(4)可有效解决设备不足的问题，使每个学生都可参与其中，极大提高学生的学习兴趣，取得更好的教学效果；(5)满足网络教学和远程培训的需要。

3．数控加工仿真系统特点。通过该软件可以使学生达到实物操作训练的目的，并且安全可靠。通过动态的仿真操作使教学过程易教易学、教学效果显著提高：(1)系统完全模拟真实数控机床的控制面板和屏幕显现，易教、易学，可轻松操作；(2)学生和培训学员可根据自己熟悉的机床任意选择机床设备进行操作；(3)在虚拟环境下对NC代码的切削状态进行检验，操作安全；(4)学生可看到各种机床真实的三维加工仿真过程，并能检查和测量加工后的工件，可以更迅速的掌握数控机床的实操过程；(5)采用虚拟机床替代真实机床进行教学与培训，在降低费用的同时获得更佳的教学和培训效果，使用更经济。其优点在于系统完全模拟真实CNC机床的控制面板和屏幕显现，可轻松操作。在虚拟环境下对NC代码的切削状态进行检验，操作安全。用户可看到真实的三维加工仿真过程，仔细检查加工后的工件，可以更迅速的掌握CNC机床的操作过程，过程逼真。

二、虚拟数控机床平台的构建

数控仿真系统的核心是虚拟数控机床，而虚拟数控机床又是虚拟制造技术中的一个重要的执行单元。数控仿真系统完全模拟真实零件的加工过程，可以检验各种数控指令是否正确，能提供与真实机床完全相同的操作面板，其调试、编辑、修改和跟踪执行等功能也一应俱全，数控加工仿真系统实际上是虚拟环境中数控机床的模型。虚拟数控机床一般是通过以下的构建平台来实现上述功能：

1．NC解释平台。NC解释平台包括NC解释器和NC验证器。任务分配数据库从任务调度中接受数控代码并将其翻译为虚拟机床的部件、刀具等运动的信息，并将其通过计算模块来模拟机床的响应，NC解释器能够被自由地配置从而能够模拟任何一种数控机床的CNC控制器。

2．NC验证器。能够验证NC代码的语法是否正确。

3．刀具库。刀具库应包括一台数控机床所需要的所有刀具。并能自由配置刀具库中的刀具号，从而能模拟任何一种数控机床的换刀形式及切削加工的要求。

4．仿真平台。仿真平台包括刀具轨迹仿真、切削力仿真，加工精度仿真、三维动画仿真、加工工时统计分析，仿真平台是虚拟数控机床的核心技术。操作者可以在虚拟的环境中进行机床运动和切削过程等的仿真，从中获得相关的加工数据。如进给轴的位移量、换刀状态、主轴转速、加速度、进给量、加工时间等。通过加工过程的仿真，了解所设计工件的可加工性，验证NC代码的正确性以及评价和优化加工过程，并通过在线修改NC代码来将其优化。

5．计算平台。计算平台用来完成虚拟数控机床中各种计算，如根据NC代码计算加工零件新的几何形状，根据刀具的材料、运行时间、零件的材料性质和润滑介质的性质计算刀具的补偿量和热补偿量。这些计算结果是虚拟数控机床在应用于虚拟制造过程中的加工方案评价以及可制造性分析所

必须的。

6．设计开发平台。虚拟数控机床的设计平台是一个面向对象的数控软件库及其开发环境。通过对数控软件的标准化、规范化研究和其它CAD／CAM软件的数据交换，并对典型的零件进行封装，设计成具有稳定、通用接口的可重复使用的软件。

7．操作运行平台和监控平台。在虚拟环境中完全实现真实机床的操作，让使用者完全感受到真实机床的运行特性。在这些基础上的监控硬件和软件，用来控制简易机床，增加虚拟数控机床的真实感，并且可以进行典型零件的实验性试切加工，让使用者有一种身临其尽的感觉。尤其是在数控教学和培训过程中，初学数控编程者需要大量的编程练习，并进行实际调试。用试切法来检验数控加工程序显然不合理，而且也难于实现。如果利用仿真技术，这些问题可以轻松得到解决，从而避免编程时人为出错或工艺不合理造成工件报废。

三、数控加工仿真系统在教学中的应用

虚拟数控机床强大的网络功能，可实现远程教育，不仅在局域网上具有双向互动的教学功能，还具有基于互联网进行双向互动的远程教学功能，使用数控加工仿真系统软件进行辅助教学，主要从以下几个方面进行探索与实践：

1．课堂教学中采用灵活教学手段，变学生被动学习为主动学习，恰当运用数控加工仿真系统，充分发挥其课堂教学中的作用。教师应十分重视数控加工仿真系统的在教学中的应用方法，摆正数控加工仿真系统在教学中的位置，既不能完全依赖数控加工仿真系统放弃教师在教学中的引导作用，也不能在教学中教师唱独角戏，采用常规的教学模式而忽视数控加工仿真系统的应用，应该科学地、充分地发挥数控加工仿真系统在教学中的作用。

2．科学安排教学内容，循序渐近，掌握数控编程与操作技巧，在教学过程中教学内容的安排可分模块化教学。(1)基础模块，主要讲解与训练最常用的FANUC数控系统中的数控车床、数控铣床、数控加工中心的编程方法、操作及应用，这一模块是教学重点，必须使学生熟练掌握，灵活应用；(2)提高模块。主要讲解与训练SIEMENS数控系统的三种机床的编程与操作，以帮助学生进一步加强在不同数控系统下对不同数控机床的编程方法的理解与应用能力；(3)拓展模块，如讲解国产数控系统中的华中数控系统和广州数控系统中的数控车床的编程与操作方法，扩大学生的知识面，提高学生对不同操作系统、不同操作面板的编程与操作能力，正确进行教学评价，提高学生的学习意识和自觉性。利用数控加工仿真系统的教学方法、教学手段来提高学生的学习兴趣显得尤为重要。

3．恰当运用数控加工仿真系统，充分发挥其课堂教学中的作用，数控加工仿真系统主要应用于数控编程与操作这一理论教学课程，还可作为数控操作技能训练的辅助工具。在操作方面，由于数控加工仿真系统采用了与数控机床操作系统相同的面板和按键功能，并且使用数控加工仿真系统在操作中即使出现人为的编程或操作失误也不会危及机床和人身安全，反而学生还可以从中吸取大量的经验和数训。将理论与实践有机地结合在一起边讲授边练习，使讲过的知识及时应用于实践中，不但可加深学生对理论知识的理解，而且在模拟操作的同时对数控机床的操作方法上也将具备相当水平的实践基础。

四、结语

将数控加工仿真软件引入教学之中，用于数控机床操作与编程训练，既可以避免因误操作造成价格昂贵的数控机床的损坏，又可以使操作人员在对仿真数控机床操作过程中产生临场感和真实感。而且能够让同学们更快地熟悉和了解数控加工的工作过程，并且掌握每种数控机床的基本操作。数控加工仿真软件在教学中的应用，有利于全面提高学生综合职业素质，激发学生独立思考和创新意识，培养学生勇于实践的能力，从教学效果看，数控仿真系统的引入，使学生在学习数控编程理论时，课堂的教学变得更加生动、更加具体，提高学生的学习兴趣，教学效果明显。由于仿真软件不存在安全问题，这使得学生可以大胆地、独立地进行学习和练习，并能自我检测加工零件几何形状的精度，这对学生机床操作能力的培养，起到了极大的作用。同时该系统还可以减轻老师的工作强度，减少工件材料和能源的消耗，节约了实践环节的成本。