數(shù)控機床教學論文

數(shù)控機床仿真在數(shù)控教學中的引用

　　摘 要：本文結合當今數(shù)控機床仿真軟件的出現(xiàn)和我單位數(shù)控加工教學和培訓的職能，及數(shù)控機床操作培訓事故率多、對機床損壞大等特點論述對于初次接觸數(shù)控機床的學生和學員結合數(shù)控機床仿真軟件來進行基本操作培訓。
　　
　　關鍵詞：虛擬數(shù)控機床 數(shù)控教學與培訓 虛擬現(xiàn)實 仿真
　　
　　 0 引言
　　
　　隨著數(shù)控加工在機械制造業(yè)中的廣泛應用，數(shù)控操作者的大量培訓便成為迫切的問題。在傳統(tǒng)的操作培訓中，數(shù)控編程和操作的有效培訓必須在實際機床上進行，這既占用了設備加工時間，又具有風險，培訓中的誤操作經常會導致昂貴設備的損壞。
　　
　　隨著計算技術的發(fā)展，尤其是虛擬現(xiàn)實技術和理念的發(fā)展，產生了可以模擬實際設備加工環(huán)境及其工作狀態(tài)的計算機仿真培訓系統(tǒng)。它用計算機仿真培訓系統(tǒng)進行培訓，不僅可迅速提高操作者的素質，而且安全可靠、費用低。
　　
　　與科學幻想相似，想象力和技術的相互結合造就了虛擬現(xiàn)實。培根在13世紀寫的沒有馬的轎車和配備動力的機械的科幻故事就是這類結合的早期見證，凡爾納在19世紀寫了火箭和潛水艇的預言性科幻小說，特別是一些科幻作家們已做出的各種利用虛擬現(xiàn)實的基本概念的設想正在逐步變成了具體化。上世紀內所建樹的幾個技術性里程碑使得虛擬現(xiàn)實成為可能，電話、無線電、電視、半導體三極管和集成電路(微處理器芯片)和液晶顯示器。尤其是計算機技術的飛速發(fā)展。一些早期的仿真嘗試(例如第一臺飛行模擬器、立體電影、電視游戲等)都已成為當今虛擬現(xiàn)實仿真的先驅。當然虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展歷程與電子學以及計算機產業(yè)的蓬勃發(fā)展是分不開的。
　　
　　目前在國內已經有少數(shù)高等院校將計算機仿真初步運用于數(shù)控操作人才培訓的教學之中，也產生了各種仿真教學系統(tǒng)。這些教學系統(tǒng)既能單機系統(tǒng)獨立運行，又能在線運行。獨立運行即機床模型方式，其培訓設施只需一臺微機，數(shù)控機床的模擬操作在顯示屏顯示的仿真面板上進行，而零件切削過程由機床模型三維動畫演示，用這種方式進行初步培訓是經濟有效的；在線運行即機床工作方式，這種方式下教學系統(tǒng)將與實際機床連接，由硬件實現(xiàn)零件切削過程，這時除了操作者是用仿真面板操作外，其它則與實際機床的真實情況一樣，簡單來講就是利用計算機和其他的專用硬件軟件去產生一種真實場景的仿真，參與者可以通過與仿真場景的交互來體驗一種接近于真實的場景的感覺。因此能進一步培訓操作者的實際工作技能。
　　
　　數(shù)控仿真系統(tǒng)的核心是虛擬數(shù)控機床，而虛擬數(shù)控機床又是虛擬制造技術中的一個執(zhí)行單元，它不僅在數(shù)控加工過程中為產品設計提供了可制造性的分析，而且在數(shù)控系統(tǒng)的學習和培訓中，為各類學校和企業(yè)技術人員提供了完善的學習和培訓。該類系統(tǒng)完全模擬零件的切削過程，能檢驗數(shù)控指令正確與否，提供一套功能齊全的調試、編輯、修改和跟蹤執(zhí)行等功能。
　　
　　 1 虛擬數(shù)控系統(tǒng)功能
　　
　　虛擬數(shù)控機床實際上是虛擬環(huán)境中數(shù)控機床的模型。與真實機床相比，虛擬數(shù)控機床應具有以下功能：
　　
　　 •虛擬數(shù)控機床應具有與真實機床完全相同的結構。虛擬數(shù)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．并應與真實機床有完全相同的界面風格，為技術人員的學習和培訓提供保證。
　　
　　 •虛擬數(shù)控機床強大的網(wǎng)絡功能，為遠程教育提供可能。
　　
　　 •完善的圖形和標準數(shù)據(jù)接口。用戶既能在真實的環(huán)境中運行虛擬機床，又能觀察它的各種遠行參數(shù)，并能與其他CAD／CAM軟件接口。
　　
　　 3 平臺的購建
　　
　　虛擬數(shù)控機床是如何實現(xiàn)這些功能的呢？它一般是通過以下的構建平臺來實現(xiàn)。
　　
　　 ①Nc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(shù)據(jù)庫從任務調度中接受數(shù)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(shù)控機床的CNC控制器。
　　
　　 ②NC驗證器，能夠驗證NC代碼的語法正確性。
　　
　　 ③刀具庫 刀具庫應包括一臺數(shù)控機床所需的刀具，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)控機床的換刀形式。
　　
　　 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(shù)據(jù)。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代碼來優(yōu)化NC代碼。
　　
　　 ⑤計算平臺 計算平臺用來完成虛擬數(shù)控機床中各種計算，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(shù)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(shù)控機床的設計平臺是一個面向對象的數(shù)控軟件庫及其開發(fā)環(huán)境。通過對數(shù)控軟件的標準化、規(guī)范化研究和其它CAD／CAM軟件的數(shù)據(jù)交換，并對典型的零件進行封裝，設計成具有穩(wěn)定、通用接口的可重用的軟件。
　　
　　 ⑦操作運行平臺和監(jiān)控平臺 在虛擬環(huán)境中完全實現(xiàn)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(shù)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(shù)控教學和培訓過程中，初學數(shù)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(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，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。
　　
　　 4 總結
　　鑒于虛擬數(shù)控機床具備的功能，針對目前我單位數(shù)控教學課程和參加數(shù)控實習學生人數(shù)的增多，及數(shù)控設備較為精密、昂貴的特點。把數(shù)控加工仿真軟件引入教學之中，用于數(shù)控機床操作與編程培訓，這樣既可以避免因誤操作造成價格昂貴的數(shù)控機床的損壞，又可以使操作人員在對仿真數(shù)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(shù)控加工的工作過程，并且掌握每種數(shù)控機床的基本操作。更大的好處是在實現(xiàn)了同樣效果的情況下將加工出錯及事故發(fā)生率降低到了最小程度。
　　我單位目前的硬件設施基本具備，包括微機房、局域網(wǎng)和各類數(shù)控機床等。不久的將來在校園網(wǎng)接通之后，這種教學方式確實很有可能成為現(xiàn)實。尤其是在北航工程訓練中心開設遠程教育課程之后，相信這種教學方式必將成為一種必要的教學手段。
　　
　　參 考 文 獻：
　　 1．曾小惠，吳明華，潘鐵虹．在線數(shù)控加工仿真教學系統(tǒng)的實現(xiàn)，1998
　　 2．余勤科，岳應娟，劉宏．虛擬數(shù)控機床技術及其應用，2000
　　 3．王曉楠，王仲海．虛擬現(xiàn)實技術及其應用，2002

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