數(shù)控論文
數(shù)控加工仿真系統(tǒng)原理及其在教學(xué)中的應(yīng)用
摘 要：本文針對(duì)當(dāng)今出現(xiàn)的數(shù)控加工仿真軟件、數(shù)控加工教學(xué)和培訓(xùn)的要求、以及數(shù)控機(jī)床實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)易出事故、機(jī)床損耗嚴(yán)重、費(fèi)用高等特點(diǎn)，論述了數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的原理、作用、功能，以及在數(shù)控教學(xué)中，如何有效地使用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)軟件，對(duì)學(xué)生、學(xué)員進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的基本操作培訓(xùn)，以達(dá)到多、快、好、省的目的。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床 數(shù)控加工 虛擬現(xiàn)實(shí) 仿真系統(tǒng)
0 引言
隨著我國高等職業(yè)教育的飛速發(fā)展，以及數(shù)控加工技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，大批數(shù)控機(jī)床操作人員的專業(yè)培訓(xùn)成為迫切而又難以解決的問題。在傳統(tǒng)的操作培訓(xùn)中，數(shù)控機(jī)床編程與操作的有效培訓(xùn)必須在真實(shí)的機(jī)床上進(jìn)行。可是隨著學(xué)生人數(shù)的不斷增加，有限的機(jī)床數(shù)量難以保證每位學(xué)生有足夠的上機(jī)操作時(shí)間，同時(shí)學(xué)生在真實(shí)機(jī)床上操作還具有一定的危險(xiǎn)和不安全性，培訓(xùn)中的誤操作經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致設(shè)備、刀具等的損壞，甚至引發(fā)人身傷害事故，增加了培訓(xùn)成本。因此，傳統(tǒng)的機(jī)床操作培訓(xùn)方法效率低、教師工作量大、培訓(xùn)費(fèi)用高，需要用更新的方法來取代。
1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)，英文名為Virtual Reality，簡稱VR技術(shù)。這一名詞是由美國VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾（Jaron Lanier）在80年代初提出的，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。作為一項(xiàng)尖端科技，虛擬現(xiàn)實(shí)集成了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，是一種由計(jì)算機(jī)生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)，它最早源于美國軍方的作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)，九十年代初逐漸為各界所關(guān)注并且在商業(yè)領(lǐng)域得到了進(jìn)一步的發(fā)展。這種技術(shù)的特點(diǎn)在于通過計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境，這種虛擬的環(huán)境是由計(jì)算機(jī)圖形構(gòu)成的三維數(shù)字模型，并編制到計(jì)算機(jī)中去生成一個(gè)以視覺感受為主，也包括聽覺、觸覺的綜合可感知的人工環(huán)境，從而使得在視覺上產(chǎn)生一種沉浸于這個(gè)環(huán)境的感覺，可以直接觀察、操作、觸摸、檢測周圍環(huán)境及事物的內(nèi)在變化，并能與之發(fā)生“交互”作用，使人和計(jì)算機(jī)很好地“融為一體”，給人一種“身臨其境”的感覺。
虛擬現(xiàn)實(shí)是發(fā)展到一定水平上的計(jì)算機(jī)技術(shù)與思維科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)為人類認(rèn)識(shí)世界開辟了一條新途徑。虛擬現(xiàn)實(shí)的最大特點(diǎn)是：用戶可以用自然方式與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互操作，改變了過去人類除了親身經(jīng)歷，就只能間接了解環(huán)境的模式，從而有效的擴(kuò)展了自己的認(rèn)知手段和領(lǐng)域。另外，虛擬現(xiàn)實(shí)不僅僅是一個(gè)演示媒體，而且還是一個(gè)設(shè)計(jì)工具，它以視覺形式產(chǎn)生一個(gè)適人化的多維信息空間，為我們創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界提供了有利的支持。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)時(shí)三維空間表現(xiàn)能力、人機(jī)交互式的操作環(huán)境以及給人帶來的身臨其境的感受，它在軍事和航天領(lǐng)域的模擬和訓(xùn)練中起到了舉足輕重的作用。近年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件軟件技術(shù)的發(fā)展以及人們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到它的重要作用，虛擬技術(shù)在各行各業(yè)都得到了不同程度的發(fā)展，并且越來越顯示出廣闊的應(yīng)用前景。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)上的價(jià)值體現(xiàn)于：用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造，可以降低成本，避免新產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)；用于產(chǎn)品演示，可借多媒體效果吸引客戶、爭取訂單；用于培訓(xùn)，可用“虛擬設(shè)備”來增加員工的操作熟練程度。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將使眾多傳統(tǒng)行業(yè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)生革命性的改變。
2 數(shù)控加工仿真系統(tǒng)
隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了可以模擬實(shí)際機(jī)床加工環(huán)境及其工作狀態(tài)的計(jì)算機(jī)仿真加工系統(tǒng)，它是一個(gè)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)于數(shù)控加工操作技能培訓(xùn)的仿真軟件。利用計(jì)算機(jī)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，不僅可以迅速提高被培訓(xùn)人員的理論、操作水平，而且非常安全，可靠好，培訓(xùn)費(fèi)用低。
目前在國內(nèi)已經(jīng)有一些高等院校將計(jì)算機(jī)仿真運(yùn)用于數(shù)控操作人才培訓(xùn)的教學(xué)之中，也出現(xiàn)了各種數(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。上述這些教學(xué)系統(tǒng)既能單機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，又能實(shí)現(xiàn)在線運(yùn)行。獨(dú)立運(yùn)行即機(jī)床模型方式，其培訓(xùn)設(shè)施只需一臺(tái)微機(jī)，數(shù)控機(jī)床的模擬操作在顯示屏顯示的仿真面板上進(jìn)行，而零件切削過程由機(jī)床模型通過三維動(dòng)畫演示。實(shí)踐證明，用這種方式進(jìn)行初步培訓(xùn)是非常經(jīng)濟(jì)有效的。在線運(yùn)行即機(jī)床工作方式，在這種方式下，教學(xué)系統(tǒng)將與實(shí)際機(jī)床連接，由硬件實(shí)現(xiàn)零件切削過程，這時(shí)除了操作者是用仿真面板操作外，其它則與實(shí)際機(jī)床的真實(shí)情況一樣。即利用計(jì)算機(jī)和其他的專用硬件、軟件去產(chǎn)生一種真實(shí)場景的仿真，操作者可以通過與仿真場景的交互，來體驗(yàn)一種接近于真實(shí)的場景的感覺。因此，采取這種方法能進(jìn)一步提高操作者的實(shí)際操作技能。
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(gè)重要的執(zhí)行單元。它不僅在數(shù)控加工過程中為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了可制造性的分析，而且在數(shù)控系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)中，為被培訓(xùn)人員提供了完善的學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)環(huán)境。數(shù)控仿真系統(tǒng)完全模擬真實(shí)零件的加工過程，可以檢驗(yàn)各種數(shù)控指令是否正確，能提供與真實(shí)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。
3 虛擬數(shù)控機(jī)床平臺(tái)的構(gòu)建
虛擬數(shù)控機(jī)床一般是通過以下的構(gòu)建平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)上述功能：
（1）NC解釋平臺(tái)。NC解釋平臺(tái)包括NC解釋器和NC驗(yàn)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(dòng)的信息，并將其通過計(jì)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(yàn)證器。能夠驗(yàn)證NC代碼的語法是否正確。
�。�3）刀具庫。刀具庫應(yīng)包括一臺(tái)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(hào)，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(tái)。仿真平臺(tái)包括刀具軌跡仿真、切削力仿真，加工精度仿真、三維動(dòng)畫仿真、加工工時(shí)統(tǒng)計(jì)分析，仿真平臺(tái)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(dòng)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(shí)間等。通過加工過程的仿真，了解所設(shè)計(jì)工件的可加工性，驗(yàn)證NC代碼的正確性以及評(píng)價(jià)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(jì)算平臺(tái)。計(jì)算平臺(tái)用來完成虛擬數(shù)控機(jī)床中各種計(jì)算，如根據(jù)NC代碼計(jì)算加工零件新的幾何形狀，根據(jù)刀具的材料、運(yùn)行時(shí)間、零件的材料性質(zhì)和潤滑介質(zhì)的性質(zhì)計(jì)算刀具的補(bǔ)償量和熱補(bǔ)償量。這些計(jì)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(píng)價(jià)以及可制造性分析所必須的。
�。�6）設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)。虛擬數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)平臺(tái)是一個(gè)面向?qū)ο蟮臄?shù)控軟件庫及其開發(fā)環(huán)境。通過對(duì)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(duì)典型的零件進(jìn)行封裝，設(shè)計(jì)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(tái)和監(jiān)控平臺(tái)。在虛擬環(huán)境中完全實(shí)現(xiàn)真實(shí)機(jī)床的操作，讓使用者完全感受到真實(shí)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(shí)感．并且可以進(jìn)行典型零件的實(shí)驗(yàn)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(shí)際調(diào)試。用試切法來檢驗(yàn)數(shù)控加工程序顯然不合理，而且也難于實(shí)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(shí)人為出錯(cuò)或工藝不合理造成工件報(bào)廢。
4 數(shù)控仿真系統(tǒng)功能及在教學(xué)中的應(yīng)用
虛擬數(shù)控機(jī)床實(shí)際上是虛擬環(huán)境中數(shù)控機(jī)床的模型。與真實(shí)機(jī)床相比，虛擬數(shù)控機(jī)床具有以下的功能和特點(diǎn)：
虛擬數(shù)控機(jī)床具有與真實(shí)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(shí)機(jī)床的任何功能而不致因?yàn)椴捎媚撤N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(shí)機(jī)床有完全相同的界面風(fēng)格和對(duì)應(yīng)功能，如動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)、縮放、移動(dòng)等功能的實(shí)時(shí)交互操作，從而為學(xué)員的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)提供保證。
機(jī)床操作全過程仿真。仿真機(jī)床操作的整個(gè)過程：毛坯定義，工件裝夾，壓板安裝，基準(zhǔn)對(duì)刀，安裝刀具，機(jī)床手動(dòng)操作。
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(shí)還支持用戶自定義刀具及相關(guān)特性參數(shù)。
全面的碰撞檢測。手動(dòng)、自動(dòng)加工等模式下的實(shí)時(shí)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(shí)刀柄刀具與工件等的碰撞。出錯(cuò)時(shí)會(huì)有報(bào)警或提示，從而防止了誤操作的發(fā)生。
強(qiáng)大的測量功能�？蓪�(shí)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(dòng)的、智能化的測量。
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(shí)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，如UG、Pro/E、Mastercam等產(chǎn)生的三維設(shè)計(jì)后置處理的NC程序，直接調(diào)入加工。
實(shí)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(shí)現(xiàn)答卷保存、自動(dòng)評(píng)分、成績查詢和分析等功能，輕松實(shí)現(xiàn)無紙化的考核與測評(píng)。
虛擬數(shù)控機(jī)床強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教育。不僅在局域網(wǎng)上具有雙向互動(dòng)的教學(xué)功能，還具有基于互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行雙向互動(dòng)的遠(yuǎn)程教學(xué)功能，數(shù)據(jù)傳送可以采用衛(wèi)星、寬帶（ADSL,ISDN,有線CABLE等）或窄帶互聯(lián)網(wǎng)（56K Modem）等方式進(jìn)行。這使得遠(yuǎn)程教學(xué)成為名副其實(shí)，它代表未來教育的發(fā)展方向。
4 結(jié)束語
鑒于虛擬數(shù)控機(jī)床具備如此出眾的功能，針對(duì)目前各院校數(shù)控教學(xué)課程和參加數(shù)控實(shí)習(xí)學(xué)生人數(shù)不斷增加的現(xiàn)實(shí)，以及數(shù)控機(jī)床精密、昂貴的特點(diǎn)，把數(shù)控加工仿真系統(tǒng)軟件引入到教學(xué)之中，使之用于數(shù)控機(jī)床編程與操作培訓(xùn)，無疑是個(gè)明智之舉。這樣既可以避免因誤操作造成價(jià)格昂貴的數(shù)控機(jī)床的損壞，又可以使操作人員在對(duì)仿真數(shù)控機(jī)床操作過程中產(chǎn)生現(xiàn)場感和真實(shí)感。同時(shí)由于其成本較低，可以大量地配置終端，徹底解決了數(shù)控機(jī)床數(shù)量不足的難題，使每位學(xué)員都能有足夠多的實(shí)踐機(jī)會(huì)，因此能夠讓學(xué)生更快地熟悉和了解數(shù)控加工的工作過程，掌握各種數(shù)控機(jī)床的操作方法。其更大的好處還在于，在實(shí)現(xiàn)了同樣培訓(xùn)效果的情況下，將加工出錯(cuò)率及事故發(fā)生率降低到了最低程度。
從我院使用后的效果看，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(shí)，課堂的教學(xué)變得更加生動(dòng)、更加具體，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果明顯得到提高。在學(xué)習(xí)實(shí)際操作時(shí)，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，對(duì)學(xué)生機(jī)床操作能力的培養(yǎng)，起到了極大的提高、加強(qiáng)作用。同時(shí)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(shí)踐環(huán)節(jié)的培訓(xùn)成本，效果十分顯著。相信不久的將來，它必將成為數(shù)控教學(xué)中一種不可或缺的重要手段。
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