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數(shù)控機(jī)床教學(xué)論文
數(shù)控機(jī)床仿真在數(shù)控教學(xué)中的引用
摘 要：本文結(jié)合當(dāng)今數(shù)控機(jī)床仿真軟件的出現(xiàn)和我單位數(shù)控加工教學(xué)和培訓(xùn)的職能，及數(shù)控機(jī)床操作培訓(xùn)事故率多、對(duì)機(jī)床損壞大等特點(diǎn)論述對(duì)于初次接觸數(shù)控機(jī)床的學(xué)生和學(xué)員結(jié)合數(shù)控機(jī)床仿真軟件來(lái)進(jìn)行基本操作培訓(xùn)。
關(guān)鍵詞：虛擬數(shù)控機(jī)床 數(shù)控教學(xué)與培訓(xùn) 虛擬現(xiàn)實(shí) 仿真
0 引言
隨著數(shù)控加工在機(jī)械制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，數(shù)控操作者的大量培訓(xùn)便成為迫切的問(wèn)題。在傳統(tǒng)的操作培訓(xùn)中，數(shù)控編程和操作的有效培訓(xùn)必須在實(shí)際機(jī)床上進(jìn)行，這既占用了設(shè)備加工時(shí)間，又具有風(fēng)險(xiǎn)，培訓(xùn)中的誤操作經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致昂貴設(shè)備的損壞。
隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，尤其是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和理念的發(fā)展，產(chǎn)生了可以模擬實(shí)際設(shè)備加工環(huán)境及其工作狀態(tài)的計(jì)算機(jī)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。它用計(jì)算機(jī)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行培訓(xùn)，不僅可迅速提高操作者的素質(zhì)，而且安全可靠、費(fèi)用低。
與科學(xué)幻想相似，想象力和技術(shù)的相互結(jié)合造就了虛擬現(xiàn)實(shí)。培根在13世紀(jì)寫(xiě)的沒(méi)有馬的轎車(chē)和配備動(dòng)力的機(jī)械的科幻故事就是這類(lèi)結(jié)合的早期見(jiàn)證，凡爾納在19世紀(jì)寫(xiě)了火箭和潛水艇的預(yù)言性科幻小說(shuō)，特別是一些科幻作家們已做出的各種利用虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念的設(shè)想正在逐步變成了具體化。上世紀(jì)內(nèi)所建樹(shù)的幾個(gè)技術(shù)性里程碑使得虛擬現(xiàn)實(shí)成為可能，電話、無(wú)線電、電視、半導(dǎo)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(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展。一些早期的仿真嘗試(例如第一臺(tái)飛行模擬器、立體電影、電視游戲等)都已成為當(dāng)今虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的先驅(qū)。當(dāng)然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展歷程與電子學(xué)以及計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展是分不開(kāi)的。
目前在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有少數(shù)高等院校將計(jì)算機(jī)仿真初步運(yùn)用于數(shù)控操作人才培訓(xùn)的教學(xué)之中，也產(chǎn)生了各種仿真教學(xué)系統(tǒng)。這些教學(xué)系統(tǒng)既能單機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，又能在線運(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(guò)程由機(jī)床模型三維動(dòng)畫(huà)演示，用這種方式進(jìn)行初步培訓(xùn)是經(jīng)濟(jì)有效的；在線運(yùn)行即機(jī)床工作方式，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(guò)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，簡(jiǎn)單來(lái)講就是利用計(jì)算機(jī)和其他的專(zhuān)用硬件軟件去產(chǎn)生一種真實(shí)場(chǎng)景的仿真，參與者可以通過(guò)與仿真場(chǎng)景的交互來(lái)體驗(yàn)一種接近于真實(shí)的場(chǎng)景的感覺(jué)。因此能進(jìn)一步培訓(xùn)操作者的實(shí)際工作技能。
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)執(zhí)行單元，它不僅在數(shù)控加工過(guò)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，為各類(lèi)學(xué)校和企業(yè)技術(shù)人員提供了完善的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)。該類(lèi)系統(tǒng)完全模擬零件的切削過(guò)程，能檢驗(yàn)數(shù)控指令正確與否，提供一套功能齊全的調(diào)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(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)床應(yīng)具有以下功能：
•虛擬數(shù)控機(jī)床應(yīng)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．并應(yīng)與真實(shí)機(jī)床有完全相同的界面風(fēng)格，為技術(shù)人員的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)提供保證。
•虛擬數(shù)控機(jī)床強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，為遠(yuǎn)程教育提供可能。
•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，又能觀察它的各種遠(yuǎn)行參數(shù)，并能與其他CAD／CAM軟件接口。
3 平臺(tái)的購(gòu)建
虛擬數(shù)控機(jī)床是如何實(shí)現(xiàn)這些功能的呢？它一般是通過(guò)以下的構(gòu)建平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
①Nc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(kù)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(guò)計(jì)算模塊來(lái)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。
②NC驗(yàn)證器，能夠驗(yàn)證NC代碼的語(yǔ)法正確性。
③刀具庫(kù) 刀具庫(kù)應(yīng)包括一臺(tái)數(shù)控機(jī)床所需的刀具，并能自由配置刀具庫(kù)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。
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(huà)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(guò)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(guò)加工過(guò)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(guò)程，并通過(guò)在線修改NC代碼來(lái)優(yōu)化NC代碼。
⑤計(jì)算平臺(tái) 計(jì)算平臺(tái)用來(lái)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(rùn)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(guò)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(kāi)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(kù)及其開(kāi)發(fā)環(huán)境。通過(guò)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(lái)控制簡(jiǎn)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(jué)。尤其是在數(shù)控教學(xué)和培訓(xùn)過(guò)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(lái)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(wèn)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 總結(jié)
鑒于虛擬數(shù)控機(jī)床具備的功能，針對(duì)目前我單位數(shù)控教學(xué)課程和參加數(shù)控實(shí)習(xí)學(xué)生人數(shù)的增多，及數(shù)控設(shè)備較為精密、昂貴的特點(diǎn)。把數(shù)控加工仿真軟件引入教學(xué)之中，用于數(shù)控機(jī)床操作與編程培訓(xùn)，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(guò)程中產(chǎn)生臨場(chǎng)感和真實(shí)感。而且能夠讓同學(xué)們更快地熟悉和了解數(shù)控加工的工作過(guò)程，并且掌握每種數(shù)控機(jī)床的基本操作。更大的好處是在實(shí)現(xiàn)了同樣效果的情況下將加工出錯(cuò)及事故發(fā)生率降低到了最小程度。
我單位目前的硬件設(shè)施基本具備，包括微機(jī)房、局域網(wǎng)和各類(lèi)數(shù)控機(jī)床等。不久的將來(lái)在校園網(wǎng)接通之后，這種教學(xué)方式確實(shí)很有可能成為現(xiàn)實(shí)。尤其是在北航工程訓(xùn)練中心開(kāi)設(shè)遠(yuǎn)程教育課程之后，相信這種教學(xué)方式必將成為一種必要的教學(xué)手段。
參 考 文 獻(xiàn)：
1．曾小惠，吳明華，潘鐵虹．在線數(shù)控加工仿真教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，1998
2．余勤科，岳應(yīng)娟，劉宏．虛擬數(shù)控機(jī)床技術(shù)及其應(yīng)用，2000
3．王曉楠，王仲海．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用，2002
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