數控論文

數控加工仿真系統原理及其在教學中的應用

　　摘 要：本文針對當今出現的數控加工仿真軟件、數控加工教學和培訓的要求、以及數控機床實訓環(huán)節(jié)易出事故、機床損耗嚴重、費用高等特點，論述了數控加工仿真系統的原理、作用、功能，以及在數控教學中，如何有效地使用數控加工仿真系統軟件，對學生、學員進行數控機床的基本操作培訓，以達到多、快、好、省的目的。
　　關鍵詞：數控機床 數控加工 虛擬現實 仿真系統
　　 0 引言
　　隨著我國高等職業(yè)教育的飛速發(fā)展，以及數控加工技術在機械制造業(yè)中的廣泛應用，大批數控機床操作人員的專業(yè)培訓成為迫切而又難以解決的問題。在傳統的操作培訓中，數控機床編程與操作的有效培訓必須在真實的機床上進行�？墒请S著學生人數的不斷增加，有限的機床數量難以保證每位學生有足夠的上機操作時間，同時學生在真實機床上操作還具有一定的危險和不安全性，培訓中的誤操作經常會導致設備、刀具等的損壞，甚至引發(fā)人身傷害事故，增加了培訓成本。因此，傳統的機床操作培訓方法效率低、教師工作量大、培訓費用高，需要用更新的方法來取代。
　　 1 虛擬現實技術
　　虛擬現實，英文名為Virtual Reality，簡稱VR技術。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，也稱靈境技術或人工環(huán)境。作為一項尖端科技，虛擬現實集成了計算機圖形技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術的最新發(fā)展成果，是一種由計算機生成的高技術模擬系統，它最早源于美國軍方的作戰(zhàn)模擬系統，九十年代初逐漸為各界所關注并且在商業(yè)領域得到了進一步的發(fā)展。這種技術的特點在于通過計算機產生一種人為虛擬的環(huán)境，這種虛擬的環(huán)境是由計算機圖形構成的三維數字模型，并編制到計算機中去生成一個以視覺感受為主，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生一種沉浸于這個環(huán)境的感覺，可以直接觀察、操作、觸摸、檢測周圍環(huán)境及事物的內在變化，并能與之發(fā)生“交互”作用，使人和計算機很好地“融為一體”，給人一種“身臨其境”的感覺。
　　虛擬現實是發(fā)展到一定水平上的計算機技術與思維科學相結合的產物，它的出現為人類認識世界開辟了一條新途徑。虛擬現實的最大特點是：用戶可以用自然方式與虛擬環(huán)境進行交互操作，改變了過去人類除了親身經歷，就只能間接了解環(huán)境的模式，從而有效的擴展了自己的認知手段和領域。另外，虛擬現實不僅僅是一個演示媒體，而且還是一個設計工具，它以視覺形式產生一個適人化的多維信息空間，為我們創(chuàng)建和體驗虛擬世界提供了有利的支持。由于虛擬現實技術的實時三維空間表現能力、人機交互式的操作環(huán)境以及給人帶來的身臨其境的感受，它在軍事和航天領域的模擬和訓練中起到了舉足輕重的作用。近年來，隨著計算機硬件軟件技術的發(fā)展以及人們越來越認識到它的重要作用，虛擬技術在各行各業(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用前景。
　　虛擬現實技術在改造傳統產業(yè)上的價值體現于：用于產品設計與制造，可以降低成本，避免新產品開發(fā)的風險；用于產品演示，可借多媒體效果吸引客戶、爭取訂單；用于培訓，可用“虛擬設備”來增加員工的操作熟練程度。虛擬現實技術將使眾多傳統行業(yè)和產業(yè)發(fā)生革命性的改變。
　　 2 數控加工仿真系統
　　隨著虛擬現實技術及計算機技術的發(fā)展，出現了可以模擬實際機床加工環(huán)境及其工作狀態(tài)的計算機仿真加工系統，它是一個應用虛擬現實技術于數控加工操作技能培訓的仿真軟件。利用計算機仿真培訓系統進行學習和培訓，不僅可以迅速提高被培訓人員的理論、操作水平，而且非常安全，可靠好，培訓費用低。
　　目前在國內已經有一些高等院校將計算機仿真運用于數控操作人才培訓的教學之中，也出現了各種數控加工仿真教學系統，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控加工仿真軟件。上述這些教學系統既能單機系統獨立運行，又能實現在線運行。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通過三維動畫演示。實踐證明，用這種方式進行初步培訓是非常經濟有效的。在線運行即機床工作方式，在這種方式下，教學系統將與實際機床連接，由硬件實現零件切削過程，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。即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，操作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，采取這種方法能進一步提高操作者的實際操作技能。
　　數控仿真系統的核心是虛擬數控機床，而虛擬數控機床又是虛擬制造技術中的一個重要的執(zhí)行單元。它不僅在數控加工過程中為產品設計提供了可制造性的分析，而且在數控系統的學習和培訓中，為被培訓人員提供了完善的學習方法和學習環(huán)境。數控仿真系統完全模擬真實零件的加工過程，可以檢驗各種數控指令是否正確，能提供與真實機床完全相同的操作面板，其調試、編輯、修改和跟蹤執(zhí)行等功能也一應俱全。
　　 3 虛擬數控機床平臺的構建
　　虛擬數控機床一般是通過以下的構建平臺來實現上述功能：
　　（1）NC解釋平臺。NC解釋平臺包括NC解釋器和NC驗證器。任務分配數據庫從任務調度中接受數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控機床的CNC控制器。
　�。�2）NC驗證器。能夠驗證NC代碼的語法是否正確。
　�。�3）刀具庫。刀具庫應包括一臺數控機床所需要的所有刀具，并能自由配置刀具庫中的刀具號，從而能模擬任何一種數控機床的換刀形式及切削加工的要求。
　�。�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、加工工時統計分析，仿真平臺是虛擬數控機床的核心技術。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據。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代碼來將其優(yōu)化。
　　（5）計算平臺。計算平臺用來完成虛擬數控機床中各種計算，如根據NC代碼計算加工零件新的幾何形狀，根據刀具的材料、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。虛擬數控機床的設計平臺是一個面向對象的數控軟件庫及其開發(fā)環(huán)境。通過對數控軟件的標準化、規(guī)范化研究和其它CAD／CAM軟件的數據交換，并對典型的零件進行封裝，設計成具有穩(wěn)定、通用接口的可重復使用的軟件。
　�。�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。尤其是在數控教學和培訓過程中，初學數控編程者需要大量的編程練習，并進行實際調試。用試切法來檢驗數控加工程序顯然不合理，而且也難于實現。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 數控仿真系統功能及在教學中的應用
　　虛擬數控機床實際上是虛擬環(huán)境中數控機床的模型。與真實機床相比，虛擬數控機床具有以下的功能和特點：
　　虛擬數控機床具有與真實機床完全相同的結構。虛擬數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，并與真實機床有完全相同的界面風格和對應功能，如動態(tài)旋轉、縮放、移動等功能的實時交互操作，從而為學員的學習和培訓提供保證。
　　機床操作全過程仿真。仿真機床操作的整個過程：毛坯定義，工件裝夾，壓板安裝，基準對刀，安裝刀具，機床手動操作。
　　豐富多樣的刀具庫。系統采用數據庫統一管理的刀具材料、特性參數庫，含數百種不同材料、類型和形狀的車刀、銑刀，同時還支持用戶自定義刀具及相關特性參數。
　　全面的碰撞檢測。手動、自動加工等模式下的實時碰撞檢測，包括刀炳刀具與夾具、壓板、刀具，機床行程越界，主軸不轉時刀柄刀具與工件等的碰撞。出錯時會有報警或提示，從而防止了誤操作的發(fā)生。
　　強大的測量功能�？蓪崿F基于刀具切削參數零件粗糙度的測量，能夠對仿真軟件上加工完成后的工件進行完全自動的、智能化的測量。
　　具有完善的圖形和標準數據接口。用戶既能在真實的環(huán)境中運行虛擬機床，又能觀察它的各種運行參數，并能將其他CAD／CAM軟件，如UG、Pro/E、Mastercam等產生的三維設計后置處理的NC程序，直接調入加工。
　　實用靈活的考試系統�？捎糜谶h程網絡學習、作業(yè)、考試等功能，并實現答卷保存、自動評分、成績查詢和分析等功能，輕松實現無紙化的考核與測評。
　　虛擬數控機床強大的網絡功能，可實現遠程教育。不僅在局域網上具有雙向互動的教學功能，還具有基于互聯網進行雙向互動的遠程教學功能，數據傳送可以采用衛(wèi)星、寬帶（ADSL,ISDN,有線CABLE等）或窄帶互聯網（56K Modem）等方式進行。這使得遠程教學成為名副其實，它代表未來教育的發(fā)展方向。
　　 4 結束語
　　鑒于虛擬數控機床具備如此出眾的功能，針對目前各院校數控教學課程和參加數控實習學生人數不斷增加的現實，以及數控機床精密、昂貴的特點，把數控加工仿真系統軟件引入到教學之中，使之用于數控機床編程與操作培訓，無疑是個明智之舉。這樣既可以避免因誤操作造成價格昂貴的數控機床的損壞，又可以使操作人員在對仿真數控機床操作過程中產生現場感和真實感。同時由于其成本較低，可以大量地配置終端，徹底解決了數控機床數量不足的難題，使每位學員都能有足夠多的實踐機會，因此能夠讓學生更快地熟悉和了解數控加工的工作過程，掌握各種數控機床的操作方法。其更大的好處還在于，在實現了同樣培訓效果的情況下，將加工出錯率及事故發(fā)生率降低到了最低程度。
　　從我院使用后的效果看，數控仿真系統的引入，使學生在學習數控編程理論時，課堂的教學變得更加生動、更加具體，提高學生的學習興趣，教學效果明顯得到提高。在學習實際操作時，由于仿真軟件不存在安全問題，這使得學生可以大膽地、獨立地進行學習和練習，并能自我檢測加工零件幾何形狀的精度，對學生機床操作能力的培養(yǎng)，起到了極大的提高、加強作用。同時該系統還可以減輕老師的工作強度，減少工件材料和能源的消耗，節(jié)約了實踐環(huán)節(jié)的培訓成本，效果十分顯著。相信不久的將來，它必將成為數控教學中一種不可或缺的重要手段。

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