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數(shù)控加工仿真系統(tǒng)原理及其在教學(xué)中的應(yīng)用
鄭州輕工業(yè)學(xué)院輕工職業(yè)學(xué)院 李宏兵 隋麗慧
摘 要：本文針對當(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)控機床實訓(xùn)環(huán)節(jié)易出事故、機床損耗嚴(yán)重、費用高等特點，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，對學(xué)生、學(xué)員進行數(shù)控機床的基本操作培訓(xùn)，以達(dá)到多、快、好、省的目的。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機床 數(shù)控加工 虛擬現(xiàn)實 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)在機械制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，大批數(shù)控機床操作人員的專業(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)控機床編程與操作的有效培訓(xùn)必須在真實的機床上進行。可是隨著學(xué)生人數(shù)的不斷增加，有限的機床數(shù)量難以保證每位學(xué)生有足夠的上機操作時間，同時學(xué)生在真實機床上操作還具有一定的危險和不安全性，培訓(xùn)中的誤操作經(jīng)常會導(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)的機床操作培訓(xùn)方法效率低、教師工作量大、培訓(xùn)費用高，需要用更新的方法來取代。
1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)
虛擬現(xiàn)實，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。作為一項尖端科技，虛擬現(xiàn)實集成了計算機圖形技術(shù)、計算機仿真技術(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，是一種由計算機生成的高技術(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)域得到了進一步的發(fā)展。這種技術(shù)的特點在于通過計算機產(chǎn)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(gòu)成的三維數(shù)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(chǎn)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(nèi)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(xiàn)實是發(fā)展到一定水平上的計算機技術(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)識世界開辟了一條新途徑。虛擬現(xiàn)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(jīng)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(rèn)知手段和領(lǐng)域。另外，虛擬現(xiàn)實不僅僅是一個演示媒體，而且還是一個設(shè)計工具，它以視覺形式產(chǎn)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(xiàn)實技術(shù)的實時三維空間表現(xiàn)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(lǐng)域的模擬和訓(xùn)練中起到了舉足輕重的作用。近年來，隨著計算機硬件軟件技術(shù)的發(fā)展以及人們越來越認(rèn)識到它的重要作用，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)實技術(shù)在改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)上的價值體現(xiàn)于：用于產(chǎn)品設(shè)計與制造，可以降低成本，避免新產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險；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)實技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)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(tǒng)，它是一個應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)于數(shù)控加工操作技能培訓(xùn)的仿真軟件。利用計算機仿真培訓(xùn)系統(tǒng)進行學(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)費用低。
目前在國內(nèi)已經(jīng)有一些高等院校將計算機仿真運用于數(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)既能單機系統(tǒng)獨立運行，又能實現(xiàn)在線運行。獨立運行即機床模型方式，其培訓(xùn)設(shè)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通過三維動畫演示。實踐證明，用這種方式進行初步培訓(xùn)是非常經(jīng)濟有效的。在線運行即機床工作方式，在這種方式下，教學(xué)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。即利用計算機和其他的專用硬件、軟件去產(chǎn)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(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(shù)中的一個重要的執(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)完全模擬真實零件的加工過程，可以檢驗各種數(shù)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(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)控機床平臺的構(gòu)建
虛擬數(shù)控機床一般是通過以下的構(gòu)建平臺來實現(xiàn)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(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(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(yīng)包括一臺數(shù)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(shù)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(tǒng)計分析，仿真平臺是虛擬數(shù)控機床的核心技術(shù)。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(guān)的加工數(shù)據(jù)。如進給軸的位移量、換刀狀態(tài)、主軸轉(zhuǎn)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(shè)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(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(zhì)和潤滑介質(zhì)的性質(zhì)計算刀具的補償量和熱補償量。這些計算結(jié)果是虛擬數(shù)控機床在應(yīng)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(shè)計開發(fā)平臺。虛擬數(shù)控機床的設(shè)計平臺是一個面向?qū)ο蟮臄?shù)控軟件庫及其開發(fā)環(huán)境。通過對數(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，并對典型的零件進行封裝，設(shè)計成具有穩(wěn)定、通用接口的可重復(fù)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(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(chǔ)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(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)，并進行實際調(diào)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(shù)，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(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)控機床具有以下的功能和特點：
虛擬數(shù)控機床具有與真實機床完全相同的結(jié)構(gòu)。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(dǎo)致某種結(jié)構(gòu)和信息的失真或丟失，并與真實機床有完全相同的界面風(fēng)格和對應(yīng)功能，如動態(tài)旋轉(zhuǎn)、縮放、移動等功能的實時交互操作，從而為學(xué)員的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)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(zhǔn)對刀，安裝刀具，機床手動操作。
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、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(zhuǎn)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(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行完全自動的、智能化的測量。
具有完善的圖形和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口。用戶既能在真實的環(huán)境中運行虛擬機床，又能觀察它的各種運行參數(shù)，并能將其他CAD／CAM軟件，如UG、Pro/E、Mastercam等產(chǎn)生的三維設(shè)計后置處理的NC程序，直接調(diào)入加工。
實用靈活的考試系統(tǒng)。可用于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、作業(yè)、考試等功能，并實現(xiàn)答卷保存、自動評分、成績查詢和分析等功能，輕松實現(xiàn)無紙化的考核與測評。
虛擬數(shù)控機床強大的網(wǎng)絡(luò)功能，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程教育。不僅在局域網(wǎng)上具有雙向互動的教學(xué)功能，還具有基于互聯(lián)網(wǎng)進行雙向互動的遠(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）等方式進行。這使得遠(yuǎn)程教學(xué)成為名副其實，它代表未來教育的發(fā)展方向。
4 結(jié)束語
鑒于虛擬數(shù)控機床具備如此出眾的功能，針對目前各院校數(shù)控教學(xué)課程和參加數(shù)控實習(xí)學(xué)生人數(shù)不斷增加的現(xiàn)實，以及數(shù)控機床精密、昂貴的特點，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)控機床編程與操作培訓(xùn)，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(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(chǎn)生現(xiàn)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(shù)控機床數(shù)量不足的難題，使每位學(xué)員都能有足夠多的實踐機會，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)控機床的操作方法。其更大的好處還在于，在實現(xiàn)了同樣培訓(xùn)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(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，課堂的教學(xué)變得更加生動、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)實際操作時，由于仿真軟件不存在安全問題，這使得學(xué)生可以大膽地、獨立地進行學(xué)習(xí)和練習(xí)，并能自我檢測加工零件幾何形狀的精度，對學(xué)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(tǒng)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(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。
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)的實現(xiàn)，1998
2．余勤科，岳應(yīng)娟，劉宏．虛擬數(shù)控機床技術(shù)及其應(yīng)用，2000
3．王曉楠，王仲海．虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其應(yīng)用，2002
4. 袁修干，人機工程計算機仿真 2005
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