計算機(jī)仿真技術(shù)在數(shù)控車削教學(xué)中的應(yīng)用

張子良

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國制造業(yè)裝備的自動化水平在不斷提高，數(shù)控機(jī)床的擁有量及在機(jī)床中所占的比重大幅度地增加。如何有效地發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的使用效率、提高加工質(zhì)量一直是人們追求的目標(biāo)。在進(jìn)行零件數(shù)控加工過程中，零件本身的可加工性和數(shù)控程序的質(zhì)量是影響零件加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素。數(shù)控程序投入實際加工之前，都必須進(jìn)行有效的檢驗。檢驗數(shù)控程序的方法主要有手工檢驗、試切檢驗、軌跡顯示和計算機(jī)仿真等。其中計算機(jī)仿真是近年來發(fā)展較快，也是最行之有效的方法。數(shù)控車削是數(shù)控技術(shù)專業(yè)的核心課程之一，近年在高職院校多被設(shè)計為工作過程系統(tǒng)化課程。教學(xué)一般在車間進(jìn)行，教學(xué)過程盡可能模擬企業(yè)實際加工過程，學(xué)生在完成工作任務(wù)過程中領(lǐng)會知識，掌握技能。

學(xué)生利用在計算機(jī)上模擬加工環(huán)境和數(shù)控加工的過程，完成NC程序的校驗，發(fā)現(xiàn)干涉（主要是刀具與工件之間）和過切現(xiàn)象，修改NC程序，通過實際參與，彌補(bǔ)課堂教學(xué)的不足。另外，此系統(tǒng)也可用于生產(chǎn)實際。減少加工失誤、返工，縮短研制周期，節(jié)約資金，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。這種教學(xué)模式實現(xiàn)了教、學(xué)、做一體化，能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，深受廣大師生歡迎。但在實際操作過程中，受限于實訓(xùn)條件，也會遇到一些具體問題，例如：機(jī)床數(shù)目不足；學(xué)生占機(jī)時間長、效率低；初學(xué)者經(jīng)常發(fā)生撞刀等低級錯誤事件；機(jī)型和系統(tǒng)單一，難以拓寬學(xué)生眼界等。

通過使用數(shù)控仿真軟件，我們基本上解決了這些問題，并作出一些有益探索。

一、數(shù)控仿真軟件的優(yōu)缺點

模擬仿真技術(shù)是用物理模型或數(shù)學(xué)模型來代替真實系統(tǒng)進(jìn)行實驗和研究的一種技術(shù)。數(shù)控加工仿真就是采用計算機(jī)圖形學(xué)的手段，在電腦上通過軟件界面對加工走刀和零件切削過程進(jìn)行模擬，它可以模擬機(jī)床設(shè)備的加工情況和實際加工環(huán)境，具有豐富的刀具材料庫，能實現(xiàn)對機(jī)床的全過程操作，能實現(xiàn)人機(jī)交互。現(xiàn)在為止，數(shù)控仿真軟件的發(fā)展經(jīng)歷了平面圖形仿真、立體圖形仿真以及虛擬機(jī)床仿真切削幾個主要階段，在教學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)越來越成熟。

數(shù)控仿真軟件的優(yōu)缺點如下：

優(yōu)點一：成本低。一臺計算機(jī)不過3000—5000元，而一臺數(shù)控車床則需要幾萬、幾十萬元。使用計算機(jī)仿真技術(shù)，可以使所有學(xué)生同時獲得上機(jī)機(jī)會，從而解決機(jī)床不足的問題而導(dǎo)致專業(yè)教學(xué)達(dá)不到應(yīng)有教學(xué)效果的問題。

優(yōu)點二：可仿真機(jī)型和系統(tǒng)多，以斯沃6.2為例，提供了幾十種機(jī)床，涵蓋simens、fanuc、廣數(shù)、華中等多個系統(tǒng)。學(xué)生可以對比訓(xùn)練，也可以專門練習(xí)某種系統(tǒng)。熟悉更多的機(jī)床系統(tǒng)有利于他們今后迅速適應(yīng)崗位工作。

優(yōu)點三：安全性高。學(xué)生在仿真軟件下編程和操作，其錯誤最大的危害不過是出現(xiàn)錯誤提示；如果在機(jī)床上，一些低級錯誤則可能引發(fā)事故。模擬仿真技術(shù)有利于指導(dǎo)教師教學(xué)，使理論教學(xué)與實踐教學(xué)融為一體，實現(xiàn)學(xué)中做，做中學(xué)，讓兩個實施教學(xué)的教師互相交流，互相配合，減少了以往理論講授與實際工作存在的誤差。

盡管優(yōu)點眾多，但仿真軟件畢竟不是真正的機(jī)床，學(xué)生在仿真軟件上是無法獲得真實操作經(jīng)驗的，因此它只能作為輔助手段。

二、使用仿真軟件的時機(jī)

對于數(shù)控車削加工而言，加工仿真系統(tǒng)要完成以下幾項任務(wù)：刀具軌跡仿真、切削加工仿真、干涉檢查和提交仿真報告。刀具數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)的另一個重要組成部分。它是仿真系統(tǒng)的后勤保障。它容納大量的刀具數(shù)據(jù)并且做到有效的管理。刀具數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)的輸入、刪除、瀏覽、查找等。 車刀對零件的加工主要涉及圓柱面、圓錐面、球面、螺紋、端面、切槽、切斷等表面的加工。無論加工什么樣的零件一律是工件做回轉(zhuǎn)運(yùn)動（即主運(yùn)動）：而刀具做直線、圓弧或其他軌跡的運(yùn)動（即進(jìn)給運(yùn)動）。在數(shù)控加工程序中這些運(yùn)動可以通過簡單的G01、G02、G03等指令完成。由于仿真系統(tǒng)是對NC程序在PC機(jī)中的模擬，在仿真中為了能夠在PC機(jī)屏幕上動態(tài)顯示刀具的運(yùn)動軌跡或切削過程，就必須將數(shù)控程序指令翻譯過來。完成對NC程序進(jìn)行語法分析，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等工作，其過程如下：

仿真過程要對數(shù)控程序進(jìn)行處理使之成為一個NC坐標(biāo)信息文件。該文件是對NC程序進(jìn)行語法分析與坐標(biāo)變換的結(jié)果。數(shù)控程序由CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)自動產(chǎn)生或人工鍵盤輸入。

a：一是NC坐標(biāo)文件解釋程序從NC坐標(biāo)信息文件中讀取刀具信息并從刀具庫文件中讀取相應(yīng)的刀具信息。二是NC坐標(biāo)文件解釋程序從NC坐標(biāo)信息文件中讀取刀具運(yùn)動指令及坐標(biāo)信息，并調(diào)用相應(yīng)的加工仿真算法使之可以完成對刀具的運(yùn)動軌跡仿真、切削加工仿真及干涉檢查。

b：生成仿真報告，提交給數(shù)控機(jī)床操作人員做分析。

從學(xué)生訓(xùn)練階段看，一般可分為基本操作訓(xùn)練階段、典型零件加工訓(xùn)練階段和復(fù)雜零件編程能力強(qiáng)化階段。

在基本操作階段，學(xué)生需要見到并親手操作真實機(jī)床，以強(qiáng)化感性認(rèn)識，鍛煉工件裝夾、回零、對刀、輸入等基本操作能力。此階段不宜使用仿真軟件，而必須在真實的機(jī)床上進(jìn)行示范模仿，否則，學(xué)生如看鏡花水月，難以形成真實的感性認(rèn)識和操作體驗。

在典型零件加工階段，教學(xué)過程一般為出示任務(wù)、任務(wù)分析、制訂工藝卡、編程、操作加工、檢驗評價、提升訓(xùn)練和知識梳理8個環(huán)節(jié)。環(huán)節(jié)1中教師出示的任務(wù)，一般應(yīng)采取分組合作方式，直接在機(jī)床上作出；而環(huán)節(jié)7提升訓(xùn)練環(huán)節(jié)中一般包含3-5個任務(wù)，應(yīng)該要求學(xué)生首先在計算機(jī)仿真軟件中作出，然后再拿到機(jī)床上實際加工驗證。

在復(fù)雜零件編程能力強(qiáng)化階段，經(jīng)過一二兩個階段訓(xùn)練，學(xué)生已經(jīng)能夠熟練操作機(jī)床，此時需要提升的重點是工藝分析與編程能力。此階段基本不再使用真實機(jī)床，而直接用計算機(jī)進(jìn)行模擬。

實際上，考試也可引入仿真軟件。使用仿真軟件可以快速判定學(xué)生成績，減少閱卷工作量。在第二和第三階段經(jīng)常采用。但是，不宜過分提倡使用這種方式，因為考試實際上是對學(xué)生崗位工作能力的判定，有條件時，應(yīng)創(chuàng)造更為真實的工作環(huán)境。因此這種考試只適用于平時測驗，一般不能用于期末考試和畢業(yè)設(shè)計。

三、使用仿真軟件時教師和學(xué)生的角色

在任務(wù)分析環(huán)節(jié)，教師可通過大屏幕向全體學(xué)生播放加工過程，并隨時講解。這樣做可使抽象的指令以更形象的方式展現(xiàn)，易于接受。例如，講解G02圓弧與G03圓弧走刀時，教師可編制較短程序，在屏幕上進(jìn)行演示。這種方式下，教師是傳統(tǒng)的講解角色，學(xué)生是被動接受者。

盡管可作為演示和示范用，但引入仿真軟件的根本目的，卻在于加強(qiáng)學(xué)生的主體性。只有讓學(xué)生用起來，才能真正增強(qiáng)他們實際的工藝分析和編程能力。因此，在第三階段，數(shù)控工藝和編程的課程一般應(yīng)在微機(jī)室上課。教師邊講解，學(xué)生邊練習(xí)；或教師設(shè)計項目，學(xué)生通過仿真加工完成。

總之，軟件仿真是數(shù)控車削課程教學(xué)中的重要手段，可以解決許多問題。而要用好仿真軟件，則一要注意時機(jī)的選擇，二要調(diào)整好師生角色。運(yùn)用計算機(jī)仿真系統(tǒng)是解決數(shù)控車削教學(xué)的重要途徑。它既能解決學(xué)生實習(xí)時不熟悉數(shù)控系統(tǒng)操作及控制面板的問題，又可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能提高學(xué)生的編程能力及對不同數(shù)控系統(tǒng)不同數(shù)控機(jī)床的適應(yīng)能力，是一種有效地進(jìn)行數(shù)控車削前期教學(xué)的一種良好嘗試，也是進(jìn)行數(shù)控機(jī)床專業(yè)職業(yè)技能考核的一種有效的手段。

［1］李大國，郭翠.關(guān)于技校數(shù)控專業(yè)教學(xué)改革的探討［J］.科技風(fēng)，2009.

［2］楊小云.中職數(shù)控技術(shù)應(yīng)用教學(xué)探索［J］.職業(yè)技術(shù)，2007.