虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控專業(yè)中的應(yīng)用分析

莫水軍

摘 要：本文就虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控專業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行分析。虛擬仿真技術(shù)有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的不足。借助虛擬仿真系統(tǒng)，既可以完成復(fù)雜理論的教學(xué)，使抽象、難懂的理論變得具體、形象，更可以應(yīng)用于實(shí)操教學(xué)，使實(shí)操教學(xué)適當(dāng)?shù)財(cái)[脫對(duì)機(jī)床設(shè)備的依賴，拓展教學(xué)的時(shí)間和空間，讓學(xué)生更容易掌握實(shí)操技能。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù) 數(shù)控 應(yīng)用

數(shù)控專業(yè)綜合性和實(shí)踐性強(qiáng)，涉及機(jī)床結(jié)構(gòu)、編程與操作、數(shù)控原理等課程，涵蓋了計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、精密機(jī)械等多種學(xué)科。數(shù)控系統(tǒng)種類繁多，規(guī)格也各不相同。學(xué)校的設(shè)備一般受場(chǎng)地和資金所限，種類不多，學(xué)生實(shí)操的時(shí)間較短，知識(shí)一般較片面，對(duì)全面掌握相關(guān)的操作技能有較大的影響。近年以來(lái)，虛擬仿真技術(shù)獲得了較快的發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣與數(shù)控教學(xué)需求對(duì)接的虛擬仿真系統(tǒng)，恰當(dāng)?shù)剡x擇和應(yīng)用這些虛擬仿真系統(tǒng)，可以較好地解決數(shù)控專業(yè)教學(xué)工作中存在的各種問(wèn)題，收到較為理想的教學(xué)效果。

一、虛擬仿真系統(tǒng)的作用

具體到數(shù)控來(lái)說(shuō)，就是利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能等數(shù)控設(shè)備的工作環(huán)境和工作過(guò)程。目前，世界各國(guó)都在加工過(guò)仿真方面做出了各種努力，如美國(guó)的馬里蘭大學(xué)開發(fā)出了虛擬數(shù)控機(jī)床仿真器來(lái)對(duì)數(shù)控操作人員進(jìn)行培訓(xùn)；同濟(jì)大學(xué)和清華大學(xué)也開發(fā)出了國(guó)產(chǎn)的數(shù)控加工仿真動(dòng)畫系統(tǒng)。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控專業(yè)當(dāng)中，主要具有以下作用。

一是真實(shí)顯示三維數(shù)控機(jī)床和操作面板，在虛擬仿真系統(tǒng)當(dāng)中，可以真實(shí)地模擬出零件加工過(guò)程，通過(guò)三維動(dòng)畫展示切削詳細(xì)場(chǎng)景。在該環(huán)境當(dāng)中，可以完成基準(zhǔn)對(duì)刀、手動(dòng)對(duì)刀和零件切削操作，可以利用千分尺、卡尺等完成測(cè)量操作，甚至還可以根據(jù)零件圖紙進(jìn)行手工編程或CAD/CAM設(shè)計(jì)。

二是涵蓋各類常見的數(shù)控操作系統(tǒng)，可以滿足日常教學(xué)和適應(yīng)不同數(shù)控系統(tǒng)的學(xué)習(xí)需要。

三是在虛擬仿真系統(tǒng)當(dāng)中，可以完成回參考點(diǎn)、點(diǎn)動(dòng)、快速移動(dòng)、手動(dòng)輸入、編程、程序輸入、進(jìn)給倍率調(diào)節(jié)、模式選擇等?？梢哉f(shuō)只要是實(shí)際機(jī)床上需要進(jìn)行的操作，都可以在虛擬仿真系統(tǒng)當(dāng)中實(shí)現(xiàn)。

四是在虛擬仿真系統(tǒng)當(dāng)中，用戶可以自由選擇機(jī)床規(guī)格，自己確定工件毛坯的大小，自己選擇刀具的形狀和尺寸?？梢詫?duì)加工后的成品質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，加工完成之后，用戶可以完成工件的三維測(cè)量，并檢測(cè)零件表面的粗糙度，實(shí)現(xiàn)切削參數(shù)的驗(yàn)證。

當(dāng)然，以上作用并不能在單一的系統(tǒng)當(dāng)中全部達(dá)到，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需要靈活地進(jìn)行選擇和使用。整體來(lái)看，這些虛擬仿真系統(tǒng)都屬于幾何范疇的仿真，刀具和零件都被當(dāng)成了剛體處理，沒(méi)有考慮切削參數(shù)、切削力等物理因素的影響，單純翻譯的數(shù)控程序、刀具位置數(shù)據(jù)和刀架運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正的物理仿真。

二、虛擬仿真系統(tǒng)在數(shù)控教學(xué)中的應(yīng)用

1.在理論教學(xué)中的應(yīng)用

數(shù)控指令格式是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，通過(guò)ISO代碼所定義出來(lái)的軌跡與日常的感性認(rèn)識(shí)并不相同，這給記憶造成了困難，借助虛擬仿真系統(tǒng)則可以將兩者的不同真實(shí)地表現(xiàn)出來(lái)。如在FANUC OI系統(tǒng)當(dāng)中，G02（G03）指令的功能就是使刀具沿圓弧從起點(diǎn)移動(dòng)到終點(diǎn)，其中G02是順時(shí)針插補(bǔ)，而G03是逆時(shí)針插補(bǔ)。由于插補(bǔ)時(shí)需要涉及兩個(gè)方向、三個(gè)平面和多個(gè)參數(shù)，學(xué)生難以記清楚。借助虛擬仿真軟件CIMCOEdit輸入相關(guān)的程序代碼，而后執(zhí)行模擬功能，就可以在虛擬仿真窗口里直接看到刀具的運(yùn)行情況，更改參數(shù)值還可以看到軌跡的變化，這將有助于學(xué)生正確理解編程之后刀具的運(yùn)行軌跡，并能使學(xué)生通過(guò)該程序不斷修正自己的程序設(shè)計(jì)，迅速提高手工編程能力。

2.在軟件編程中的應(yīng)用

CAD/CAM軟件和自動(dòng)編程是數(shù)控專業(yè)的基本技能之一，也是重要的教學(xué)內(nèi)容。UG、PRO/e、CAXA等軟件可以實(shí)現(xiàn)CAD/CAM的功能，其中的CAM模塊還具有刀位點(diǎn)的計(jì)算、軌跡編輯、工藝文檔生成等諸多功能，適用于各種復(fù)雜零件的粗、精加工。借助該軟件，操作者可以按照加工表面形狀、零件結(jié)構(gòu)和加工精度要求，合理地選擇加工類型。操作中，可以根據(jù)需要在圖形方式下完成刀具路徑的編輯和演示，對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，模擬零件的真實(shí)加工過(guò)程，檢測(cè)參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)確性。

3.在實(shí)操教學(xué)中的應(yīng)用

數(shù)控專業(yè)是典型的應(yīng)用類專業(yè)，具有明顯的崗位需求和職業(yè)能力需求特色，重視實(shí)踐技能的訓(xùn)練。目前，越來(lái)越多的學(xué)校加大了數(shù)控設(shè)備的購(gòu)置力度，校內(nèi)實(shí)訓(xùn)條件有了較好的改善，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足教學(xué)和實(shí)踐的需要，實(shí)際教學(xué)中仍然需要“黑板上開機(jī)床，練習(xí)本上學(xué)編程”，學(xué)生的學(xué)習(xí)重理論而輕實(shí)踐的現(xiàn)象沒(méi)有得到根本上的改變，一旦上機(jī)操作危險(xiǎn)性可想而知。由于學(xué)校數(shù)控機(jī)床數(shù)量少，實(shí)訓(xùn)時(shí)一名教師往往需要同時(shí)指導(dǎo)十多名學(xué)生進(jìn)行操作，實(shí)訓(xùn)車間內(nèi)環(huán)境嘈雜，如此多的學(xué)生圍著同一臺(tái)機(jī)床觀摩學(xué)習(xí)，有的學(xué)生根本就看不到老師如何操作的，其教學(xué)效果可想而知了。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜和緊湊，過(guò)多的學(xué)生同時(shí)圍繞同一臺(tái)機(jī)床觀摩，必然難以清楚地看到機(jī)床的工作機(jī)構(gòu)和工作狀態(tài)。在真正上機(jī)操作之前，借助虛擬住址系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)上完成模擬操作可以使技能訓(xùn)練達(dá)到事半而功倍的教學(xué)效果?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了大量的數(shù)控加工仿真教學(xué)軟件，如宇龍、宇航、斯沃等等。這些教學(xué)軟件可以完成數(shù)控機(jī)床操作的全過(guò)程仿真呈現(xiàn)。

三、虛擬仿真實(shí)操具有三大優(yōu)勢(shì)

1.成本低

購(gòu)置一臺(tái)教學(xué)用的數(shù)控銑床價(jià)格為10萬(wàn)元人民幣左右，兩臺(tái)機(jī)床所需要的費(fèi)用就可以裝配一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)較高的、擁有40臺(tái)高配電腦的新機(jī)房?；旧峡梢詫?shí)現(xiàn)一人一機(jī)，保證學(xué)生都能熟悉設(shè)備，都有充足的時(shí)間來(lái)運(yùn)行機(jī)床。由于一套仿真軟件當(dāng)中就包含了多種數(shù)控系統(tǒng)，教學(xué)時(shí)教師可以根據(jù)需要選擇授課所需系統(tǒng)，學(xué)生則可以通過(guò)自學(xué)掌握其他的數(shù)控系統(tǒng)，有助于學(xué)生的自主探究能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的提高。

2.效果好

受實(shí)訓(xùn)空間限制，在操作真實(shí)機(jī)床時(shí)，學(xué)生難以觀察到老師操作的細(xì)節(jié)過(guò)程，如如何對(duì)刀、如何設(shè)置工件坐標(biāo)系等，在手輪模式、手動(dòng)模式、增量模式的講解過(guò)程中還要涉及試切、尋邊器的使用等很多內(nèi)容，知識(shí)點(diǎn)多且細(xì)碎，一定程度上影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，難以完成獨(dú)立操作。使用虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)操教學(xué)，既可以通過(guò)多媒體教室，使學(xué)生在自己的電腦上觀看老師的操作過(guò)程，也可以將整個(gè)過(guò)程錄制下來(lái)通過(guò)大屏幕播放，所有的學(xué)生都能清楚地看到詳細(xì)的操作。在學(xué)生進(jìn)行練習(xí)時(shí)，教師也可以通過(guò)自己的電腦監(jiān)控學(xué)生的操作細(xì)節(jié)，實(shí)時(shí)了解學(xué)生的掌握情況，實(shí)時(shí)地給予反饋和指導(dǎo)。

3.安全性好

從實(shí)踐來(lái)看，真實(shí)的數(shù)控操作對(duì)學(xué)生的操作技巧和熟練程度都有很高的要求，否則就容易出現(xiàn)安全事故。而虛擬仿真系統(tǒng)則大不相同，遇有操作失誤，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)報(bào)警，并提示錯(cuò)誤的位置，這就可以避免安全事故的發(fā)生，有效地保障學(xué)生的人身安全。當(dāng)學(xué)生在虛擬仿真系統(tǒng)當(dāng)中經(jīng)過(guò)重復(fù)練習(xí)，達(dá)到一定的熟練程度之后，再進(jìn)行真實(shí)的機(jī)床操作，就會(huì)減少錯(cuò)誤的發(fā)生，更好地保證學(xué)生的人身安全和設(shè)備安全。

綜合運(yùn)用好虛擬仿真系統(tǒng)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，再結(jié)合數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)實(shí)操訓(xùn)練，更便于學(xué)生理解和掌握，更容易更安全地掌握機(jī)床的各項(xiàng)操作技能，大膽地進(jìn)行實(shí)踐探索和實(shí)踐創(chuàng)新。這些都將為培養(yǎng)實(shí)用型、創(chuàng)新型人才提供保障。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：茂名技師學(xué)院）endprint