数控机床仿真在数控教学中的应用

摘要随着国民经济的发展，数控机床在我国机械制造业中得到广泛应用，数控加工技术在机械制造业中起着举足轻
重的作用，标志着一个国家的科学技术水平。但由于数控机床价格昂贵，技术含量高，给教学培训工作带来新的课题。
    关键词应用教学数控仿真数控机床虚拟
   
    引言
    随着数控机床在机械制造业中的广泛应用，数控操作者的大量
培训便成为迫切的问题。在传统的操作培训中，操作的有效培训必
须在实际机床上进行，这既占用了设备加工时间，又具有风险，培训
中的误操作经常会导致昂贵设备的损坏。
    随着计算机技术的发展，尤其是虚拟现实技术和理念的发展，
产生了可以模拟实际设备加工环境及其工作状态的计算机仿真培
训系统。利用计算机仿真培训系统进行培训，不仅可迅速提高操作
者的素质，而且安全可靠、费用低。
    与科学幻想相似，想象力和技术的相互结合造就了虚拟现实。培
根在13世纪写的没有马的轿车和配备动力的机械的科幻故事就是
这类结合的早期见证，凡尔纳在19世纪写了火箭和潜水艇的预言性
科幻小说，特别是一些科幻作家们已做出的各种利用虚拟现实的基
本概念的设想正在逐步变成了具体化。上世纪内所建树的几个技术
性里程碑使得虚拟现实成为可能，电话、无线电、电视、半导体三极管
和集成电蹈微处理器芯片)和液晶显示器。尤其是计算机技术的飞速
发展。一些早期的仿真尝诚例如第一台飞行模拟器、立体电影、电视
游戏钧都已成为当今虚拟现实仿真的先驱。当然虚拟现实技术的发
展历程与电子学以及计算机产业的蓬勃发展是分不开的。
    目前在国内已经有少数高等院校将计算机仿真初步运用于数
控操作人才培训的教学之中，也产生了各种仿真教学系统。这些教
学系统既能单机系统独立运行，又能在线运行。独立运行即机床模
型方式，其培训设施只需一台微机，数控机床的模拟操作在显示屏
显示的仿真面板上进行，而零件切削过程由机床模型三维动画演
示，用这种方式进行初步培训是经济有效的;在线运行即机床工作
方式，这种方式下教学系统将与实际机床连接，由硬件实现零件切
削过程，这时除了操作者是用仿真面板操作外，其它则与实际机床
的真实情况一样，简单来讲就是利用计算机和其他的专用硬件软件
去产生一种真实场景的仿真，参与者可以通过与仿真场景的交互来
体验一种接近于真实的场景的感觉，因此能进一步培训操作者的实
际工作技能。
    数控仿真系统的核心是虚拟数控机床，而虚拟数控机床又是技
术中的一个执行单元，它不仅在过程中为产品设计提供了可制造性
的分析，而且在数控系统的学习和培训中，为各类学校和企业技术
人员提供了完善的学习和培训。该类系统完全模拟零件的切削过
程，能检验数控指令正确与否，提供一套功能齐全的调试、编辑、修
改和跟踪执行等功能。
    ，。虚拟数控系统功能
    虚拟数控机床实际上是虚拟环境中数控机床的模型。与真实机
床相比，虚拟数控机床应具有以下功能:
    虚拟数控机床应具有与真实机床完全相同的结构。虚拟数控机
床能模仿真实机床的任何功能而不致因为采用某种近似替代而导
致某种结构和信息的失真或丢失。并应与真实机床有完全相同的界
面风格，为技术人员的学习和培训提供保证。
    虚拟数控机床强大的网络功能，为远程教育提供可能。
    完善的图形和标准数据接口。用户既能在真实的环境中运行虚
拟机床，又能观察它的各种远行参数，并能与其他CAD / CAM软件
接口。
    2.平台的购建
    虚拟数控机床是如何实现这些功能的呢?它一般是通过以下的
构建平台来实现。
    ONc解释平台，NC解释平台包括NC解释器和NC验证器。任
务分配数据库从任务调度中接受数控代码并将其翻译为虚拟机床
的部件、刀具等运动的信息，并将其通过计算模块来模拟机床的响
应，NC解释器能够被自由地配置从而能够模拟任何一种数控机床
的CNC控制器。
    (2)NC验证器，能够验证NC代码的语法正确性。
    ③刀具库。刀具库应包括一台数控机床所需的刀具，并能自由配
置刀具库中的刀具号。从而能模拟任何一种数控机床的换刀形式。
    ④仿真平台。仿真平台包括刀具轨迹仿真、切削力仿真，加工精
度仿真、三维动画仿真、加工工时统计分析，仿真平台是虚拟数控机
床的核心技术。操作者可以在虚拟的环境中进行机床运动和切削过
程等的仿真，从中获得相关的加工数据。如进给轴的位移量、换刀状
态、主轴转速、加速度、进给量、加工时间等。通过加工过程的仿真，
了解所设计工件的可加工性，验证NC代码的正确性以及评价和优
化加工过程，并通过在线修改NC代码来优化NC代码。
    ⑤计算平台。计算平台用来完成虚拟数控机床中各种计算，如
根据NC代码计算加工零件新的几何形状，根据刀具的材料、运行
时间、零件的材料性质和润滑介质的性质计算刀具的补偿量和热补
偿量。这些计算结果是虚拟数控机床在应用于过程中的加工方案评
价以及可制造性分析所必须的。
    ⑥设计开发平台。虚拟数控机床的设计平台是一个面向对象的
数控软件库及其开发环境。通过对数控软件的标准化、规范化研究
和其它CAD/CAM软件的数据交换，并对典型的零件进行封装，设
计成具有稳定、通用接口的可重用的软件。
    ⑦操作运行平台和监控平台。在虚拟环境中完全实现真实机床
的操作，让使用者完全感受到真实机床的运行特性。在这些基础上
的监控硬件和软件，用来控制简易机床.增加虚拟数控机床的真实
感.并且可以进行典型零件的实验性试切加工，让使用者有一种身
临其尽的感觉。尤其是在数控教学和培训过程中，初学者需要大量
的编程练习，并进行实际调试。用试切法来检验程序显然不合理，而
且也难于实现。如果利用仿真技术，这些问题可以轻松得到解决，从
而避免编程时人为出错或工艺不合理造成工件报废。
    总结
    鉴于虚拟数控机床具备的功能，针对目前我单位数控教学课程
和参加数控实习学生人数的增多，及数控设备较为精密、昂贵的特
点。把仿真软件引人教学之中，用于数控机床操作与编程培训，这样
既可以避免因误操作造成价格昂贵的数控机床的损坏，又可以使操
作人员在对仿真数控机床操作过程中产生临场感和真实感。而月能
够让同学们更快地熟悉和了解工作过程，并且掌握每种数控机床的
基本操作。更大的好处是在实现了同样效果的情况下将加工出错及
事故发生率降低到了最小程度。
    我单位自2003年开展数控机床仿真教学以来，深受学生欢迎，
各类硬件设施得到较大改善，包括微机房、局域网和各类数控机床
等。总结了一套行之有效的教学方法，相信这种教学方式必将成为
一种必要的教学手段。