數控仿真實驗平臺在實習教學中的應用

摘要：目前數控實習教學普遍存在數控設備不足，學生沒有足夠操作時間的問題。同時數控實習教學的重點是數控編程，由于編程十分抽象和枯燥，多數學生無法堅持學習。而仿真技術能夠直觀反映實際數控加工過程，使學生在虛擬條件下進行操作，既可以有效地解決設備缺乏問題，也增加了教學過程的生動性，可使學生在實訓前建立正確的加工工藝概念，避免由于誤操作等引起的操作安全問題。

關鍵詞：模擬仿真；數控教學；實驗平臺；數控實習

數控技術是現代機械制造業的核心技術，數控實習教學質量直接影響數控技術的普及和發展。目前，數控實習教學中普遍存在兩個問題：（1）參加數控實驗和培訓的學員大多來自大專、中專、技工類學校以及普通機加工工人，其文化素質、實際操作能力參差不齊。（2）在數控教學中常常會因為數控設備數量有限使得學生沒有足夠時間實際操作，致使教學效果欠佳。計算機模擬仿真技術是應用計算機技術及仿真軟件對數控機床整個操作加工過程進行模擬操作的一門新技術。針對上述兩個問題采用模擬仿真輔助數控實習教學，能夠使學生較快地掌握專業知識及操作技能，讓實習教學效果事半功倍。

數控實習教學特點分析

數控技術是指利用數字信息實現對機床運動的控制。數控加工是將加工數據和工藝參數輸入到機床，機床的控制系統對輸入信息進行運算與控制，并不斷向直接指揮機床運動的機電功能轉換部件——機床伺服機構發送脈沖信號，伺服機構對脈沖信號進行轉換與放大處理，然后由傳動機構驅動機床，從而加工零件。所以，數控加工的關鍵是加工數據和工藝參數的獲取，即數控編程。因此，數控編程就成為數控實習教學中的重點內容。

由于數控加工產品的精度取決于加工工藝過程及加工之前的數控編程，所以，在數控編程教學中要重點強調兩方面內容：一是加工工藝路線對零件精度的重要性；二是如何通過程序實現工藝優化以及保證加工精度。綜合以上分析，數控實習教學具有以下特點：（1）實踐性較強。僅僅依賴書本上的理論知識不能獲得加工技巧，只有通過不斷地實踐操作，才能形成正確的工藝思維，獲得加工技巧。但數控設備較普通加工設備價格昂貴，許多學校存在數控設備不足的問題，使學生無法進行大量的實踐操作練習。（2）知識抽象。一方面，數控編程過程中，學生對因程序值改變而引起的刀具軌跡變動的理解需要一定的空間想象能力，二維空間以上的刀具加工軌跡的生成及其校驗很難予以描述；另一方面，數控編程指令繁多，格式形式多樣，要求學生不僅具備一定空間想象能力，還要有一定的邏輯思維能力。

基于仿真系統的數控實驗平臺

（一）數控仿真系統簡介

計算機網絡的進一步發展與應用，為數控模擬仿真軟件的開發創造了有利條件。根據各種數控仿真系統面向的對象及其風格等特點，大體上可以分為兩大類：一類是專業的應用于數控加工教學的仿真系統，如德國的Dialog系統、英國的Danford系統、華中數控教學培訓系統和廣州超軟數控仿真系統等。這些仿真系統的共同特點是：以數控加工的初學者為對象，具有強大的數控知識呈現功能，具有用于輔助教學的各種模塊設置（如編程及模擬模塊、考試管理模塊、實時教學幫助等）。另一類是主要面向制造企業實際加工并兼有仿真能力的系統，包括國外的幾個大型CAD/CAM系統：Pro/Engineer、MasterCAM、Camitron、UG Ⅱ等，它們的實際加工能力突出，能提供刀具路徑檢查校驗、切削過程仿真及錄像等功能，應用于教學上主要適用于中、高級數控加工從業人員的進一步深入學習。總體上看，數控仿真軟件的發展經歷了平面圖形仿真、立體圖形仿真以及虛擬機床仿真切削三個主要階段。最初的仿真系統只能模擬刀具平面軌跡，顯示刀具的二維線條路徑；在立體圖形仿真階段，系統能顯示立體的刀心軌跡、刀具實體圖、工件，仿真軟件能提供刀具及毛坯的三維立體形狀及刀具路徑；在現階段，仿真軟件能提供刀具及毛坯的3Ｄ實體圖形，并且機床可在數控指令下關聯運動，實現完全意義上的仿真。

目前，國內發展成熟的數控模擬仿真軟件基本具備以下特點：（1）支持FANUC、SIEMENS、華中數控等多種系統，包括數控車床、數控銑床、加工中心的仿真面板，可以進行手動編程，并可立即進行加工仿真。（2）可以讀取CAD/CAM軟件生成的G代碼，并進行仿真。（3）支持遠程教學，可以記錄學生的操作過程，提供合理科學的成績評判信息。

（二）基于仿真系統的數控實驗平臺

數控實習教學的對象大部分是數控加工的初學者，對于這部分學生的教學，主要讓他們學會如何將適合零件加工的工藝過程轉化為正確有效的數控加工程序。在這個階段中，學生編寫的加工程序一般不會太復雜，多為數控車削加工程序以及簡單的數控銑削加工程序，采用手動編程便可完成。仿真實驗平臺要求具備模擬仿真數控系統以及虛擬機床加工系統即可，便于學生在模擬情況下進行大量的數控編程和加工操作練習。

此外，實習教學對象也包括少數具備一定數控加工知識，希望進一步深入學習和提高的學生。對于這部分學生的教學就可能涉及復雜零件加工程序的編寫，需要采用自動編程手段輔助完成。針對這部分學生，數控仿真實驗平臺就需要增加能夠進行三維實體建模的CAD/CAM軟件系統。

除了模擬仿真部分以外，數控實習教學最終還是要讓學生進行現場實際數控機床的操作加工，因此，數控機床也是數控仿真實驗系統不可缺少的部分，只是由于學生大部分練習的時間都集中在模擬仿真系統上，因此對于數控加工設備的數量就不要求那么多。

綜上所述，數控仿真實驗平臺應能同時適應初級以及中、高級數控教學要求，即同時配備適于初級教學的機床模擬仿真系統以及適于中、高級數控加工培訓的大型CAD/CAM系統。而且，為了方便教學管理，可將仿真系統建立在多媒體網絡教學平臺上，并利用機床數控系統具有的網絡傳輸功能，建立數控編程加工一體化教學實驗平臺，如下圖所示。

數控仿真實驗平臺在實習教學中的應用及意義

針對數控編程抽象枯燥、容易出錯且不易檢查、學生缺乏實踐的特點，利用數控仿真實驗平臺輔助教學，可以將枯燥無味而又難以理解的大量數據信息以形象直觀的實物形式呈現出來，有效提高數控編程教學質量。此外，數控實習教學過程中最重要、也是教師最擔心的問題就是學生操作的安全問題。利用數控仿真實驗平臺，學生可以直觀地看到自己編寫的加工程序是否正確，發現錯誤及時修改。例如，初學者常將直線插補指令G01與快速定位指令G00混淆，往往在G01后面忘記給定進給速度，在實際加工中則會對工件和刀具造成損壞。運用模擬仿真就可以在加工前使學生體會切削進給與快速定位對工件造成的影響，建立正確的概念，避免在實際加工中由于操作失誤對自身和設備造成的傷害。

利用數控仿真實驗平臺輔助數控實習教學，可有效地解決實習條件與實習需求、實習效果之間的矛盾。在數控實習教學中，昂貴的數控設備及其配置設備、材料、人力等投入在很大程度上限制了數控實習教學的有效開展。在數控仿真實驗平臺上，學生有充分的機會操作各類數控加工設備，練習數控加工常用操作，既節省了大量的實習經費和設備投入費用，又有效提高了實習教學效果。如建立一個滿足60人實習的數控車床實習場地，每個實習崗位安排兩名學生，就得需要30臺數控車床，每臺數控車床以8萬元計算就得需要240萬設備投資費。而采用模擬仿真進行該工種實習教學，每一個崗位則需要60臺計算機，每臺1萬元（含應用軟件費用）則只需60萬元即可。在滿足數控車削實習教學要求的基礎上，還可以進行數控銑削甚至加工中心的實習教學。

總之，將數控仿真實驗平臺應用于數控實習教學中，能有效地提高教學質量，更合理地利用有限的資金投入，促

使數控編程教學向高水平發展。

參考文獻：

[1]潘毅.對基于工程應用背景下的數控教學若干問題的探討[OL].（2007-08-17）http：//www.zjucnc.com/Article/Class5/Class18/200602/970.html.

[2]朱振云.利用網絡教學提高數控車床實習效率[J].職業教育研究，2004，（7）.

[3]劉清.數控加工仿真系統與CAD/CAM軟件聯機應用的方法[J].湖南工業職業技術學院學報，2006，（6）.

[4]劉清，朱克憶.仿真系統在數控人才培養中的應用[J].長沙大學學報，2006，（3）.

作者簡介：

劉敬露（1980—），女，重慶市人，重慶工學院教師、助理工程師。