基于KELLER數(shù)控仿真軟件的數(shù)控編程教學(xué)研究

摘要：數(shù)控技術(shù)與編程是機(jī)械工程專業(yè)的一門主干課程，它的教學(xué)牽涉到制造、測量、公差、工藝、設(shè)備等多方面的知識(shí)，其實(shí)踐性強(qiáng)，對(duì)設(shè)備的要求較高。通過引入德國原版的仿真數(shù)控教學(xué)軟件，本文探討了對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容的改革與優(yōu)化。利用仿真與教學(xué)相結(jié)合的方法，分別實(shí)現(xiàn)了數(shù)控基本理論、數(shù)控技術(shù)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)、數(shù)控加工編程的教學(xué)探索，收到了較好的效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)控編程；仿真軟件；教學(xué)研究

中圖分類號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2013）31-0084-02

數(shù)控技術(shù)與編程是機(jī)械工程專業(yè)的一門主干專業(yè)課程，是一門綜合性、實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，它牽涉到機(jī)械制造技術(shù)、測量與公差、數(shù)控工藝與設(shè)備、數(shù)控原理、數(shù)控編程等專業(yè)理論知識(shí)，其實(shí)踐性強(qiáng)，實(shí)訓(xùn)設(shè)備投資經(jīng)費(fèi)大[1]。如何為數(shù)控技術(shù)與編程課程教學(xué)提供切實(shí)可行的教學(xué)方法和手段，提高學(xué)生的理論水平和實(shí)踐能力，一直是各高校本科課程教學(xué)改革研究的主要課題[2]。大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院在數(shù)控技術(shù)與編程課程的改革中，將先進(jìn)的教學(xué)理念引入課程教學(xué)過程，以德國KELLER數(shù)控仿真軟件為基礎(chǔ)，對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革與優(yōu)化，取得了良好的教學(xué)效果。

一、傳統(tǒng)數(shù)控教學(xué)中存在的問題

1.理論與實(shí)踐脫節(jié)。在傳統(tǒng)教學(xué)中，課程的理論教學(xué)一般采用的是單一的、以教師為中心的學(xué)生被動(dòng)接受的“灌輸式”教育模式[3]。由于數(shù)控技術(shù)與編程課程實(shí)踐性強(qiáng)，單純的理論教學(xué)對(duì)于缺少實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生而言，內(nèi)容會(huì)顯得枯燥，使學(xué)生學(xué)起來感到抽象、難學(xué)，很容易讓學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒，教學(xué)效果不理想。

2.數(shù)控機(jī)床設(shè)備不足。數(shù)控技術(shù)與編程課程，實(shí)踐性很強(qiáng)，學(xué)生要想利用正常課堂授課的短時(shí)間內(nèi)學(xué)好這門課，必須將理論與實(shí)踐相結(jié)合，由于數(shù)控機(jī)床品種繁多且價(jià)格大多較高，數(shù)量必然有限，教學(xué)設(shè)備大多會(huì)不足，因而造成學(xué)生操作實(shí)訓(xùn)少、學(xué)習(xí)效果差。為了解決上述問題，必須尋求一種資金投入少，但是效果明顯的數(shù)控編程課程新教學(xué)培養(yǎng)模式。數(shù)控加工仿真系統(tǒng)軟件在教學(xué)中的合理運(yùn)用是解決這一問題的有效途徑。

二、基于德國KELLER數(shù)控仿真軟件的教學(xué)研究

1.德國KELLER數(shù)控仿真軟件簡介。KELLER SymPlus CNC仿真模擬軟件是德國凱勒軟件有限公司開發(fā)的系列產(chǎn)品[4]。它利用二維、三維模擬仿真的方法和大量的圖、加工參數(shù)、名詞解釋和練習(xí)題，對(duì)CNC數(shù)控設(shè)備工作過程與原理、PALplus練習(xí)模塊、CAD/CAM功能模塊、車銑鉆削加工編程、系統(tǒng)控制理論等，進(jìn)行教學(xué)演示和仿真訓(xùn)練。通過這套仿真模擬軟件的使用，可以達(dá)到各種CNC設(shè)備操作實(shí)訓(xùn)目的，大大減少昂貴的設(shè)備投入。凱勒CNC軟件最主要的特點(diǎn)是易于操作、由淺入深、綜合性強(qiáng)。整個(gè)軟件由若干個(gè)系統(tǒng)組成，即：動(dòng)態(tài)虛擬車間與機(jī)床設(shè)備、PALpuls多媒體模擬與仿真、FANUC與西門子控制系統(tǒng)仿真教學(xué)模塊、CAD/CAM仿真模塊。它涵蓋了從基礎(chǔ)培訓(xùn)到初級(jí)編程再到專業(yè)的制造加工編程的CNC和CAD/CAM技術(shù)，具備了現(xiàn)代的教學(xué)方法的特點(diǎn)。

2.KELLER仿真軟件應(yīng)用到數(shù)控理論教學(xué)中。在進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的工作過程的理論教學(xué)時(shí)，對(duì)于由數(shù)控程序到機(jī)床的執(zhí)行動(dòng)作過程，一般要有對(duì)輸入指令進(jìn)行譯碼、寄存和運(yùn)算，向系統(tǒng)的各個(gè)坐標(biāo)軸的伺服系統(tǒng)發(fā)出指令信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路的放大處理，驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)輸出位移和速度，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的這樣一個(gè)過程。但是，教學(xué)中由于學(xué)生對(duì)機(jī)床本身結(jié)構(gòu)等知識(shí)了解較少，單純的理論教學(xué)會(huì)顯得枯燥，使學(xué)生學(xué)起來感到抽象、難學(xué)。利用KELLER數(shù)控仿真軟件的Dynamic Virtual Workshop模塊，如圖1所示，給出了數(shù)控機(jī)床工作工程中，加工信息流動(dòng)的方向與方式，形象地給出了機(jī)床的工作過程，使學(xué)生一目了然地學(xué)習(xí)到了數(shù)控理論知識(shí)。

圖1 數(shù)控機(jī)床工作過程演示

3.利用KELLER軟件進(jìn)行數(shù)控關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)。在數(shù)控車削加工中，刀尖處常帶有圓弧過渡刃。一般數(shù)控裝置都有刀尖圓弧半徑補(bǔ)償功能，為編制程序提供了方便。有刀具半徑補(bǔ)償功能的數(shù)控系統(tǒng)，編程時(shí)不需要計(jì)算刀具中心的運(yùn)動(dòng)軌跡，只按零件輪廓編程[5，6]。

為了解釋清楚上述的數(shù)控編程的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，利用KELLER軟件，如圖2（a）（b）所示，當(dāng)不考慮刀尖圓弧半徑補(bǔ)償時(shí)，會(huì)產(chǎn)生少切和過切現(xiàn)象，圖中黃色線為要求的編程軌跡，再?zèng)]有考慮半徑補(bǔ)償時(shí)，切削后的結(jié)果如灰色區(qū)域所示，可以看出產(chǎn)生了較大的誤差。然而，在帶有補(bǔ)償功能的數(shù)控系統(tǒng)中，使用了G42的補(bǔ)償指令后，依然按照要求的編程軌跡進(jìn)行編程，這可以加工出與要求完全一致的實(shí)際輪廓，不會(huì)產(chǎn)生加工誤差，如圖2（c）（d）所示。

4.利用KELLER數(shù)控仿真軟件進(jìn)行手工編程教學(xué)。G71外圓粗車循環(huán)指令就是數(shù)控車床上經(jīng)常使用的復(fù)合循環(huán)指令之一，適用于多次走刀才能完成的內(nèi)外圓柱面、圓錐面的加工[7，8]。雖然G71指令功能強(qiáng)大，能夠簡化編程，但是在使用過程中，特別是在教學(xué)過程中，對(duì)于G71的復(fù)雜的走刀路線（和指令參數(shù)的含義，學(xué)生很難理解。此時(shí)，利用KELLER軟件的PALpuls模塊、控制系統(tǒng)模塊，可以在實(shí)現(xiàn)G71編程以后進(jìn)行二維及三維模擬（如圖3所示），可以清晰直觀地理解G71要指令的格式與使用要求，很好地完成車削加工關(guān)鍵指令的教學(xué)工作。

5.利用KELLER數(shù)控仿真軟件進(jìn)行CAD/CAM教學(xué)。由于交互式圖形編程具有速度快、精度高、直觀性好、使用簡便、便于檢查和修改等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前國內(nèi)外先進(jìn)的CAD/CAM軟件所普遍采用的數(shù)控編程方法。交互式圖形編程的實(shí)現(xiàn)是以CAD技術(shù)為前提的。目前，絕大多數(shù)的數(shù)控編程軟件同時(shí)具備CAD的功能，因而CAD/CAM編程也是數(shù)控編程教學(xué)中一個(gè)不可或缺的部分。

利用KELLER軟件的CAD/CAM模塊中的幾何\\工作計(jì)劃\\模擬器子模塊功能，首先利用幾何模塊中的相關(guān)工具建立被加工件的幾何圖形，建立被加工件的工作計(jì)劃，如圖5（a），工作計(jì)劃建立以后，可以利用仿真功能模擬演示其加工過程，如圖4（b）所示，最后確認(rèn)加工無誤以后就可以生成滿足要求的數(shù)控代碼如圖4（c）。通過以上的工作學(xué)生可以直觀地學(xué)習(xí)CAD/CAM數(shù)控編程技術(shù)，較好地掌握交互圖形編程方法。

三、教學(xué)效果

1.提高了數(shù)控編程課程的教學(xué)質(zhì)量。數(shù)控仿真教學(xué)軟件的使用，摒棄了原有的空洞的理論教學(xué)，而是將多媒體和仿真軟件靈活運(yùn)用到教學(xué)過程中，使教學(xué)過程具有互動(dòng)性。數(shù)控仿真模擬了真實(shí)機(jī)床加工條件與加工過程，在對(duì)學(xué)生進(jìn)行演示加工的過程中，把書本中抽象、籠統(tǒng)的理論轉(zhuǎn)化為形象、具體的印象。學(xué)生在自己動(dòng)手進(jìn)行仿真編程的過程中自然而然地學(xué)習(xí)到了書本上的相關(guān)知識(shí)，也加深了對(duì)知識(shí)要點(diǎn)的理解，主動(dòng)性與積極性大大提高，取得更好的教學(xué)效果。

2.有效降低了教學(xué)成本，提高了效率和安全性。利用虛擬機(jī)床代替實(shí)際機(jī)床，彌補(bǔ)了設(shè)備和師資的不足，仿真軟件的教學(xué)方法，糾正了原有的“吃大鍋飯”的課堂“填壓式”的教學(xué)方法的弊端，讓學(xué)生通過操作訓(xùn)練，達(dá)到一對(duì)一、手把手的教學(xué)效果，既保證了學(xué)生用最快的時(shí)間學(xué)會(huì)所要掌握的知識(shí)，提高了學(xué)習(xí)效率，同時(shí)又能有效地避免初學(xué)者直接上機(jī)床進(jìn)行操作可能出現(xiàn)的各種錯(cuò)誤現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生對(duì)基本數(shù)控編程知識(shí)的迅速掌握。

由于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種創(chuàng)新的數(shù)控機(jī)床、種類繁多的數(shù)控加工刀具、加工工藝與加工方法，而與之相適應(yīng)的數(shù)控技術(shù)與編程課程的教學(xué)，往往受到了有限的資金投入和設(shè)備投入的限制。所以以現(xiàn)有的有限教學(xué)資源為基礎(chǔ)，在不增加硬件設(shè)備的前提下，充分利用Keller仿真軟件的進(jìn)行輔助教學(xué)，必將對(duì)數(shù)控加工與數(shù)控編程等課程的教學(xué)起到更大的推動(dòng)作用。

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