虛擬仿真技術在數控專業中的應用分析

莫水軍

摘 要：本文就虛擬仿真技術在數控專業中的應用進行分析。虛擬仿真技術有效地彌補了傳統教學的不足。借助虛擬仿真系統，既可以完成復雜理論的教學，使抽象、難懂的理論變得具體、形象，更可以應用于實操教學，使實操教學適當地擺脫對機床設備的依賴，拓展教學的時間和空間，讓學生更容易掌握實操技能。

關鍵詞：虛擬仿真技術 數控 應用

數控專業綜合性和實踐性強，涉及機床結構、編程與操作、數控原理等課程，涵蓋了計算機技術、電力電子技術、自動控制技術、精密機械等多種學科。數控系統種類繁多，規格也各不相同。學校的設備一般受場地和資金所限，種類不多，學生實操的時間較短，知識一般較片面，對全面掌握相關的操作技能有較大的影響。近年以來，虛擬仿真技術獲得了較快的發展，出現了各種各樣與數控教學需求對接的虛擬仿真系統，恰當地選擇和應用這些虛擬仿真系統，可以較好地解決數控專業教學工作中存在的各種問題，收到較為理想的教學效果。

一、虛擬仿真系統的作用

具體到數控來說，就是利用計算機圖形技術、網絡技術、人工智能等數控設備的工作環境和工作過程。目前，世界各國都在加工過仿真方面做出了各種努力，如美國的馬里蘭大學開發出了虛擬數控機床仿真器來對數控操作人員進行培訓；同濟大學和清華大學也開發出了國產的數控加工仿真動畫系統。將虛擬仿真技術應用于數控專業當中，主要具有以下作用。

一是真實顯示三維數控機床和操作面板，在虛擬仿真系統當中，可以真實地模擬出零件加工過程，通過三維動畫展示切削詳細場景。在該環境當中，可以完成基準對刀、手動對刀和零件切削操作，可以利用千分尺、卡尺等完成測量操作，甚至還可以根據零件圖紙進行手工編程或CAD/CAM設計。

二是涵蓋各類常見的數控操作系統，可以滿足日常教學和適應不同數控系統的學習需要。

三是在虛擬仿真系統當中，可以完成回參考點、點動、快速移動、手動輸入、編程、程序輸入、進給倍率調節、模式選擇等?？梢哉f只要是實際機床上需要進行的操作，都可以在虛擬仿真系統當中實現。

四是在虛擬仿真系統當中，用戶可以自由選擇機床規格，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庸ず蟮某善焚|量進行檢測，加工完成之后，用戶可以完成工件的三維測量，并檢測零件表面的粗糙度，實現切削參數的驗證。

當然，以上作用并不能在單一的系統當中全部達到，實際應用過程中需要靈活地進行選擇和使用。整體來看，這些虛擬仿真系統都屬于幾何范疇的仿真，刀具和零件都被當成了剛體處理，沒有考慮切削參數、切削力等物理因素的影響，單純翻譯的數控程序、刀具位置數據和刀架運動，沒有實現真正的物理仿真。

二、虛擬仿真系統在數控教學中的應用

1.在理論教學中的應用

數控指令格式是嚴謹的，通過ISO代碼所定義出來的軌跡與日常的感性認識并不相同，這給記憶造成了困難，借助虛擬仿真系統則可以將兩者的不同真實地表現出來。如在FANUC OI系統當中，G02（G03）指令的功能就是使刀具沿圓弧從起點移動到終點，其中G02是順時針插補，而G03是逆時針插補。由于插補時需要涉及兩個方向、三個平面和多個參數，學生難以記清楚。借助虛擬仿真軟件CIMCOEdit輸入相關的程序代碼，而后執行模擬功能，就可以在虛擬仿真窗口里直接看到刀具的運行情況，更改參數值還可以看到軌跡的變化，這將有助于學生正確理解編程之后刀具的運行軌跡，并能使學生通過該程序不斷修正自己的程序設計，迅速提高手工編程能力。

2.在軟件編程中的應用

CAD/CAM軟件和自動編程是數控專業的基本技能之一，也是重要的教學內容。UG、PRO/e、CAXA等軟件可以實現CAD/CAM的功能，其中的CAM模塊還具有刀位點的計算、軌跡編輯、工藝文檔生成等諸多功能，適用于各種復雜零件的粗、精加工。借助該軟件，操作者可以按照加工表面形狀、零件結構和加工精度要求，合理地選擇加工類型。操作中，可以根據需要在圖形方式下完成刀具路徑的編輯和演示，對運動軌跡進行分析，模擬零件的真實加工過程，檢測參數設置的準確性。

3.在實操教學中的應用

數控專業是典型的應用類專業，具有明顯的崗位需求和職業能力需求特色，重視實踐技能的訓練。目前，越來越多的學校加大了數控設備的購置力度，校內實訓條件有了較好的改善，但仍遠遠不能滿足教學和實踐的需要，實際教學中仍然需要“黑板上開機床，練習本上學編程”，學生的學習重理論而輕實踐的現象沒有得到根本上的改變，一旦上機操作危險性可想而知。由于學校數控機床數量少，實訓時一名教師往往需要同時指導十多名學生進行操作，實訓車間內環境嘈雜，如此多的學生圍著同一臺機床觀摩學習，有的學生根本就看不到老師如何操作的，其教學效果可想而知了。與普通機床相比，數控機床的結構更為復雜和緊湊，過多的學生同時圍繞同一臺機床觀摩，必然難以清楚地看到機床的工作機構和工作狀態。在真正上機操作之前，借助虛擬住址系統，在計算機上完成模擬操作可以使技能訓練達到事半而功倍的教學效果。現在國內已經出現了大量的數控加工仿真教學軟件，如宇龍、宇航、斯沃等等。這些教學軟件可以完成數控機床操作的全過程仿真呈現。

三、虛擬仿真實操具有三大優勢

1.成本低

購置一臺教學用的數控銑床價格為10萬元人民幣左右，兩臺機床所需要的費用就可以裝配一個標準較高的、擁有40臺高配電腦的新機房。基本上可以實現一人一機，保證學生都能熟悉設備，都有充足的時間來運行機床。由于一套仿真軟件當中就包含了多種數控系統，教學時教師可以根據需要選擇授課所需系統，學生則可以通過自學掌握其他的數控系統，有助于學生的自主探究能力、實踐能力和創新能力的提高。

2.效果好

受實訓空間限制，在操作真實機床時，學生難以觀察到老師操作的細節過程，如如何對刀、如何設置工件坐標系等，在手輪模式、手動模式、增量模式的講解過程中還要涉及試切、尋邊器的使用等很多內容，知識點多且細碎，一定程度上影響了學生的學習效果，難以完成獨立操作。使用虛擬仿真系統進行實操教學，既可以通過多媒體教室，使學生在自己的電腦上觀看老師的操作過程，也可以將整個過程錄制下來通過大屏幕播放，所有的學生都能清楚地看到詳細的操作。在學生進行練習時，教師也可以通過自己的電腦監控學生的操作細節，實時了解學生的掌握情況，實時地給予反饋和指導。

3.安全性好

從實踐來看，真實的數控操作對學生的操作技巧和熟練程度都有很高的要求，否則就容易出現安全事故。而虛擬仿真系統則大不相同，遇有操作失誤，系統會及時報警，并提示錯誤的位置，這就可以避免安全事故的發生，有效地保障學生的人身安全。當學生在虛擬仿真系統當中經過重復練習，達到一定的熟練程度之后，再進行真實的機床操作，就會減少錯誤的發生，更好地保證學生的人身安全和設備安全。

綜合運用好虛擬仿真系統，增強學生的學習自主性，再結合數控機床的系統實操訓練，更便于學生理解和掌握，更容易更安全地掌握機床的各項操作技能，大膽地進行實踐探索和實踐創新。這些都將為培養實用型、創新型人才提供保障。

參考文獻：

[1]孫慧.宇龍數控虛擬仿真在SIEMENS810D銑削系統中的應用[J].包頭職業技術學院學報，2014，（15）.

[2]周文.虛擬仿真技術在中職數控教學中的應用[J].計算機光盤軟件與應用，2013（8）.

（作者單位：茂名技師學院）endprint