數控插補仿真軟件在《數控技術》課程中的應用研究

張佳麗，高鵬，劉海平，高虹霓，王慶力，文桃

（空軍工程大學防空反導學院，陜西 西安 710051）

制造業是體現一個國家綜合國力的重要的基礎性產業，是經濟社會可持續發展的牽引和支撐。隨著科學技術的日新月異的發展，新工業革命即將到來，面臨科學技術飛速發展，2015年我國再次從國家戰略規劃的高度發布了《中國制造2025》，將制造業的高度提高到了“立國之本、興國之器、強國之基”的高度。數控技術是先進制造業的基礎，同時也是制造業實現自動化的基礎技術，同時數控機床作為制造業的工作母機，其核心技術和原理尤其重要，其中高端的數控機床是國家戰略級高端裝備。數控技術課程是一門講授數控技術的原理、數控機床的編程與操作的課程。主要培養學生掌握數控技術的基本原理和基本知識，掌握機電液一體化技術的能力，以及在數控加工工程實際中的分析問題和解決問題的能力。數控機床的加工控制原理-插補原理是本課程的重點和難點內容。斯沃數控插補仿真軟件是一款插補運算仿真器，主要用于學習數控機床的插補原理，以圖形化的界面和交互式方式使學生更容易理解各種數控插補的原理和插補的過程。該軟件的主要功能有：多種類型插補、軌跡輪廓顯示、步進顯示的功能、連續插補的功能、暫停、繼續顯示的的功能、圖形縮放的功能。

1 課程教學現存問題

插補原理作為《數控技術》這門課的核心內容和重點內容，同時也本課程的難點內容，教學內容比較抽象，學生難以形成直觀印象，對插補的過程不容易理解和把握。

插補作為數控技術的核心技術，插補運算具有周期性和實時性，其運算速度和精度直接影響數控系統的性能指標，在數控加工中，一般已知運動軌跡的起點坐標、終點坐標和線型，CNC裝置根據這些信息，實時地計算出各個中間點的坐標，通常把這個過程稱為“插補”。然后機床伺服系統根據此坐標值控制各坐標軸的協調運動，走出預定軌跡。插補算法可以用硬件或者軟件來完成。數控技術中常用的插補算法可以歸納為基準脈沖插補和數據采樣插補。其中基準脈沖插補中應用最廣泛的是逐點比較法。

插補原理傳統的課堂講解采用多媒體課件講解為主，板書講解為輔。這種教學方式學生很難理解此部分內容。同時內容講解也比較枯燥、無味。

2 插補仿真系統的應用

本文以基準脈沖插補中的逐點比較法逆時針圓弧插補（第一象限）為例，通過斯沃數控插補仿真軟件可以模擬插補的過程。通過仿真軟件的模擬控制，學生對插補的一步一步過程也容易理解。

2.1 理論講解

通過多沒媒體課件講解逐點比較法的定義，引入偏差判別式F，通過F和零的關系，判斷當前點和圓弧的相對位置關系（第一象限順時針圓?。?，決定下一步的插補方向。一步一步從起點插補到終點?？偨Y出插補的總過程：偏差判別-坐標進給-偏差計算-終點判別。重復這四個步驟，直至到達終點。

第一象限講解結束，在推廣到其余三個象限順時針以及逆時針圓弧。不管第幾象限，插補的過程不變，只是偏差判別函數變化和插補進給方向變化。

2.2 軟件仿真

插補的過程講解后，通過數控插補仿真系統，可以更生動、直觀的觀察每一步插補的脈沖方向，以及從起點到終點的全過程。現在以第一象限順時針圓弧，起點（5，0），終點（0，5），采用逐點比較法插補該圓弧。打開數控插補仿真系統，如圖1所示。該軟件同時提供了插補過程的動態圖形顯示、插補算法以及插補的計算過程。

圖1 數控插補仿真系統界面

選擇逐點比較法，此軟件提供了多種的插補方法，可以根據自己的需要進行選擇。如圖2所示。

圖2 插補方式的選擇

在對應得坐標中填寫起點和終點的坐標。選擇G02順時針圓弧插補，（G03逆時針圓弧插補），如圖3所示。

圖3 插補坐標值的輸入

該軟件顯示不同的象限，圓弧還有順時針和逆時針區別，插補時偏差判別式F以及插補的方向。如圖4所示。

圖4 插補的規則

點擊圖5中“步進”選項，插補會顯示一步一步進行，點擊連續插補，全部顯示所有的插補步驟。在插補過程中隨時可以暫停和繼續。同時此軟件還提供清屏、視圖復位、軌跡輪廓、精度有效、放大、縮小等模式。在使用過程中，可以根據實際情況，進行選擇操作。

圖5 插補的過程顯示

在軟件中插補的圖形顯示區域，同學們可以直觀的看到從起點到終點，插補過程一步一步，始終逼近目標圓弧，如圖6所示。整個過程動態可視。

圖6 插補的圖形顯示軌跡

該軟件不僅可以實現單象限直線和圓弧的插補的插補，還可以跨象限實現直線和圓弧的插補，所有的四個象限的插補過程均可以直觀的演示給學生，如圖7所示。

圖7 跨象限圓弧的插補

2.3 效果分析

在講解數控機床的加工控制原理采用插補仿真軟件這種教學手段已經在課堂上應用兩次教學，在每次教學結束，和學生開教學聯系會，對教學效果進行調查分析。大部分學生對仿真軟件表示贊同，認為可以活躍課堂氣氛、體驗新的課堂教學手段，講解內容生動直觀、更容易理解所講授的內容。

3 結語

插補原理是數控機床加工控制原理的核心，是課程的重點和難點內容，采用傳統的多媒體講解，學生會感覺內容單一、枯燥、不直觀、不易理解。采用數控插補仿真軟件輔助課堂教學，增強了教學內容的實踐性和交互性，學生可以深刻體會插補的流程以及插補的原理，更直觀感受機床的加工控制過程。同時活躍了課堂氛圍，提高了學生的學習積極性，取得了良好的課堂效果。