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数控加工仿真系统原理及其在教学中的应用
郑州轻工业学院轻工职业学院 李宏兵 隋丽慧
摘 要：本文针对当今出现的数控加工仿真软件、数控加工教学和培训的要求、以及数控机床实训环节易出事故、机床损耗严重、费用高等特点，论述了数控加工仿真系统的原理、作用、功能，以及在数控教学中，如何有效地使用数控加工仿真系统软件，对学生、学员进行数控机床的基本操作培训，以达到多、快、好、省的目的。
关键词：数控机床 数控加工 虚拟现实 仿真系统
0 引言
随着我国高等职业教育的飞速发展，以及数控加工技术在机械制造业中的广泛应用，大批数控机床操作人员的专业培训成为迫切而又难以解决的问题。在传统的操作培训中，数控机床编程与操作的有效培训必须在真实的机床上进行。可是随着学生人数的不断增加，有限的机床数量难以保证每位学生有足够的上机操作时间，同时学生在真实机床上操作还具有一定的危险和不安全性，培训中的误操作经常会导致设备、刀具等的损坏，甚至引发人身伤害事故，增加了培训成本。因此，传统的机床操作培训方法效率低、教师工作量大、培训费用高，需要用更新的方法来取代。
1 虚拟现实技术
虚拟现实，英文名为Virtual Reality，简称VR技术。这一名词是由美国VPL公司创建人拉尼尔（Jaron Lanier）在80年代初提出的，也称灵境技术或人工环境。作为一项尖端科技，虚拟现实集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机生成的高技术模拟系统，它最早源于美国军方的作战模拟系统，九十年代初逐渐为各界所关注并且在商业领域得到了进一步的发展。这种技术的特点在于通过计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是由计算机图形构成的三维数字模型，并编制到计算机中去生成一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉的综合可感知的人工环境，从而使得在视觉上产生一种沉浸于这个环境的感觉，可以直接观察、操作、触摸、检测周围环境及事物的内在变化，并能与之发生“交互”作用，使人和计算机很好地“融为一体”，给人一种“身临其境”的感觉。
虚拟现实是发展到一定水平上的计算机技术与思维科学相结合的产物，它的出现为人类认识世界开辟了一条新途径。虚拟现实的最大特点是：用户可以用自然方式与虚拟环境进行交互操作，改变了过去人类除了亲身经历，就只能间接了解环境的模式，从而有效的扩展了自己的认知手段和领域。另外，虚拟现实不仅仅是一个演示媒体，而且还是一个设计工具，它以视觉形式产生一个适人化的多维信息空间，为我们创建和体验虚拟世界提供了有利的支持。由于虚拟现实技术的实时三维空间表现能力、人机交互式的操作环境以及给人带来的身临其境的感受，它在军事和航天领域的模拟和训练中起到了举足轻重的作用。近年来，随着计算机硬件软件技术的发展以及人们越来越认识到它的重要作用，虚拟技术在各行各业都得到了不同程度的发展，并且越来越显示出广阔的应用前景。
虚拟现实技术在改造传统产业上的价值体现于：用于产品设计与制造，可以降低成本，避免新产品开发的风险；用于产品演示，可借多媒体效果吸引客户、争取订单；用于培训，可用“虚拟设备”来增加员工的操作熟练程度。虚拟现实技术将使众多传统行业和产业发生革命性的改变。
2 数控加工仿真系统
随着虚拟现实技术及计算机技术的发展，出现了可以模拟实际机床加工环境及其工作状态的计算机仿真加工系统，它是一个应用虚拟现实技术于数控加工操作技能培训的仿真软件。利用计算机仿真培训系统进行学习和培训，不仅可以迅速提高被培训人员的理论、操作水平，而且非常安全，可靠好，培训费用低。
目前在国内已经有一些高等院校将计算机仿真运用于数控操作人才培训的教学之中，也出现了各种数控加工仿真教学系统，如上海宇龙、北京斐克、南京宇航、广州超软、武汉金银花等不同的数控加工仿真软件。上述这些教学系统既能单机系统独立运行，又能实现在线运行。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通过三维动画演示。实践证明，用这种方式进行初步培训是非常经济有效的。在线运行即机床工作方式，在这种方式下，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。即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，操作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，采取这种方法能进一步提高操作者的实际操作技能。
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虚拟制造技术中的一个重要的执行单元。它不仅在数控加工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，为被培训人员提供了完善的学习方法和学习环境。数控仿真系统完全模拟真实零件的加工过程，可以检验各种数控指令是否正确，能提供与真实机床完全相同的操作面板，其调试、编辑、修改和跟踪执行等功能也一应俱全。
3 虚拟数控机床平台的构建
虚拟数控机床一般是通过以下的构建平台来实现上述功能：
（1）NC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代码的语法是否正确。
（3）刀具库。刀具库应包括一台数控机床所需要的所有刀具，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及切削加工的要求。
（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代码来将其优化。
（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虚拟制造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、通用接口的可重复使用的软件。
（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，初学数控编程者需要大量的编程练习，并进行实际调试。用试切法来检验数控加工程序显然不合理，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。
4 数控仿真系统功能及在教学中的应用
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，虚拟数控机床具有以下的功能和特点：
虚拟数控机床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，并与真实机床有完全相同的界面风格和对应功能，如动态旋转、缩放、移动等功能的实时交互操作，从而为学员的学习和培训提供保证。
机床操作全过程仿真。仿真机床操作的整个过程：毛坯定义，工件装夹，压板安装，基准对刀，安装刀具，机床手动操作。
丰富多样的刀具库。系统采用数据库统一管理的刀具材料、特性参数库，含数百种不同材料、类型和形状的车刀、铣刀，同时还支持用户自定义刀具及相关特性参数。
全面的碰撞检测。手动、自动加工等模式下的实时碰撞检测，包括刀炳刀具与夹具、压板、刀具，机床行程越界，主轴不转时刀柄刀具与工件等的碰撞。出错时会有报警或提示，从而防止了误操作的发生。
强大的测量功能。可实现基于刀具切削参数零件粗糙度的测量，能够对仿真软件上加工完成后的工件进行完全自动的、智能化的测量。
具有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，又能观察它的各种运行参数，并能将其他CAD／CAM软件，如UG、Pro/E、Mastercam等产生的三维设计后置处理的NC程序，直接调入加工。
实用灵活的考试系统。可用于远程网络学习、作业、考试等功能，并实现答卷保存、自动评分、成绩查询和分析等功能，轻松实现无纸化的考核与测评。
虚拟数控机床强大的网络功能，可实现远程教育。不仅在局域网上具有双向互动的教学功能，还具有基于互联网进行双向互动的远程教学功能，数据传送可以采用卫星、宽带（ADSL,ISDN,有线CABLE等）或窄带互联网（56K Modem）等方式进行。这使得远程教学成为名副其实，它代表未来教育的发展方向。
4 结束语
鉴于虚拟数控机床具备如此出众的功能，针对目前各院校数控教学课程和参加数控实习学生人数不断增加的现实，以及数控机床精密、昂贵的特点，把数控加工仿真系统软件引入到教学之中，使之用于数控机床编程与操作培训，无疑是个明智之举。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现场感和真实感。同时由于其成本较低，可以大量地配置终端，彻底解决了数控机床数量不足的难题，使每位学员都能有足够多的实践机会，因此能够让学生更快地熟悉和了解数控加工的工作过程，掌握各种数控机床的操作方法。其更大的好处还在于，在实现了同样培训效果的情况下，将加工出错率及事故发生率降低到了最低程度。
从我院使用后的效果看，数控仿真系统的引入，使学生在学习数控编程理论时，课堂的教学变得更加生动、更加具体，提高学生的学习兴趣，教学效果明显得到提高。在学习实际操作时，由于仿真软件不存在安全问题，这使得学生可以大胆地、独立地进行学习和练习，并能自我检测加工零件几何形状的精度，对学生机床操作能力的培养，起到了极大的提高、加强作用。同时该系统还可以减轻老师的工作强度，减少工件材料和能源的消耗，节约了实践环节的培训成本，效果十分显著。相信不久的将来，它必将成为数控教学中一种不可或缺的重要手段。
参 考 文 献：
1．曾小惠，吴明华，潘铁虹．在线数控加工仿真教学系统的实现，1998
2．余勤科，岳应娟，刘宏．虚拟数控机床技术及其应用，2000
3．王晓楠，王仲海．虚拟现实技术及其应用，2002
4. 袁修干，人机工程计算机仿真 2005
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