計算機仿真技術在數控車削教學中的應用

張子良

隨著我國經濟的飛速發展，我國制造業裝備的自動化水平在不斷提高，數控機床的擁有量及在機床中所占的比重大幅度地增加。如何有效地發揮數控機床的使用效率、提高加工質量一直是人們追求的目標。在進行零件數控加工過程中，零件本身的可加工性和數控程序的質量是影響零件加工質量的關鍵因素。數控程序投入實際加工之前，都必須進行有效的檢驗。檢驗數控程序的方法主要有手工檢驗、試切檢驗、軌跡顯示和計算機仿真等。其中計算機仿真是近年來發展較快，也是最行之有效的方法。數控車削是數控技術專業的核心課程之一，近年在高職院校多被設計為工作過程系統化課程。教學一般在車間進行，教學過程盡可能模擬企業實際加工過程，學生在完成工作任務過程中領會知識，掌握技能。

學生利用在計算機上模擬加工環境和數控加工的過程，完成NC程序的校驗，發現干涉（主要是刀具與工件之間）和過切現象，修改NC程序，通過實際參與，彌補課堂教學的不足。另外，此系統也可用于生產實際。減少加工失誤、返工，縮短研制周期，節約資金，提高產品質量和生產效率。這種教學模式實現了教、學、做一體化，能很好地激發學生的學習興趣，深受廣大師生歡迎。但在實際操作過程中，受限于實訓條件，也會遇到一些具體問題，例如：機床數目不足；學生占機時間長、效率低；初學者經常發生撞刀等低級錯誤事件；機型和系統單一，難以拓寬學生眼界等。

通過使用數控仿真軟件，我們基本上解決了這些問題，并作出一些有益探索。

一、數控仿真軟件的優缺點

模擬仿真技術是用物理模型或數學模型來代替真實系統進行實驗和研究的一種技術。數控加工仿真就是采用計算機圖形學的手段，在電腦上通過軟件界面對加工走刀和零件切削過程進行模擬，它可以模擬機床設備的加工情況和實際加工環境，具有豐富的刀具材料庫，能實現對機床的全過程操作，能實現人機交互。現在為止，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幾個主要階段，在教學中的應用已經越來越成熟。

數控仿真軟件的優缺點如下：

優點一：成本低。一臺計算機不過3000—5000元，而一臺數控車床則需要幾萬、幾十萬元。使用計算機仿真技術，可以使所有學生同時獲得上機機會，從而解決機床不足的問題而導致專業教學達不到應有教學效果的問題。

優點二：可仿真機型和系統多，以斯沃6.2為例，提供了幾十種機床，涵蓋simens、fanuc、廣數、華中等多個系統。學生可以對比訓練，也可以專門練習某種系統。熟悉更多的機床系統有利于他們今后迅速適應崗位工作。

優點三：安全性高。學生在仿真軟件下編程和操作，其錯誤最大的危害不過是出現錯誤提示；如果在機床上，一些低級錯誤則可能引發事故。模擬仿真技術有利于指導教師教學，使理論教學與實踐教學融為一體，實現學中做，做中學，讓兩個實施教學的教師互相交流，互相配合，減少了以往理論講授與實際工作存在的誤差。

盡管優點眾多，但仿真軟件畢竟不是真正的機床，學生在仿真軟件上是無法獲得真實操作經驗的，因此它只能作為輔助手段。

二、使用仿真軟件的時機

對于數控車削加工而言，加工仿真系統要完成以下幾項任務：刀具軌跡仿真、切削加工仿真、干涉檢查和提交仿真報告。刀具數據庫是系統的另一個重要組成部分。它是仿真系統的后勤保障。它容納大量的刀具數據并且做到有效的管理。刀具數據管理包括數據的輸入、刪除、瀏覽、查找等。 車刀對零件的加工主要涉及圓柱面、圓錐面、球面、螺紋、端面、切槽、切斷等表面的加工。無論加工什么樣的零件一律是工件做回轉運動（即主運動）：而刀具做直線、圓弧或其他軌跡的運動（即進給運動）。在數控加工程序中這些運動可以通過簡單的G01、G02、G03等指令完成。由于仿真系統是對NC程序在PC機中的模擬，在仿真中為了能夠在PC機屏幕上動態顯示刀具的運動軌跡或切削過程，就必須將數控程序指令翻譯過來。完成對NC程序進行語法分析，坐標轉換等工作，其過程如下：

仿真過程要對數控程序進行處理使之成為一個NC坐標信息文件。該文件是對NC程序進行語法分析與坐標變換的結果。數控程序由CAD/CAPP/CAM集成系統自動產生或人工鍵盤輸入。

a：一是NC坐標文件解釋程序從NC坐標信息文件中讀取刀具信息并從刀具庫文件中讀取相應的刀具信息。二是NC坐標文件解釋程序從NC坐標信息文件中讀取刀具運動指令及坐標信息，并調用相應的加工仿真算法使之可以完成對刀具的運動軌跡仿真、切削加工仿真及干涉檢查。

b：生成仿真報告，提交給數控機床操作人員做分析。

從學生訓練階段看，一般可分為基本操作訓練階段、典型零件加工訓練階段和復雜零件編程能力強化階段。

在基本操作階段，學生需要見到并親手操作真實機床，以強化感性認識，鍛煉工件裝夾、回零、對刀、輸入等基本操作能力。此階段不宜使用仿真軟件，而必須在真實的機床上進行示范模仿，否則，學生如看鏡花水月，難以形成真實的感性認識和操作體驗。

在典型零件加工階段，教學過程一般為出示任務、任務分析、制訂工藝卡、編程、操作加工、檢驗評價、提升訓練和知識梳理8個環節。環節1中教師出示的任務，一般應采取分組合作方式，直接在機床上作出；而環節7提升訓練環節中一般包含3-5個任務，應該要求學生首先在計算機仿真軟件中作出，然后再拿到機床上實際加工驗證。

在復雜零件編程能力強化階段，經過一二兩個階段訓練，學生已經能夠熟練操作機床，此時需要提升的重點是工藝分析與編程能力。此階段基本不再使用真實機床，而直接用計算機進行模擬。

實際上，考試也可引入仿真軟件。使用仿真軟件可以快速判定學生成績，減少閱卷工作量。在第二和第三階段經常采用。但是，不宜過分提倡使用這種方式，因為考試實際上是對學生崗位工作能力的判定，有條件時，應創造更為真實的工作環境。因此這種考試只適用于平時測驗，一般不能用于期末考試和畢業設計。

三、使用仿真軟件時教師和學生的角色

在任務分析環節，教師可通過大屏幕向全體學生播放加工過程，并隨時講解。這樣做可使抽象的指令以更形象的方式展現，易于接受。例如，講解G02圓弧與G03圓弧走刀時，教師可編制較短程序，在屏幕上進行演示。這種方式下，教師是傳統的講解角色，學生是被動接受者。

盡管可作為演示和示范用，但引入仿真軟件的根本目的，卻在于加強學生的主體性。只有讓學生用起來，才能真正增強他們實際的工藝分析和編程能力。因此，在第三階段，數控工藝和編程的課程一般應在微機室上課。教師邊講解，學生邊練習；或教師設計項目，學生通過仿真加工完成。

總之，軟件仿真是數控車削課程教學中的重要手段，可以解決許多問題。而要用好仿真軟件，則一要注意時機的選擇，二要調整好師生角色。運用計算機仿真系統是解決數控車削教學的重要途徑。它既能解決學生實習時不熟悉數控系統操作及控制面板的問題，又可以大大提高學生的學習興趣，還能提高學生的編程能力及對不同數控系統不同數控機床的適應能力，是一種有效地進行數控車削前期教學的一種良好嘗試，也是進行數控機床專業職業技能考核的一種有效的手段。

［1］李大國，郭翠.關于技校數控專業教學改革的探討［J］.科技風，2009.

［2］楊小云.中職數控技術應用教學探索［J］.職業技術，2007.