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数控仿真实验平台在实习教学中的应用
作者：刘敬露 柏 杨
关键词：模拟仿真；数控教学；实验平台；数控实习
数控技术是现代机械制造业的核心技术，数控实习教学质量直接影响数控技术的普及和发展。目前，数控实习教学中普遍存在两个问题：（1）参加数控实验和培训的学员大多来自大专、中专、技工类学校以及普通机加工工人，其文化素质、实际操作能力参差不齐。（2）在数控教学中常常会因为数控设备数量有限使得学生没有足够时间实际操作，致使教学效果欠佳。计算机模拟仿真技术是应用计算机技术及仿真软件对数控机床整个操作加工过程进行模拟操作的一门新技术。针对上述两个问题采用模拟仿真辅助数控实习教学，能够使学生较快地掌握专业知识及操作技能，让实习教学效果事半功倍。
数控实习教学特点分析
数控技术是指利用数字信息实现对机床运动的控制。数控加工是将加工数据和工艺参数输入到机床，机床的控制系统对输入信息进行运算与控制，并不断向直接指挥机床运动的机电功能转换部件——机床伺服机构发送脉冲信号，伺服机构对脉冲信号进行转换与放大处理，然后由传动机构驱动机床，从而加工零件。所以，数控加工的关键是加工数据和工艺参数的获取，即数控编程。因此，数控编程就成为数控实习教学中的重点内容。
由于数控加工产品的精度取决于加工工艺过程及加工之前的数控编程，所以，在数控编程教学中要重点强调两方面内容：一是加工工艺路线对零件精度的重要性；二是如何通过程序实现工艺优化以及保证加工精度。综合以上分析，数控实习教学具有以下特点：（1）实践性较强。仅仅依赖书本上的理论知识不能获得加工技巧，只有通过不断地实践操作，才能形成正确的工艺思维，获得加工技巧。但数控设备较普通加工设备价格昂贵，许多学校存在数控设备不足的问题，使学生无法进行大量的实践操作练习。（2）知识抽象。一方面，数控编程过程中，学生对因程序值改变而引起的刀具轨迹变动的理解需要一定的空间想象能力，二维空间以上的刀具加工轨迹的生成及其校验很难予以描述；另一方面，数控编程指令繁多，格式形式多样，要求学生不仅具备一定空间想象能力，还要有一定的逻辑思维能力。
基于仿真系统的数控实验平台
（一）数控仿真系统简介
计算机网络的进一步发展与应用，为数控模拟仿真软件的开发创造了有利条件。根据各种数控仿真系统面向的对象及其风格等特点，大体上可以分为两大类：一类是专业的应用于数控加工教学的仿真系统，如德国的Dialog系统、英国的Danford系统、华中数控教学培训系统和广州超软数控仿真系统等。这些仿真系统的共同特点是：以数控加工的初学者为对象，具有强大的数控知识呈现功能，具有用于辅助教学的各种模块设置（如编程及模拟模块、考试管理模块、实时教学帮助等）。另一类是主要面向制造企业实际加工并兼有仿真能力的系统，包括国外的几个大型CAD/CAM系统：Pro/Engineer、MasterCAM、Camitron、UG Ⅱ等，它们的实际加工能力突出，能提供刀具路径检查校验、切削过程仿真及录像等功能，应用于教学上主要适用于中、高级数控加工从业人员的进一步深入学习。总体上看，数控仿真软件的发展经历了平面图形仿真、立体图形仿真以及虚拟机床仿真切削三个主要阶段。最初的仿真系统只能模拟刀具平面轨迹，显示刀具的二维线条路径；在立体图形仿真阶段，系统能显示立体的刀心轨迹、刀具实体图、工件，仿真软件能提供刀具及毛坯的三维立体形状及刀具路径；在现阶段，仿真软件能提供刀具及毛坯的3Ｄ实体图形，并且机床可在数控指令下关联运动，实现完全意义上的仿真。
目前，国内发展成熟的数控模拟仿真软件基本具备以下特点：（1）支持FANUC、SIEMENS、华中数控等多种系统，包括数控车床、数控铣床、加工中心的仿真面板，可以进行手动编程，并可立即进行加工仿真。（2）可以读取CAD/CAM软件生成的G代码，并进行仿真。（3）支持远程教学，可以记录学生的操作过程，提供合理科学的成绩评判信息。
（二）基于仿真系统的数控实验平台
数控实习教学的对象大部分是数控加工的初学者，对于这部分学生的教学，主要让他们学会如何将适合零件加工的工艺过程转化为正确有效的数控加工程序。在这个阶段中，学生编写的加工程序一般不会太复杂，多为数控车削加工程序以及简单的数控铣削加工程序，采用手动编程便可完成。仿真实验平台要求具备模拟仿真数控系统以及虚拟机床加工系统即可，便于学生在模拟情况下进行大量的数控编程和加工操作练习。
此外，实习教学对象也包括少数具备一定数控加工知识，希望进一步深入学习和提高的学生。对于这部分学生的教学就可能涉及复杂零件加工程序的编写，需要采用自动编程手段辅助完成。针对这部分学生，数控仿真实验平台就需要增加能够进行三维实体建模的CAD/CAM软件系统。
除了模拟仿真部分以外，数控实习教学最终还是要让学生进行现场实际数控机床的操作加工，因此，数控机床也是数控仿真实验系统不可缺少的部分，只是由于学生大部分练习的时间都集中在模拟仿真系统上，因此对于数控加工设备的数量就不要求那么多。
综上所述，数控仿真实验平台应能同时适应初级以及中、高级数控教学要求，即同时配备适于初级教学的机床模拟仿真系统以及适于中、高级数控加工培训的大型CAD/CAM系统。而且，为了方便教学管理，可将仿真系统建立在多媒体网络教学平台上，并利用机床数控系统具有的网络传输功能，建立数控编程加工一体化教学实验平台，如下图所示。
数控仿真实验平台在实习教学中的应用及意义
针对数控编程抽象枯燥、容易出错且不易检查、学生缺乏实践的特点，利用数控仿真实验平台辅助教学，可以将枯燥无味而又难以理解的大量数据信息以形象直观的实物形式呈现出来，有效提高数控编程教学质量。此外，数控实习教学过程中最重要、也是教师最担心的问题就是学生操作的安全问题。利用数控仿真实验平台，学生可以直观地看到自己编写的加工程序是否正确，发现错误及时修改。例如，初学者常将直线插补指令G01与快速定位指令G00混淆，往往在G01后面忘记给定进给速度，在实际加工中则会对工件和刀具造成损坏。运用模拟仿真就可以在加工前使学生体会切削进给与快速定位对工件造成的影响，建立正确的概念，避免在实际加工中由于操作失误对自身和设备造成的伤害。
利用数控仿真实验平台辅助数控实习教学，可有效地解决实习条件与实习需求、实习效果之间的矛盾。在数控实习教学中，昂贵的数控设备及其配置设备、材料、人力等投入在很大程度上限制了数控实习教学的有效开展。在数控仿真实验平台上，学生有充分的机会操作各类数控加工设备，练习数控加工常用操作，既节省了大量的实习经费和设备投入费用，又有效提高了实习教学效果。如建立一个满足60人实习的数控车床实习场地，每个实习岗位安排两名学生，就得需要30台数控车床，每台数控车床以8万元计算就得需要240万设备投资费。而采用模拟仿真进行该工种实习教学，每一个岗位则需要60台计算机，每台1万元（含应用软件费用）则只需60万元即可。在满足数控车削实习教学要求的基础上，还可以进行数控铣削甚至加工中心的实习教学。
总之，将数控仿真实验平台应用于数控实习教学中，能有效地提高教学质量，更合理地利用有限的资金投入，促
使数控编程教学向高水平发展。
参考文献：
[1]潘毅.对基于工程应用背景下的数控教学若干问题的探讨[OL].（2007-08-17）http：//www.zjucnc.com/Article/Class5/Class18/200602/970.html.
[2]朱振云.利用网络教学提高数控车床实习效率[J].职业教育研究，2004，（7）.
[3]刘清.数控加工仿真系统与CAD/CAM软件联机应用的方法[J].湖南工业职业技术学院学报，2006，（6）.
[4]刘清，朱克忆.仿真系统在数控人才培养中的应用[J].长沙大学学报，2006，（3）.
作者简介：
刘敬露（1980—），女，重庆市人，重庆工学院教师、助理工程师。