基于虛擬仿真系統(tǒng)的數(shù)控教學(xué)研究

段 雷

（洛陽理工學(xué)院機械工程系，河南 洛陽 471023）

0 引 言

數(shù)控技術(shù)是綜合性、實踐性很強的課程，包括有數(shù)控原理與系統(tǒng)、機床結(jié)構(gòu)、編程與操作等，涵蓋了精密機械、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)及電力電子等多學(xué)科的內(nèi)容。課程中很多內(nèi)容是與實際的機床操作密切相關(guān)的，不結(jié)合數(shù)控機床的操作與實踐，僅從理論上去講授數(shù)控編程的各類代碼和指令，將很難使學(xué)生理解和記住，達到理想的教學(xué)效果[1-2]。同時數(shù)控系統(tǒng)種類繁多，規(guī)格各成體系，以西門子系統(tǒng)為例，從功能水平上來分，就有經(jīng)濟型如SIEMENS-802S，普及型如SIE?MENS-802D，高級型如SIEMENS-840D 等，控制的對象也不盡相同，如車床、銑床、加工中心、鉆銑床、線切割等，在有限的教學(xué)時間內(nèi)很難面面俱到。

在實驗教學(xué)中，由于數(shù)控機床的體積大，購置成本、維護成本及運行成本都很高。與其它實驗相比，危險程度較高，一旦不能正確操作，輕則損壞機床，重則會有人身事故發(fā)生。因此，多數(shù)實驗以教師演示為主，學(xué)生實際操作時間很少，難以真正掌握機床操作，自主性，創(chuàng)新性實驗難以開展。這些都需要對傳統(tǒng)的教學(xué)手段進行改革，提高數(shù)控技術(shù)的教學(xué)效果，以滿足社會發(fā)展對人才培養(yǎng)的需求[3-4]。

近年來，隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了多種與數(shù)控教學(xué)相配合的虛擬仿真系統(tǒng)，選擇相應(yīng)的虛擬仿真系統(tǒng)與數(shù)控教學(xué)有機地結(jié)合，可較好的解決上述問題，提高數(shù)控相關(guān)課程的教學(xué)效果。

1 虛擬仿真系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)背景

虛擬仿真系統(tǒng)集成了計算機圖形技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，是一種由計算機生成的一個以視覺感受為主，也包括聽覺、觸覺的綜合可感知的人工環(huán)境，提供給人們通過計算機對復(fù)雜設(shè)備進行可視化操作與交互的一種全新方式。與虛擬現(xiàn)實的交互操作，改變了過去人們除了親身經(jīng)歷，就只能間接了解事務(wù)的模式，從而有效地擴展了人們的認(rèn)知手段和領(lǐng)域。目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)學(xué)實習(xí)、軍事訓(xùn)練、建筑設(shè)計、教育培訓(xùn)等眾多領(lǐng)域[5]。

1.2 應(yīng)用于數(shù)控技術(shù)虛擬仿真系統(tǒng)具有的功能

虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)控教學(xué)應(yīng)具有以下功能：

1）刀具軌跡的實時顯示功能：可以實時顯示刀具軌跡，以驗證程序代碼。

2）真實感的三維數(shù)控機床和操作面板：在虛擬環(huán)境中可實體模擬加工零件，具有三維動態(tài)切削過程實時模擬仿真?？蛇M行基準(zhǔn)對刀、手動對刀、零件切削操作；使用尋邊器、塞尺、千分尺、卡尺等工具，在編程界面，可根據(jù)零件圖紙，手工編程或CAD/CAM 設(shè)計編程。

3）豐富的數(shù)控系統(tǒng)類型，可以仿真SIEMENS、FANUC、HEIDENHAIN、MITSUBISHI、FAGOR、及華中數(shù)控、廣州數(shù)控等大多數(shù)常見的數(shù)控系統(tǒng)。

4）完整的操作功能：可實現(xiàn)回參考點；快速移動；點動；手輪脈沖發(fā)生器；MDI手動輸入功能；EDIT編輯程序功能；DNC 程序輸入機床功能；手動進給倍率調(diào)節(jié)開關(guān)；主軸轉(zhuǎn)速倍率調(diào)節(jié)開關(guān)；程序單步、程序循環(huán)；主軸旋轉(zhuǎn)；主軸停止；急停保護開關(guān)；機床鎖住開關(guān)；空運行開關(guān)；M01選擇開關(guān)等功能[6]。

5）用戶自定義操作：可以進行機床規(guī)格選擇；定義工件毛坯的大小及裝夾、放置形式；冷卻液噴嘴的位置；自定義刀具，如銑床上鉆頭、鏜刀、球頭刀、園角刀，車床上的外園刀、鏜刀、割刀、螺紋刀等，可定義刀具形狀及尺寸，并采用刀庫管理。

6）加工后測量功能：加工后可對工件進行三維測量，包括零件表面粗糙度的測量，以驗證切削參數(shù)。

以上功能并不是都要在一個系統(tǒng)中全部實現(xiàn)，可根據(jù)需要有所側(cè)重。而使用者也可根據(jù)不同系統(tǒng)的特點有選擇的使用。

2 虛擬仿真系統(tǒng)在數(shù)控教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 在理論教學(xué)中的應(yīng)用

數(shù)控指令格式嚴(yán)謹(jǐn)，以ISO代碼定義軌跡，不同于日常的感性認(rèn)識，不易記憶，通過仿真系統(tǒng)直觀地表現(xiàn)代碼的含義可有助于對代碼的理解。以FANUC 0i 系統(tǒng)中圓弧插補指令G02(G03)為例，其功能為刀具從圓弧起點，沿圓弧移動到圓弧終點。G02 為順時針圓弧插補，G03 為逆時針插補。而圓弧方向的判斷與圓弧所在的平面相關(guān)，以XY 平面為例，從Z 軸的正方向往負(fù)方向看XY平面，順時針圓弧用G02指令編程，逆時針圓弧用G03 指令編程。由于牽涉到三個平面，兩個方向，I、J、K、X、Y、Z、F多個參數(shù)，學(xué)生很容易混淆，為便于理解，課堂教學(xué)中使用虛擬仿真軟件CIMCOEdit，編寫并輸入如下程序：

G92X0Y0Z0

G17G02X100Y0I50J0F100

G18G02X0Z0I-50K0

G19G02Y100Z0J50K0

G18G03X100Z0I50k0

G19G03Y0Z0J-50K0

G17G02X0Y0I-50J0

圖1 CIM COEdit工作界面

執(zhí)行CIMCOEdit 中的程序模擬功能運行該程序，可在如圖1 所示CIM?COEdit工作界面右側(cè)虛擬仿真窗口中直觀看到刀具運行情況，運行中的刀具軌跡與程序行相互對應(yīng)，如更改程序中X、Y、Z值和I、J、K 值，進給速度F，重新運行可看到刀具軌跡的變化。如指令出現(xiàn)格式或邏輯錯誤，則該程序行不能執(zhí)行，可在左側(cè)程序窗口中更改編輯程序直至正確。程序與刀位軌跡的動態(tài)交互式分析，可以幫助學(xué)生正確理解上述指令的實際意義。CIMCOEdit 具有數(shù)控編輯、文件的智能比較、刀位軌跡的三維模擬、DNC傳輸?shù)裙δ?，學(xué)生可以利用此程序進行編程練習(xí)，并可自己驗證、校核修改，直到得到正確的軌跡，從而迅速提高手工編程的能力[7]。

2.2 在C A D /C A M 軟件編程中的應(yīng)用

CAD/CAM 軟件應(yīng)用及自動編程是數(shù)控專業(yè)必需掌握的基本技能，是教學(xué)內(nèi)容的重要組成。UG、PRO/e、MasterCAM、CAXA 等軟件都同時具備CAD/CAM 功能，其CAM 模塊一般都具有刀位點計算、刀軌的編輯和修改、后處理、工藝文檔生成等功能，可以提供對各種復(fù)雜零件的多種形式的粗、精加工，操作者可以根據(jù)零件結(jié)構(gòu)、加工表面形狀和加工精度要求選擇合適的加工類型。而仿真加工也是CAD/CAM 集成軟件必備的功能。在操作過程中，可以在圖形方式下編輯刀具路徑，并使用仿真功能觀察刀具的運動過程，分析運動軌跡，生成刀具位置源文件。利用其虛擬仿真功能，可以在屏幕上模擬零件的真實切削加工過程，顯示刀具軌跡，檢測相關(guān)參數(shù)的設(shè)置是否正確[8]。圖2 所示為UG軟件生成的法蘭盤零件銑削加工刀軌，軌跡生成的過程也是切削參數(shù)確定的過程，包括了刀具的選擇；毛坯的定義；粗、精加工工藝余量的設(shè)置；順銑、逆銑方式的確定；進刀方式的選擇；螺旋線進刀的參數(shù)設(shè)定；安全高度、進給速度設(shè)定等，通過其仿真加工可以直觀地看到所設(shè)定參數(shù)對銑削過程的影響，加深學(xué)生對加工工藝的理解。圖3為可視化刀軌的2D動態(tài)模擬，由此可初步判斷加工過程中是否出現(xiàn)過切、空走刀、撞刀；加工路徑對工件強度、剛性、加工周期的影響。通過動態(tài)交互分析，對比不同的刀位軌跡加工后的結(jié)果，有助于對刀具軌跡進行合理改進，提高加工的工藝性[9-10]。

圖2 法蘭盤零件銑削刀軌

圖3 可視化刀軌的2D 動態(tài)模擬

2.3 在實驗教學(xué)中的應(yīng)用

熟練掌握數(shù)控機床的操作是數(shù)控教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，在真正接觸機床之前，利用虛擬仿真系統(tǒng)在計算機上進行模擬操作可以取得事半功倍的效果。目前有多種數(shù)控加工仿真教學(xué)軟件，如斯沃、宇龍、斐克、宇航等。數(shù)控加工仿真系統(tǒng)具備對數(shù)控機床操作全過程和加工運行全環(huán)境仿真的功能，可以將加工過程用虛擬現(xiàn)實的方式演示出來。與操作真實機床的實驗教學(xué)相比，虛擬仿真實驗具有以下特點：

圖4 虛擬仿真軟件啟動界面

2.3.1 實驗成本低

一臺教學(xué)型數(shù)控銑床基本在10萬元左右，兩臺機床的費用可以開設(shè)一個40 臺高配置電腦的機房。同時減少工件材料、刀具和能源的消耗，維護成本、修理費用也可降低。利用安裝了虛擬仿真軟件的計算機進行實驗可以做到一人一機，保證學(xué)生熟悉設(shè)備，虛擬運行機床的時間。圖4 為某虛擬仿真軟件啟動界面，可以看到虛擬仿真軟件包含多種數(shù)控系統(tǒng)，教師在教學(xué)時可根據(jù)需要選擇相應(yīng)的系統(tǒng)進行授課，學(xué)生也可自學(xué)更多類型數(shù)控系統(tǒng)及不同數(shù)控機床的操作使用，有助于學(xué)生在廣度和深度方面進行更多自主探索，提高其實踐能力和創(chuàng)新能力[11]。

2.3.2 實驗效果好

操作真實機床時，由于空間所限，學(xué)生難以看到老師的細(xì)節(jié)動作，比如對刀及設(shè)置工件坐標(biāo)系的過程，需要講解手輪模式及或手動模式、增量模式，而增量模式要從倍率X1000逐步過渡到X1，對刀可以試切工件或用尋邊器找正工件基準(zhǔn)面，其中還包括塞尺的使用方法，對刀結(jié)束后G54 值的輸入方法等很多內(nèi)容。知識點很多，而且非常細(xì)碎，但整個過程又很連貫，若某個環(huán)節(jié)學(xué)生沒有看到、聽到都會影響學(xué)習(xí)效果，在自己操作時不能正確完成整個過程，甚至出現(xiàn)事故。使用虛擬仿真系統(tǒng)進行實驗教學(xué)，可以通過軟件錄制功能，將演示過程錄制下來在課堂上，或通過多媒體教學(xué)軟件在每個學(xué)生的計算機屏幕上演示該過程，使學(xué)生能清楚地觀看并進行模仿。如圖5 所示為華中數(shù)控車床對刀過程演示。學(xué)生進行虛擬仿真練習(xí)時，教師可以在自己的屏幕上看到學(xué)生的操作情況，實時了解學(xué)生掌握情況并對學(xué)生進行指導(dǎo)。

圖5 華中數(shù)控車床對刀

除了進行數(shù)控編程、機床操作等練習(xí)，虛擬仿真軟件還提供測量工具，可以在加工后對工件尺寸及表面粗糙度進行測量。比如，為檢驗進給速度對工件加工后表面粗糙度的影響，在華中數(shù)控銑系統(tǒng)中編寫了如下程序并運行：

%33

G90G54

M3S1000

G0Z50

X0Y0

Z5

G1Z-0.5F20

X100

Y100

X0

Y0

G2X100Y0R50F200

X100Y100R50

X0Y100R50

X0Y0R50

G0Z50

M30

圖6 表面粗糙度測量

如圖6所示為工件虛擬加工后表面粗糙度測量結(jié)果。

不同的粗糙度以不同的顏色顯示，可以看出由于進給速度設(shè)定不同，圓弧軌跡的粗糙度要大于直線軌跡。通過這樣的測量以很直觀的方式幫助學(xué)生理解切削參數(shù)的設(shè)定對工件加工質(zhì)量的影響?；有缘脑鰪?，使學(xué)生編程和操作的興趣提高，取得良好的教學(xué)效果。

2.3.3 安全性好

實踐證明，對于操作技巧及熟練程度要求很高的設(shè)備操作，虛擬仿真可以提高安全性，保護操作者及社會其他成員的安全，這在汽車駕駛員、飛機駕駛員的訓(xùn)練中都得到了證實。機床操作也是對操作技巧及熟練程度要求很高的設(shè)備操作，利用虛擬仿真軟件不僅可以重復(fù)練習(xí)，提高熟練程度，還可以自動檢測數(shù)控程序的對錯，在出現(xiàn)錯誤時及時報警提醒，并具體指出錯誤的位置，通過這樣的多次練習(xí)，使學(xué)生基本掌握機床的操作，在接觸真實機床時減少錯誤的發(fā)生，保證其人身安全及設(shè)備的安全[12]。

3 結(jié)論

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在數(shù)控教學(xué)中，是傳統(tǒng)教學(xué)方式的有益補充?？梢栽诶碚摻虒W(xué)中演示一些復(fù)雜的、抽象的、不宜在課堂上直接觀察的過程和現(xiàn)象，全方位、多角度地展示教學(xué)內(nèi)容，使課堂教學(xué)更生動，易于理解。應(yīng)用在實驗教學(xué)中，可使實驗教學(xué)在一定程度上擺脫機床設(shè)備的限制，在空間、時間上更便于學(xué)生自主學(xué)習(xí)，在安全的前提下，可大膽進行創(chuàng)新性的實踐探索，這些都有助于實用型、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

[1] 蔡衛(wèi)國.虛擬仿真技術(shù)在機械工程實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2011，28（8）：76-78.

[2] 周本利.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在數(shù)控教學(xué)中的應(yīng)用[J].滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008，7（2）：78-79.

[3] 廖建鋼.計算機虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控教學(xué)中的應(yīng)用[J].新課程，2011（1）：95-96.

[4] 楊洋，朱彩蓮.虛擬仿真技術(shù)在高職學(xué)院教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2007（7）：36-37.

[5] 田春霞.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在數(shù)控技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2007（4）：112-114.

[6] 王吉林.數(shù)控機床虛擬仿真軟件的設(shè)計與實現(xiàn)[J].煤炭技術(shù)，2010（5）:28-30.

[7] 陳為國.虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控加工編程教學(xué)中應(yīng)用研究[J].制造業(yè)自動化，2009，31（6）：106-109.

[8] 陸科杰，王慶明.從三維模型到自動編程加工仿真的實現(xiàn)[J].機械設(shè)計與制造，2007（6）:68-69.

[9] 孔德英.基于UG/CAM 和VERICUT 的數(shù)控加工仿真與優(yōu)化[J].機床與液壓，2011，39（23）：147-149.

[10] 其木格，嚴(yán)翼飛，朱愛民.基于NX 的虛擬機床運動學(xué)建模與仿真[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2009（9）:46-48.

[11] 尚金麗.淺談虛擬現(xiàn)實技術(shù)在數(shù)控技術(shù)實習(xí)教學(xué)中的應(yīng)用[J].硅谷，2008(9）:77-78.

[12] 肖蘇慧.淺談虛擬現(xiàn)實技術(shù)在數(shù)控加工教學(xué)中的應(yīng)用[J].職業(yè)，2011（12）:183-184.