數(shù)控仿真系統(tǒng)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用*

朱同波

（閩南理工學(xué)院，福建泉州 362700）

數(shù)控仿真系統(tǒng)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用*

朱同波

（閩南理工學(xué)院，福建泉州 362700）

數(shù)控仿真系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)對(duì)數(shù)控機(jī)床加工操作過(guò)程進(jìn)行模擬仿真的一門(mén)新技術(shù)。在數(shù)控加工操作之前，利用該技術(shù)的特點(diǎn)，在實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用數(shù)控仿真軟件，通過(guò)三維動(dòng)態(tài)仿真，進(jìn)行數(shù)控加工操作，建立感性認(rèn)識(shí)，以提高教學(xué)效果，為熟練掌握數(shù)控加工技術(shù)發(fā)揮顯著作用。

數(shù)控；仿真；操作；實(shí)踐教學(xué)

0 前言

數(shù)控仿真系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)對(duì)數(shù)控機(jī)床加工操作過(guò)程進(jìn)行模擬仿真的一門(mén)新技術(shù)。隨著社會(huì)的需求不斷發(fā)展，學(xué)校和培訓(xùn)機(jī)構(gòu)在實(shí)踐教學(xué)中將不斷面向新的數(shù)控系統(tǒng)、新的數(shù)控機(jī)床、新的教學(xué)培訓(xùn)內(nèi)容，加快了數(shù)控仿真技術(shù)的發(fā)展[1]。該技術(shù)面向?qū)嶋H生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)床仿真操作，加工過(guò)程三維動(dòng)態(tài)的逼真再現(xiàn)，能使每一個(gè)學(xué)生對(duì)數(shù)控加工建立感性認(rèn)識(shí)，可以反復(fù)動(dòng)手進(jìn)行數(shù)控加工操作，有效解決了因數(shù)控設(shè)備昂貴和操作危險(xiǎn)性，很難做到學(xué)員“一人一機(jī)”的問(wèn)題，在培養(yǎng)全面熟練掌握數(shù)控加工技術(shù)的實(shí)用型技能人才方面發(fā)揮顯著作用。

1 數(shù)控仿真系統(tǒng)

1.1 數(shù)控仿真系統(tǒng)介紹

目前國(guó)內(nèi)較為流行的仿真軟件有上海宇龍、南京斯沃、南京宇航、北京斐克、廣州超軟等數(shù)控加工仿真軟件。這些軟件都是以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)進(jìn)行的，一般都具有數(shù)控加工過(guò)程的三維顯示和模擬真實(shí)機(jī)床的仿真操作功能。

1.2 數(shù)控仿真系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

針對(duì)目前市場(chǎng)上流行的幾款數(shù)控仿真系統(tǒng)軟件，相比較數(shù)控機(jī)床而言，一般具有以下技術(shù)性能。

（1）模擬數(shù)控系統(tǒng)的操作和使用，支持多種數(shù)控系統(tǒng)，能夠從編程、毛坯準(zhǔn)備、刀具準(zhǔn)備、安裝、對(duì)刀到虛擬數(shù)控加工的全過(guò)程進(jìn)行數(shù)控仿真，等同于對(duì)真正的CNC機(jī)床進(jìn)行操作。

（2）具有車(chē)、銑等各種加工功能，可對(duì)各種刀具和多種工件材質(zhì)的加工工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和在加工過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠提供刀具補(bǔ)償、坐標(biāo)系設(shè)置等系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，同時(shí)具有報(bào)警提示功能。

（3）可進(jìn)行對(duì)加工工件自動(dòng)測(cè)量。

（4）支持Internet/Intranet，適應(yīng)支持TCP/IP UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；系統(tǒng)采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)OpenGL圖形庫(kù)，顯示效果真實(shí)、準(zhǔn)確

（5）具有遠(yuǎn)程教學(xué)和管理功能。

1.3 數(shù)控仿真系統(tǒng)的局限性

目前存在的數(shù)控仿真系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定了大量假設(shè)因素，如設(shè)定工藝系統(tǒng)剛性滿(mǎn)足要求，無(wú)振動(dòng)，無(wú)硬點(diǎn)等缺陷等理想情況，而現(xiàn)實(shí)加工過(guò)程中，則存在大量不確定因素。這種假定的理想狀態(tài)不能將切削過(guò)程中的隨機(jī)干擾如工件硬點(diǎn)造成的材質(zhì)變化、振動(dòng)造成的切深變化等因素考慮進(jìn)去，使仿真系統(tǒng)不能真實(shí)地反映實(shí)際切削過(guò)程。

數(shù)控仿真系統(tǒng)中大多設(shè)有危險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)，完全沒(méi)有危險(xiǎn)性。恰恰是這些特點(diǎn)，長(zhǎng)時(shí)間使用仿真軟件會(huì)降低學(xué)生的安全意識(shí)，可能會(huì)隨意操作。另外，數(shù)控仿真系統(tǒng)對(duì)于宏程序等高級(jí)功能方面的支持還有待提高。

1.4 數(shù)控仿真系統(tǒng)的發(fā)展方向

數(shù)控仿真系統(tǒng)是一個(gè)極具潛力的前沿研究領(lǐng)域，由許多先進(jìn)學(xué)科、先進(jìn)知識(shí)形成的綜合技術(shù)系統(tǒng)，目前正朝著網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化、開(kāi)放式的系統(tǒng)發(fā)展，甚至可以根據(jù)用戶(hù)要求自行定制。很多機(jī)床廠家把某一類(lèi)型的虛擬機(jī)床作為該類(lèi)型數(shù)控機(jī)床的附件，提高數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、增加機(jī)床產(chǎn)品的附加值，使得數(shù)控仿真系統(tǒng)得到了更大的發(fā)展[2]。

2 數(shù)控仿真實(shí)例

如圖1，工件毛坯尺寸為140 mm×100 mm× 20 mm，完成圖1零件的數(shù)控銑削仿真加工（本文以宇龍數(shù)控仿真軟件為例）。

圖1 零件圖

2.1 軟件界面操作

（1）進(jìn)入數(shù)控加工仿真系統(tǒng)

首先啟動(dòng)加密鎖管理程序，然后啟動(dòng)數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)彈出“用戶(hù)登錄”界面，點(diǎn)擊“快速登錄”按鈕或輸入用戶(hù)名和密碼，再點(diǎn)擊“登錄”按鈕，即可進(jìn)入數(shù)控加工仿真系統(tǒng)。

（2）選擇機(jī)床類(lèi)型

打開(kāi)菜單“機(jī)床/選擇機(jī)床”，在選擇機(jī)床對(duì)活框中選擇控制系統(tǒng)類(lèi)型和相應(yīng)的機(jī)床，并按確定按鈕，選擇北京第一機(jī)床廠的立式加工中心，如圖2。

圖2 選擇機(jī)床類(lèi)型

（3）工件的定義

打開(kāi)菜單“零件/定義毛坯”，按照題目要求定義尺寸，如圖3。

（4）選擇夾具

打開(kāi)菜單“零件/安裝夾具”命令，先在“選擇零件”列表框中選擇毛坯。然后在“選擇夾具”列表框中間選夾具，長(zhǎng)方體零件可以使用工藝板或者平口鉗，該題選擇工藝板，調(diào)整夾具尺寸，如圖4。

圖3 定義工件

（5）安裝工件

打開(kāi)菜單“零件/放置零件”命令，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整零件位置，同時(shí)選擇安裝壓板，并根據(jù)工件大小選擇壓板的尺寸。如圖5。

圖4 選擇夾具

圖5 選擇壓板

（6）選擇刀具

打開(kāi)菜單“機(jī)床/選擇刀具”，根據(jù)題目，該題選擇直徑為6 mm的平底刀，如圖6。

2.2 加工界面仿真操作

（1）機(jī)床準(zhǔn)備

開(kāi)機(jī)：將急停按鈕松開(kāi)。按下操作面板上的“啟動(dòng)”按鈕，加載驅(qū)動(dòng)，當(dāng)“機(jī)床電機(jī)”和“伺服控制”指示燈亮，表示機(jī)床已被激活。

回參考點(diǎn)：在回零模式，依次選擇操作面板上的X、Y、Z軸，點(diǎn)擊“+”按鈕，此時(shí)X、Y、Z軸將回零，當(dāng)回到機(jī)床參考點(diǎn)時(shí)，相應(yīng)操作面板上“X、Y、Z原點(diǎn)燈”的指示燈亮，同時(shí)LCD上的X、Y、Z坐標(biāo)變?yōu)椤?.000”，如圖7。

圖6 選擇刀具

圖7 回參考點(diǎn)

（2）對(duì)刀管理及參數(shù)錄入

對(duì)于銑床或加工中心X、Y向?qū)Φ锻ǔ２捎脤み吰鲗?duì)刀和剛性棒對(duì)刀。該題選用尋邊器對(duì)刀。尋邊器有固定端和測(cè)量端兩部分組成。固定端由刀具夾頭夾持在機(jī)床主軸上，中心線與主軸軸線重合。在測(cè)量時(shí)，主軸以400 r/min左右旋轉(zhuǎn)。

1）X軸方向?qū)Φ?/p>

先讓裝有尋邊器的主軸靠近工件左側(cè)，區(qū)別是在碰到工件前使主軸轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，正反轉(zhuǎn)均可，尋邊器未與工件接觸時(shí)，其測(cè)量端大幅度晃動(dòng)。這時(shí)使用點(diǎn)動(dòng)方式或手輪方式微調(diào)進(jìn)給，尋邊器繼續(xù)向工件移動(dòng)，偏心距逐漸減小，直至測(cè)量端和固定端的中心線重合。

定義X為刀位點(diǎn)與機(jī)床為的相對(duì)值，將基準(zhǔn)工件直徑記為X1，將定義毛坯數(shù)據(jù)時(shí)設(shè)定的零件長(zhǎng)度記為X2，則：

如果以工件上表面中心為工件坐標(biāo)系原點(diǎn)，其X=X1/2+X2/2；

本例中：X=-50-5=-55 mm。

2）Y軸方向?qū)Φ?/p>

在左視圖中，同樣先讓裝有尋邊器的主軸靠近工件左側(cè)，區(qū)別是在碰到工件前使主軸轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，正反轉(zhuǎn)均可，尋邊器未與工件接觸時(shí)，其測(cè)量端大幅度晃動(dòng)。這時(shí)使用點(diǎn)動(dòng)方式或手輪方式微調(diào)進(jìn)給，尋邊器繼續(xù)向工件移動(dòng)，偏心距逐漸減小，直至測(cè)量端和固定端的中心線重合。

定義Y為刀位點(diǎn)與機(jī)床為的相對(duì)值，將基準(zhǔn)工件直徑記為Y1，將定義毛坯數(shù)據(jù)時(shí)設(shè)定的零件長(zhǎng)度記為Y2，則：

如果以工件上表面中心為工件坐標(biāo)系原點(diǎn)，其Y=Y1/2+Y2/2；

本例中：Y=-70-5=-75 mm。

圖8 尋邊器X方向?qū)Φ?/p>

圖9 尋邊器Y方向?qū)Φ?/p>

3）Z軸對(duì)刀

銑床對(duì)Z軸對(duì)刀時(shí)采用的是實(shí)際加工時(shí)所要使用的刀具，塞尺檢查法。

當(dāng)工件的上表面不能作為基準(zhǔn)或切削余量不一致時(shí)，可以采用試切法對(duì)刀。

將X、Y、Z的參數(shù)錄入G54參數(shù)中，分別點(diǎn)“測(cè)量”，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出機(jī)床坐標(biāo)，如圖10。

圖10 對(duì)刀參數(shù)輸入

（3）數(shù)控程序處理

在編輯模式下，將數(shù)控程序可以通過(guò)記事本或?qū)懽职宓染庉嬡浖斎氩⒈４鏋槲谋靖袷轿募?，打開(kāi)菜單“機(jī)床/DNC傳送…”，在打開(kāi)文件對(duì)話框中選取文件。在文件名列表框中選中所需的文件，按“打開(kāi)”確認(rèn)；在按LCD畫(huà)面軟鍵“[(操作)]”，再點(diǎn)擊畫(huà)面軟鍵，再按畫(huà)面“[READ]”對(duì)應(yīng)軟鍵。

圖11 程序錄入

用MDI鍵盤(pán)在輸入域鍵入文件名，Oxx，（O后面是不超過(guò)9999的任意正整數(shù)），如“O0820”。

點(diǎn)擊畫(huà)面“[EXEC]”對(duì)應(yīng)軟鍵，即可輸入預(yù)先編輯好的數(shù)控程序，并在LCD顯示，如圖11。

（4）自動(dòng)加工

在一切準(zhǔn)備就緒后，調(diào)用程序，在自動(dòng)模式下，點(diǎn)擊“循環(huán)啟動(dòng)”，開(kāi)始加工，如圖12。

圖12 自動(dòng)加工

（5）測(cè)量工件

待加工完后，點(diǎn)擊“測(cè)量”按鈕，對(duì)所加工工件的長(zhǎng)、寬和槽深等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，確保加工精度，如圖13。

圖13 測(cè)量工件

3 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)信息化的重要組成部分。而數(shù)控仿真軟件技術(shù)不僅在傳統(tǒng)的工程技術(shù)領(lǐng)域（航空、航天、化工等方面）繼續(xù)發(fā)展，而且擴(kuò)大到社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生物等許多非工程領(lǐng)域，可見(jiàn)，數(shù)控仿真軟件在實(shí)踐教學(xué)中的作用更是不容忽視。

［1］齊洪方.數(shù)控編程與加工仿真［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.

［2］李桂云.宇龍數(shù)控仿真軟件使用指導(dǎo)［M］.北京：高等教育出版社，2008.

NC Simulation System Application in Practical Teaching

ZHU Tong-bo
（Minnan University of Science and Technology，Quanzhou362700，China）

The numerical control simulation system is based on computer application technology of numerical control machine operation process simulation of a new technology.Before NC machining operation，using advantage of the characteristics of the technology，applicates numerical control simulation software in the practical teaching，through 3D dynamic simulation，for NC machining operation，establishs perceptual knowledge，in order to improve the teaching effect，plays a significant role for mastering the numerical control processing technology.

CNC；simulation；operation；practice teaching

TG659

：A

：1009－9492(2014)12－0061－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.016

朱同波，男，1986年生，黑龍江人，碩士，助教。研究領(lǐng)域：機(jī)械設(shè)計(jì)制造。

(編輯：阮 毅)

*閩南理工學(xué)院教學(xué)改革與研究項(xiàng)目（編號(hào)：2013B09）；福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目（編號(hào)：JB13233）

2014－08－21