數(shù)控插補仿真軟件在《數(shù)控技術(shù)》課程中的應(yīng)用研究

張佳麗，高鵬，劉海平，高虹霓，王慶力，文桃

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安 710051）

制造業(yè)是體現(xiàn)一個國家綜合國力的重要的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，是經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的牽引和支撐。隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異的發(fā)展，新工業(yè)革命即將到來，面臨科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，2015年我國再次從國家戰(zhàn)略規(guī)劃的高度發(fā)布了《中國制造2025》，將制造業(yè)的高度提高到了“立國之本、興國之器、強國之基”的高度。數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造業(yè)的基礎(chǔ)，同時也是制造業(yè)實現(xiàn)自動化的基礎(chǔ)技術(shù)，同時數(shù)控機床作為制造業(yè)的工作母機，其核心技術(shù)和原理尤其重要，其中高端的數(shù)控機床是國家戰(zhàn)略級高端裝備。數(shù)控技術(shù)課程是一門講授數(shù)控技術(shù)的原理、數(shù)控機床的編程與操作的課程。主要培養(yǎng)學(xué)生掌握數(shù)控技術(shù)的基本原理和基本知識，掌握機電液一體化技術(shù)的能力，以及在數(shù)控加工工程實際中的分析問題和解決問題的能力。數(shù)控機床的加工控制原理-插補原理是本課程的重點和難點內(nèi)容。斯沃?jǐn)?shù)控插補仿真軟件是一款插補運算仿真器，主要用于學(xué)習(xí)數(shù)控機床的插補原理，以圖形化的界面和交互式方式使學(xué)生更容易理解各種數(shù)控插補的原理和插補的過程。該軟件的主要功能有：多種類型插補、軌跡輪廓顯示、步進(jìn)顯示的功能、連續(xù)插補的功能、暫停、繼續(xù)顯示的的功能、圖形縮放的功能。

1 課程教學(xué)現(xiàn)存問題

插補原理作為《數(shù)控技術(shù)》這門課的核心內(nèi)容和重點內(nèi)容，同時也本課程的難點內(nèi)容，教學(xué)內(nèi)容比較抽象，學(xué)生難以形成直觀印象，對插補的過程不容易理解和把握。

插補作為數(shù)控技術(shù)的核心技術(shù)，插補運算具有周期性和實時性，其運算速度和精度直接影響數(shù)控系統(tǒng)的性能指標(biāo)，在數(shù)控加工中，一般已知運動軌跡的起點坐標(biāo)、終點坐標(biāo)和線型，CNC裝置根據(jù)這些信息，實時地計算出各個中間點的坐標(biāo)，通常把這個過程稱為“插補”。然后機床伺服系統(tǒng)根據(jù)此坐標(biāo)值控制各坐標(biāo)軸的協(xié)調(diào)運動，走出預(yù)定軌跡。插補算法可以用硬件或者軟件來完成。數(shù)控技術(shù)中常用的插補算法可以歸納為基準(zhǔn)脈沖插補和數(shù)據(jù)采樣插補。其中基準(zhǔn)脈沖插補中應(yīng)用最廣泛的是逐點比較法。

插補原理傳統(tǒng)的課堂講解采用多媒體課件講解為主，板書講解為輔。這種教學(xué)方式學(xué)生很難理解此部分內(nèi)容。同時內(nèi)容講解也比較枯燥、無味。

2 插補仿真系統(tǒng)的應(yīng)用

本文以基準(zhǔn)脈沖插補中的逐點比較法逆時針圓弧插補（第一象限）為例，通過斯沃?jǐn)?shù)控插補仿真軟件可以模擬插補的過程。通過仿真軟件的模擬控制，學(xué)生對插補的一步一步過程也容易理解。

2.1 理論講解

通過多沒媒體課件講解逐點比較法的定義，引入偏差判別式F，通過F和零的關(guān)系，判斷當(dāng)前點和圓弧的相對位置關(guān)系（第一象限順時針圓?。瑳Q定下一步的插補方向。一步一步從起點插補到終點?？偨Y(jié)出插補的總過程：偏差判別-坐標(biāo)進(jìn)給-偏差計算-終點判別。重復(fù)這四個步驟，直至到達(dá)終點。

第一象限講解結(jié)束，在推廣到其余三個象限順時針以及逆時針圓弧。不管第幾象限，插補的過程不變，只是偏差判別函數(shù)變化和插補進(jìn)給方向變化。

2.2 軟件仿真

插補的過程講解后，通過數(shù)控插補仿真系統(tǒng)，可以更生動、直觀的觀察每一步插補的脈沖方向，以及從起點到終點的全過程。現(xiàn)在以第一象限順時針圓弧，起點（5，0），終點（0，5），采用逐點比較法插補該圓弧。打開數(shù)控插補仿真系統(tǒng)，如圖1所示。該軟件同時提供了插補過程的動態(tài)圖形顯示、插補算法以及插補的計算過程。

圖1 數(shù)控插補仿真系統(tǒng)界面

選擇逐點比較法，此軟件提供了多種的插補方法，可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行選擇。如圖2所示。

圖2 插補方式的選擇

在對應(yīng)得坐標(biāo)中填寫起點和終點的坐標(biāo)。選擇G02順時針圓弧插補，（G03逆時針圓弧插補），如圖3所示。

圖3 插補坐標(biāo)值的輸入

該軟件顯示不同的象限，圓弧還有順時針和逆時針區(qū)別，插補時偏差判別式F以及插補的方向。如圖4所示。

圖4 插補的規(guī)則

點擊圖5中“步進(jìn)”選項，插補會顯示一步一步進(jìn)行，點擊連續(xù)插補，全部顯示所有的插補步驟。在插補過程中隨時可以暫停和繼續(xù)。同時此軟件還提供清屏、視圖復(fù)位、軌跡輪廓、精度有效、放大、縮小等模式。在使用過程中，可以根據(jù)實際情況，進(jìn)行選擇操作。

圖5 插補的過程顯示

在軟件中插補的圖形顯示區(qū)域，同學(xué)們可以直觀的看到從起點到終點，插補過程一步一步，始終逼近目標(biāo)圓弧，如圖6所示。整個過程動態(tài)可視。

圖6 插補的圖形顯示軌跡

該軟件不僅可以實現(xiàn)單象限直線和圓弧的插補的插補，還可以跨象限實現(xiàn)直線和圓弧的插補，所有的四個象限的插補過程均可以直觀的演示給學(xué)生，如圖7所示。

圖7 跨象限圓弧的插補

2.3 效果分析

在講解數(shù)控機床的加工控制原理采用插補仿真軟件這種教學(xué)手段已經(jīng)在課堂上應(yīng)用兩次教學(xué)，在每次教學(xué)結(jié)束，和學(xué)生開教學(xué)聯(lián)系會，對教學(xué)效果進(jìn)行調(diào)查分析。大部分學(xué)生對仿真軟件表示贊同，認(rèn)為可以活躍課堂氣氛、體驗新的課堂教學(xué)手段，講解內(nèi)容生動直觀、更容易理解所講授的內(nèi)容。

3 結(jié)語

插補原理是數(shù)控機床加工控制原理的核心，是課程的重點和難點內(nèi)容，采用傳統(tǒng)的多媒體講解，學(xué)生會感覺內(nèi)容單一、枯燥、不直觀、不易理解。采用數(shù)控插補仿真軟件輔助課堂教學(xué)，增強了教學(xué)內(nèi)容的實踐性和交互性，學(xué)生可以深刻體會插補的流程以及插補的原理，更直觀感受機床的加工控制過程。同時活躍了課堂氛圍，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，取得了良好的課堂效果。