计算机仿真技术在数控车削教学中的应用

张子良

随着我国经济的飞速发展，我国制造业装备的自动化水平在不断提高，数控机床的拥有量及在机床中所占的比重大幅度地增加。如何有效地发挥数控机床的使用效率、提高加工质量一直是人们追求的目标。在进行零件数控加工过程中，零件本身的可加工性和数控程序的质量是影响零件加工质量的关键因素。数控程序投入实际加工之前，都必须进行有效的检验。检验数控程序的方法主要有手工检验、试切检验、轨迹显示和计算机仿真等。其中计算机仿真是近年来发展较快，也是最行之有效的方法。数控车削是数控技术专业的核心课程之一，近年在高职院校多被设计为工作过程系统化课程。教学一般在车间进行，教学过程尽可能模拟企业实际加工过程，学生在完成工作任务过程中领会知识，掌握技能。

学生利用在计算机上模拟加工环境和数控加工的过程，完成NC程序的校验，发现干涉（主要是刀具与工件之间）和过切现象，修改NC程序，通过实际参与，弥补课堂教学的不足。另外，此系统也可用于生产实际。减少加工失误、返工，缩短研制周期，节约资金，提高产品质量和生产效率。这种教学模式实现了教、学、做一体化，能很好地激发学生的学习兴趣，深受广大师生欢迎。但在实际操作过程中，受限于实训条件，也会遇到一些具体问题，例如：机床数目不足；学生占机时间长、效率低；初学者经常发生撞刀等低级错误事件；机型和系统单一，难以拓宽学生眼界等。

通过使用数控仿真软件，我们基本上解决了这些问题，并作出一些有益探索。

一、数控仿真软件的优缺点

模拟仿真技术是用物理模型或数学模型来代替真实系统进行实验和研究的一种技术。数控加工仿真就是采用计算机图形学的手段，在电脑上通过软件界面对加工走刀和零件切削过程进行模拟，它可以模拟机床设备的加工情况和实际加工环境，具有丰富的刀具材料库，能实现对机床的全过程操作，能实现人机交互。现在为止，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几个主要阶段，在教学中的应用已经越来越成熟。

数控仿真软件的优缺点如下：

优点一：成本低。一台计算机不过3000—5000元，而一台数控车床则需要几万、几十万元。使用计算机仿真技术，可以使所有学生同时获得上机机会，从而解决机床不足的问题而导致专业教学达不到应有教学效果的问题。

优点二：可仿真机型和系统多，以斯沃6.2为例，提供了几十种机床，涵盖simens、fanuc、广数、华中等多个系统。学生可以对比训练，也可以专门练习某种系统。熟悉更多的机床系统有利于他们今后迅速适应岗位工作。

优点三：安全性高。学生在仿真软件下编程和操作，其错误最大的危害不过是出现错误提示；如果在机床上，一些低级错误则可能引发事故。模拟仿真技术有利于指导教师教学，使理论教学与实践教学融为一体，实现学中做，做中学，让两个实施教学的教师互相交流，互相配合，减少了以往理论讲授与实际工作存在的误差。

尽管优点众多，但仿真软件毕竟不是真正的机床，学生在仿真软件上是无法获得真实操作经验的，因此它只能作为辅助手段。

二、使用仿真软件的时机

对于数控车削加工而言，加工仿真系统要完成以下几项任务：刀具轨迹仿真、切削加工仿真、干涉检查和提交仿真报告。刀具数据库是系统的另一个重要组成部分。它是仿真系统的后勤保障。它容纳大量的刀具数据并且做到有效的管理。刀具数据管理包括数据的输入、删除、浏览、查找等。 车刀对零件的加工主要涉及圆柱面、圆锥面、球面、螺纹、端面、切槽、切断等表面的加工。无论加工什么样的零件一律是工件做回转运动（即主运动）：而刀具做直线、圆弧或其他轨迹的运动（即进给运动）。在数控加工程序中这些运动可以通过简单的G01、G02、G03等指令完成。由于仿真系统是对NC程序在PC机中的模拟，在仿真中为了能够在PC机屏幕上动态显示刀具的运动轨迹或切削过程，就必须将数控程序指令翻译过来。完成对NC程序进行语法分析，坐标转换等工作，其过程如下：

仿真过程要对数控程序进行处理使之成为一个NC坐标信息文件。该文件是对NC程序进行语法分析与坐标变换的结果。数控程序由CAD/CAPP/CAM集成系统自动产生或人工键盘输入。

a：一是NC坐标文件解释程序从NC坐标信息文件中读取刀具信息并从刀具库文件中读取相应的刀具信息。二是NC坐标文件解释程序从NC坐标信息文件中读取刀具运动指令及坐标信息，并调用相应的加工仿真算法使之可以完成对刀具的运动轨迹仿真、切削加工仿真及干涉检查。

b：生成仿真报告，提交给数控机床操作人员做分析。

从学生训练阶段看，一般可分为基本操作训练阶段、典型零件加工训练阶段和复杂零件编程能力强化阶段。

在基本操作阶段，学生需要见到并亲手操作真实机床，以强化感性认识，锻炼工件装夹、回零、对刀、输入等基本操作能力。此阶段不宜使用仿真软件，而必须在真实的机床上进行示范模仿，否则，学生如看镜花水月，难以形成真实的感性认识和操作体验。

在典型零件加工阶段，教学过程一般为出示任务、任务分析、制订工艺卡、编程、操作加工、检验评价、提升训练和知识梳理8个环节。环节1中教师出示的任务，一般应采取分组合作方式，直接在机床上作出；而环节7提升训练环节中一般包含3-5个任务，应该要求学生首先在计算机仿真软件中作出，然后再拿到机床上实际加工验证。

在复杂零件编程能力强化阶段，经过一二两个阶段训练，学生已经能够熟练操作机床，此时需要提升的重点是工艺分析与编程能力。此阶段基本不再使用真实机床，而直接用计算机进行模拟。

实际上，考试也可引入仿真软件。使用仿真软件可以快速判定学生成绩，减少阅卷工作量。在第二和第三阶段经常采用。但是，不宜过分提倡使用这种方式，因为考试实际上是对学生岗位工作能力的判定，有条件时，应创造更为真实的工作环境。因此这种考试只适用于平时测验，一般不能用于期末考试和毕业设计。

三、使用仿真软件时教师和学生的角色

在任务分析环节，教师可通过大屏幕向全体学生播放加工过程，并随时讲解。这样做可使抽象的指令以更形象的方式展现，易于接受。例如，讲解G02圆弧与G03圆弧走刀时，教师可编制较短程序，在屏幕上进行演示。这种方式下，教师是传统的讲解角色，学生是被动接受者。

尽管可作为演示和示范用，但引入仿真软件的根本目的，却在于加强学生的主体性。只有让学生用起来，才能真正增强他们实际的工艺分析和编程能力。因此，在第三阶段，数控工艺和编程的课程一般应在微机室上课。教师边讲解，学生边练习；或教师设计项目，学生通过仿真加工完成。

总之，软件仿真是数控车削课程教学中的重要手段，可以解决许多问题。而要用好仿真软件，则一要注意时机的选择，二要调整好师生角色。运用计算机仿真系统是解决数控车削教学的重要途径。它既能解决学生实习时不熟悉数控系统操作及控制面板的问题，又可以大大提高学生的学习兴趣，还能提高学生的编程能力及对不同数控系统不同数控机床的适应能力，是一种有效地进行数控车削前期教学的一种良好尝试，也是进行数控机床专业职业技能考核的一种有效的手段。

［1］李大国，郭翠.关于技校数控专业教学改革的探讨［J］.科技风，2009.

［2］杨小云.中职数控技术应用教学探索［J］.职业技术，2007.