数控插补仿真软件在《数控技术》课程中的应用研究

张佳丽，高鹏，刘海平，高虹霓，王庆力，文桃

（空军工程大学防空反导学院，陕西 西安 710051）

制造业是体现一个国家综合国力的重要的基础性产业，是经济社会可持续发展的牵引和支撑。随着科学技术的日新月异的发展，新工业革命即将到来，面临科学技术飞速发展，2015年我国再次从国家战略规划的高度发布了《中国制造2025》，将制造业的高度提高到了“立国之本、兴国之器、强国之基”的高度。数控技术是先进制造业的基础，同时也是制造业实现自动化的基础技术，同时数控机床作为制造业的工作母机，其核心技术和原理尤其重要，其中高端的数控机床是国家战略级高端装备。数控技术课程是一门讲授数控技术的原理、数控机床的编程与操作的课程。主要培养学生掌握数控技术的基本原理和基本知识，掌握机电液一体化技术的能力，以及在数控加工工程实际中的分析问题和解决问题的能力。数控机床的加工控制原理-插补原理是本课程的重点和难点内容。斯沃数控插补仿真软件是一款插补运算仿真器，主要用于学习数控机床的插补原理，以图形化的界面和交互式方式使学生更容易理解各种数控插补的原理和插补的过程。该软件的主要功能有：多种类型插补、轨迹轮廓显示、步进显示的功能、连续插补的功能、暂停、继续显示的的功能、图形缩放的功能。

1 课程教学现存问题

插补原理作为《数控技术》这门课的核心内容和重点内容，同时也本课程的难点内容，教学内容比较抽象，学生难以形成直观印象，对插补的过程不容易理解和把握。

插补作为数控技术的核心技术，插补运算具有周期性和实时性，其运算速度和精度直接影响数控系统的性能指标，在数控加工中，一般已知运动轨迹的起点坐标、终点坐标和线型，CNC装置根据这些信息，实时地计算出各个中间点的坐标，通常把这个过程称为“插补”。然后机床伺服系统根据此坐标值控制各坐标轴的协调运动，走出预定轨迹。插补算法可以用硬件或者软件来完成。数控技术中常用的插补算法可以归纳为基准脉冲插补和数据采样插补。其中基准脉冲插补中应用最广泛的是逐点比较法。

插补原理传统的课堂讲解采用多媒体课件讲解为主，板书讲解为辅。这种教学方式学生很难理解此部分内容。同时内容讲解也比较枯燥、无味。

2 插补仿真系统的应用

本文以基准脉冲插补中的逐点比较法逆时针圆弧插补（第一象限）为例，通过斯沃数控插补仿真软件可以模拟插补的过程。通过仿真软件的模拟控制，学生对插补的一步一步过程也容易理解。

2.1 理论讲解

通过多没媒体课件讲解逐点比较法的定义，引入偏差判别式F，通过F和零的关系，判断当前点和圆弧的相对位置关系（第一象限顺时针圆弧），决定下一步的插补方向。一步一步从起点插补到终点。总结出插补的总过程：偏差判别-坐标进给-偏差计算-终点判别。重复这四个步骤，直至到达终点。

第一象限讲解结束，在推广到其余三个象限顺时针以及逆时针圆弧。不管第几象限，插补的过程不变，只是偏差判别函数变化和插补进给方向变化。

2.2 软件仿真

插补的过程讲解后，通过数控插补仿真系统，可以更生动、直观的观察每一步插补的脉冲方向，以及从起点到终点的全过程。现在以第一象限顺时针圆弧，起点（5，0），终点（0，5），采用逐点比较法插补该圆弧。打开数控插补仿真系统，如图1所示。该软件同时提供了插补过程的动态图形显示、插补算法以及插补的计算过程。

图1 数控插补仿真系统界面

选择逐点比较法，此软件提供了多种的插补方法，可以根据自己的需要进行选择。如图2所示。

图2 插补方式的选择

在对应得坐标中填写起点和终点的坐标。选择G02顺时针圆弧插补，（G03逆时针圆弧插补），如图3所示。

图3 插补坐标值的输入

该软件显示不同的象限，圆弧还有顺时针和逆时针区别，插补时偏差判别式F以及插补的方向。如图4所示。

图4 插补的规则

点击图5中“步进”选项，插补会显示一步一步进行，点击连续插补，全部显示所有的插补步骤。在插补过程中随时可以暂停和继续。同时此软件还提供清屏、视图复位、轨迹轮廓、精度有效、放大、缩小等模式。在使用过程中，可以根据实际情况，进行选择操作。

图5 插补的过程显示

在软件中插补的图形显示区域，同学们可以直观的看到从起点到终点，插补过程一步一步，始终逼近目标圆弧，如图6所示。整个过程动态可视。

图6 插补的图形显示轨迹

该软件不仅可以实现单象限直线和圆弧的插补的插补，还可以跨象限实现直线和圆弧的插补，所有的四个象限的插补过程均可以直观的演示给学生，如图7所示。

图7 跨象限圆弧的插补

2.3 效果分析

在讲解数控机床的加工控制原理采用插补仿真软件这种教学手段已经在课堂上应用两次教学，在每次教学结束，和学生开教学联系会，对教学效果进行调查分析。大部分学生对仿真软件表示赞同，认为可以活跃课堂气氛、体验新的课堂教学手段，讲解内容生动直观、更容易理解所讲授的内容。

3 结语

插补原理是数控机床加工控制原理的核心，是课程的重点和难点内容，采用传统的多媒体讲解，学生会感觉内容单一、枯燥、不直观、不易理解。采用数控插补仿真软件辅助课堂教学，增强了教学内容的实践性和交互性，学生可以深刻体会插补的流程以及插补的原理，更直观感受机床的加工控制过程。同时活跃了课堂氛围，提高了学生的学习积极性，取得了良好的课堂效果。