淺談數(shù)控加工仿真系統(tǒng)在數(shù)控技術(shù)專業(yè)教學(xué)中的重要作用

宣城市信息工程學(xué)校  林永美

【摘  要】當(dāng)前，以數(shù)控技術(shù)為代表的現(xiàn)代加工技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)現(xiàn)代技術(shù)人才的需求越來(lái)越高。跟傳統(tǒng)的機(jī)械加工專業(yè)教學(xué)相比較，數(shù)控專業(yè)教學(xué)存在很多的困難，本文通過(guò)數(shù)控加工仿真系統(tǒng)在數(shù)控專業(yè)課中的應(yīng)用及作者對(duì)仿真軟件的實(shí)踐和認(rèn)識(shí)，論述了數(shù)控加工仿真系統(tǒng)在數(shù)控教學(xué)中的實(shí)際作用，希以此豐富教學(xué)手段，提高教學(xué)質(zhì)量，加快數(shù)控技術(shù)人才的培養(yǎng)速度。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控加工仿真系統(tǒng)  數(shù)控技術(shù)  專業(yè)  教學(xué)  作用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)等各種科學(xué)技術(shù)在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，形成了先進(jìn)的制造技術(shù)，這也日益引起世界各國(guó)的重視，它是提高企業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力和創(chuàng)新能力的根本途徑，而先進(jìn)制造技術(shù)又是以數(shù)控技術(shù)為主要標(biāo)志的。我國(guó)在“機(jī)械工業(yè)振興綱要”中將應(yīng)用數(shù)控技術(shù)的“數(shù)控機(jī)床”列為基礎(chǔ)機(jī)械。而據(jù)教育部等部委等不久前發(fā)布的數(shù)控技術(shù)應(yīng)用等專業(yè)領(lǐng)域的人才需求狀況可知，我國(guó)藍(lán)領(lǐng)層數(shù)控人才需求明顯增加。藍(lán)領(lǐng)層數(shù)控技術(shù)人才是指在生產(chǎn)崗位上承擔(dān)數(shù)控機(jī)床具體操作的技術(shù)工人，在企業(yè)數(shù)控技術(shù)崗位中占70.2%，是目前需求量最大的數(shù)控技術(shù)工人。教育部關(guān)于緊缺人才的報(bào)告稱，部分企業(yè)已經(jīng)大規(guī)模引進(jìn)了高職畢業(yè)生從事數(shù)控機(jī)床的操作，可以預(yù)見(jiàn)，企業(yè)對(duì)藍(lán)領(lǐng)層的數(shù)控技術(shù)工人有很大的需求，而對(duì)他們的知識(shí)和能力要求會(huì)越來(lái)越高。我們國(guó)家數(shù)控技能型人才的緊缺，使我國(guó)職業(yè)教育面臨重大考驗(yàn)。如何發(fā)揮職業(yè)教育的優(yōu)勢(shì)，加快培養(yǎng)出社會(huì)急需的數(shù)控專業(yè)技術(shù)人才， 是職業(yè)技術(shù)學(xué)校當(dāng)前的重要任務(wù)之一。

一、數(shù)控技術(shù)應(yīng)用專業(yè)在教學(xué)中存在的問(wèn)題

數(shù)控技術(shù)包含數(shù)控編程技術(shù)與實(shí)際加工兩個(gè)過(guò)程，其中數(shù)控加工編程課程是一門以應(yīng)用為目標(biāo)的綜合性、實(shí)踐性課程，是一門介于數(shù)控基本理論與數(shù)控實(shí)際運(yùn)用之間的課程。數(shù)控加工編程課程中很多內(nèi)容是與實(shí)際的機(jī)床操作有密切關(guān)系的，撇開(kāi)數(shù)控機(jī)床的操作與實(shí)踐，孤立的去講授數(shù)控編程的各類代碼，將很難達(dá)到理想的教學(xué)效果。在講解數(shù)控編程時(shí)，首先必須讓學(xué)生了解數(shù)控機(jī)床加工的全過(guò)程，包括從程序的編寫、輸入、相關(guān)參數(shù)的設(shè)置、機(jī)床操作方法及常用操作按鍵的作用、零件加工過(guò)程等，因?yàn)楹芏嘀噶钍桥c加工過(guò)程有關(guān)的；其次，授課過(guò)程中如果一味的講解各種指令的功能，而不通過(guò)程序來(lái)理解，將會(huì)陷入枯燥、乏味，進(jìn)而難以理解的地步；第三，很多加工指令如果僅憑口頭說(shuō)明，學(xué)生難以理解，如工件坐標(biāo)系建立指令G92、G54～G59、G50、G00 與G01 在走直線時(shí)的區(qū)別、某些固定循環(huán)指令、M00 和M01 的工用等。

二、數(shù)控加工仿真系統(tǒng)介紹

從工程的角度來(lái)看，仿真就是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)去研究一個(gè)已有的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。分析復(fù)雜的動(dòng)態(tài)對(duì)象，仿真是一種有效的方法，可以減少風(fēng)險(xiǎn)，縮短設(shè)計(jì)和制造的周期，并節(jié)約投資。計(jì)算機(jī)仿真就是借助計(jì)算機(jī)，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的過(guò)程。數(shù)控加工仿真利用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬實(shí)際的加工過(guò)程，是驗(yàn)證數(shù)控加工程序的可靠性和預(yù)測(cè)切削過(guò)程的有力工具，以減少工件的試切，提高生產(chǎn)效率。

數(shù)控加工仿真系統(tǒng)具備對(duì)數(shù)控機(jī)床操作全過(guò)程和加工運(yùn)行全環(huán)境仿真的功能，將加工過(guò)程用三維圖形或者二維圖形的方式演示出來(lái)?？梢赃M(jìn)行數(shù)控編程的教學(xué)，能夠完成整個(gè)加工操作過(guò)程的教學(xué)。使原來(lái)需要在數(shù)控設(shè)備上才能完成的大部分教學(xué)功能可以在這個(gè)虛擬制造環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)可見(jiàn)到的數(shù)控仿真軟件較多，有以輔助程序編制和運(yùn)動(dòng)軌跡校驗(yàn)型的，其以實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)，常常包含有程序傳輸功能，如CIMCOEdit、NCSentry、MetaCut等等。還有虛擬現(xiàn)實(shí)型的，能夠虛擬仿真出類同于真實(shí)三維數(shù)控加工的環(huán)境，如數(shù)控機(jī)床的程序輸入、編輯和調(diào)試等，數(shù)控機(jī)床的操作過(guò)程，數(shù)控零件的切削加工、測(cè)量等內(nèi)容，這類軟件有浙大辰光、上海宇龍的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)、南京斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件（SSCNC）、南京宇航數(shù)控仿真軟件（YHCNC）、天傲TNS等等。它們都能全面的仿真數(shù)控加工的過(guò)程，包括機(jī)床設(shè)定( 支持多種數(shù)控系統(tǒng))、定義毛坯、刀具準(zhǔn)備、基準(zhǔn)測(cè)量、 G代碼處理、面板操作等；配置要求低，只需要仿真軟件和要求不是很高的微機(jī)，并與多種計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)兼容；操作的安全性很高，不會(huì)因?yàn)閷W(xué)生的錯(cuò)誤操作而造成人生傷害，更不會(huì)損壞機(jī)床；不需要原材料，投入資金少，占地小，不會(huì)造成資源的浪費(fèi)；利用網(wǎng)絡(luò)可以搭建交流的平臺(tái)，為師生的交互提供了方便等。

例如上海宇龍數(shù)控加工仿真系統(tǒng)中，雖然軟件中的數(shù)控機(jī)床是一臺(tái)模擬的機(jī)床，但對(duì)于機(jī)床的外形和操作面板及操作按鈕是依照真實(shí)的數(shù)控機(jī)床，對(duì)機(jī)床的一些操作也和真實(shí)的機(jī)床基本相同，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控車床、數(shù)控銑床和數(shù)控加工中心加仿真，其中包括毛坯定義、夾具刀具定義與選用，零件基準(zhǔn)測(cè)量和設(shè)工零件全過(guò)程的置，數(shù)控程序輸入、編輯和調(diào)試，擁有FANUC數(shù)控系統(tǒng)、SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)、華中數(shù)控系統(tǒng)、廣州數(shù)控系統(tǒng)等多種數(shù)控系統(tǒng)，具有多系統(tǒng)、多機(jī)床、多零件的加工仿真模擬功能。

三、引入數(shù)控加工仿真系統(tǒng)對(duì)數(shù)控應(yīng)用專業(yè)教學(xué)的作用

1、 利用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)可以彌補(bǔ)設(shè)備和師資的不足，提高教學(xué)效果。

數(shù)控機(jī)床實(shí)習(xí)不比鉗工或車工的實(shí)習(xí)，它的設(shè)備投入是很大的，如果要使每個(gè)學(xué)生有充足的實(shí)習(xí)時(shí)間的話，可能投入要上百萬(wàn)，上千萬(wàn)，這對(duì)于一個(gè)普通的中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校而言顯然難以承受的。但如果我們?cè)趯W(xué)生實(shí)踐操作之前，先利用仿真軟件進(jìn)行模擬操作，就可以做到給學(xué)生充分的實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)，節(jié)省了操作的時(shí)間，縮短了實(shí)習(xí)的周期。由于大部分的實(shí)訓(xùn)活動(dòng)可以在仿真系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，使用仿真軟件將大大減少在數(shù)控機(jī)床設(shè)備上的資金投入，同時(shí)使學(xué)生的實(shí)際上機(jī)時(shí)間大大增加，從而可以加快對(duì)學(xué)生的培訓(xùn)速度。而且學(xué)生對(duì)于機(jī)床操作的熟練程度將大大提高，為真正的實(shí)際操作也做好了充分的準(zhǔn)備，實(shí)習(xí)效果也將大大提高。

2、 利用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)能有效的同步實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)，教師授課更方便，學(xué)生學(xué)習(xí)也方便。

和其它專業(yè)課不同，數(shù)控專業(yè)是非常抽象的機(jī)械專業(yè)學(xué)科，它最注重的是實(shí)踐性。教學(xué)中，如果教師僅僅在課堂上講解，而沒(méi)有相應(yīng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生會(huì)難以理解，所以有許多教學(xué)是需要教師進(jìn)行示范的，教師在機(jī)床上對(duì)學(xué)生進(jìn)行示范時(shí)，很難保證所有的學(xué)生能夠聽(tīng)清、看清，教學(xué)效果往往不太理想。凡是涉及數(shù)控編程和操作的內(nèi)容，如工件坐標(biāo)和機(jī)床坐標(biāo)、G指令、M指令等都可以實(shí)現(xiàn)同步教學(xué)，使抽象內(nèi)容形象化，提高了教學(xué)質(zhì)量。比如對(duì)刀過(guò)程，其實(shí)是很容易的事情，但如果用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，僅在課堂上紙上談兵，大多數(shù)學(xué)生都難以理解，如果利用仿真軟件一邊演示一邊教學(xué)，通過(guò)車刀和工件的運(yùn)動(dòng)學(xué)生就很容易理解，而且還能自己親手操作來(lái)加深認(rèn)識(shí)，理論和實(shí)踐也能兼顧了。數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的互動(dòng)教學(xué)功能還可以使教師可以以電視的方式在每個(gè)學(xué)生的屏幕上演示其教學(xué)內(nèi)容，使所有的學(xué)生均能清楚地觀看并進(jìn)行模仿，同時(shí)教師也可以在自己屏幕上看到每個(gè)學(xué)生的操作情況，實(shí)時(shí)了解教學(xué)情況并對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)。

3、 利用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)能極好的調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

對(duì)于職技校的學(xué)生來(lái)講，由于學(xué)生各方面的基本素質(zhì)普遍比較差，而數(shù)控專業(yè)課又是一門抽象性很強(qiáng)的學(xué)科，加上教學(xué)過(guò)程的枯燥乏味，很容易讓學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)的情緒，教學(xué)效果也不理想。而數(shù)控加工仿真系統(tǒng)以其和實(shí)際機(jī)床相同的用戶界面和它的可操作性，很大程度上激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，再開(kāi)展教學(xué)就容易多了。如果結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀摩教學(xué)，效果會(huì)更加好。更重要的是仿真系統(tǒng)的軟件很容易普及，只要有電腦學(xué)生就可以在家里自學(xué)，在一定程度上培養(yǎng)了他們的刻苦鉆研和創(chuàng)新精神。

4、 利用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，可在電腦上完成所編程序的檢驗(yàn)，減少實(shí)際操作出錯(cuò)的概率，安全性高，更便于學(xué)生學(xué)習(xí)。

在實(shí)際操作時(shí)，我們一般利用機(jī)床的圖形模擬校驗(yàn)功能來(lái)檢驗(yàn)程序的正確性，每個(gè)學(xué)生占用機(jī)床時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)，由于圖形模擬也只能觀看零件的大致輪廓，對(duì)于程序中的一些細(xì)小處的錯(cuò)誤判斷不出。所以在實(shí)際操作前，學(xué)生可以在數(shù)控加工仿真系統(tǒng)上輸入程序，將校驗(yàn)的步驟放在計(jì)算機(jī)上完成，觀察零件的加工情況，最后將正確的程序輸入到數(shù)控機(jī)床中，這樣既可節(jié)省時(shí)間，又提高了加工中的安全性。由于數(shù)控加工仿真系統(tǒng)不存在安全問(wèn)題，不會(huì)因?yàn)閷W(xué)生的錯(cuò)誤操作而損壞機(jī)床，更不會(huì)造成人身傷害，學(xué)生可以大膽地、獨(dú)立地進(jìn)行學(xué)習(xí)和練習(xí)。軟件中不僅具有對(duì)學(xué)生編制的數(shù)控程序進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、具體指出錯(cuò)誤原因的功能，還具有在真實(shí)設(shè)備上無(wú)法實(shí)現(xiàn)的三維測(cè)量功能。這些功能使得學(xué)生可以進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，自我檢測(cè)加工零件幾何形狀的精度，大大降低了教師的工作強(qiáng)度。

5、 利用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和遠(yuǎn)程培訓(xùn)。

隨著社會(huì)對(duì)技能人才的需求量的增大，職業(yè)學(xué)校的功能不再僅僅培養(yǎng)在校學(xué)生，它還擔(dān)負(fù)著進(jìn)行社會(huì)勞動(dòng)力的培訓(xùn)任務(wù)，這對(duì)職業(yè)學(xué)校的硬件條件也提出了更高的要求。利用仿真軟件和網(wǎng)絡(luò)搭建的平臺(tái)，進(jìn)行遠(yuǎn)程的教育將成為一種新的教育教學(xué)模式，它打破了地域和時(shí)間的限制，加大培訓(xùn)人員的數(shù)量，縮短了培訓(xùn)的周期。這種方法在很多大專院校已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)用，并取得了很好的效果。今后我們可以嘗試著用到我們職業(yè)學(xué)校的數(shù)控培訓(xùn)當(dāng)中來(lái)。

四、運(yùn)用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的注意事項(xiàng)

然而，我們應(yīng)該看到，和真實(shí)的數(shù)控機(jī)床相比，數(shù)控加工仿真系統(tǒng)中的各類機(jī)床只能做到基本相同。首先，數(shù)控加工仿真系統(tǒng)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真軟件，系統(tǒng)中的機(jī)床和實(shí)際機(jī)床是有很多區(qū)別的。以上海宇龍的仿真軟件來(lái)說(shuō)，它的操作面板和系統(tǒng)和實(shí)習(xí)機(jī)床是相同的，但在仿真加工時(shí)也存在很多問(wèn)題，包括走刀路徑不明顯，切削深度和刀具要求不夠?qū)嶋H，對(duì)刀時(shí)不能設(shè)置刀偏，不能對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)等；而且仿真軟件的使用，會(huì)在一定程度上使學(xué)生放松對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全的認(rèn)識(shí)。因此仿真軟件使用只能作為縮短實(shí)習(xí)時(shí)間，提高實(shí)習(xí)效率的一種輔助手段，而不能完全拋開(kāi)實(shí)際機(jī)床的實(shí)習(xí)內(nèi)容，必須適當(dāng)?shù)陌才艑?shí)習(xí)時(shí)間，通過(guò)實(shí)際操作來(lái)糾正以上的不足。而且有不少功能在仿真軟件上還體現(xiàn)不出來(lái)。如fanuc系統(tǒng)的直接圖紙編程功能，siemens系統(tǒng)的藍(lán)圖編程功能，華中系統(tǒng)的G71凹槽粗車循環(huán)等，很容易使學(xué)生認(rèn)為實(shí)際機(jī)床不具備這些功能。

其次，數(shù)控加工仿真系統(tǒng)只是加工過(guò)程的模擬并非真實(shí)加工過(guò)程，它無(wú)法代替真實(shí)切削加工。因此，學(xué)生在利用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)進(jìn)行編程與操作練習(xí)時(shí)，往往容易忽視切削用量的選擇、刀具的選用、零件的裝夾等方面，一旦到了實(shí)際生產(chǎn)中便可能出現(xiàn)打刀現(xiàn)象或影響實(shí)際零件的加工質(zhì)量、降低生產(chǎn)效率等問(wèn)題。

另外，由于數(shù)控加工仿真系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)任何事故，使學(xué)生容易放松對(duì)安全生產(chǎn)的要求，而對(duì)于在練習(xí)時(shí)出現(xiàn)的撞刀等現(xiàn)象也毫不在意，習(xí)慣一旦養(yǎng)成，會(huì)在實(shí)際生產(chǎn)中造成重大損失。

由于上述原因，在使用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)教學(xué)時(shí)，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

1、 合理安排數(shù)控加工仿真軟件學(xué)習(xí)的階段。

我校的數(shù)控加工專業(yè)的學(xué)生，數(shù)控仿真教學(xué)一般安排在普通車床等設(shè)備學(xué)習(xí)完后，數(shù)控操作的初學(xué)階段，這樣學(xué)生具備一定的加工基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)起來(lái)較容易，而且教師利用仿真軟件進(jìn)行初期培訓(xùn)的效果比較好，同時(shí)也可避免初學(xué)者易出現(xiàn)的事故。

2、 嚴(yán)格按實(shí)際操作的要求進(jìn)行。

雖然是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真加工，但教師一定要要求學(xué)生按照實(shí)際操作加工中的要求來(lái)做，如正確裝夾零件，合理選用刀具及切削用量；對(duì)刀的步驟和動(dòng)作也要規(guī)范，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的初期就養(yǎng)成正確的習(xí)慣。另外，應(yīng)盡量避免使用計(jì)算機(jī)的鍵盤而采用鼠標(biāo)點(diǎn)擊仿真軟件上系統(tǒng)面板，使學(xué)生盡快熟悉面板上各鍵的位置，等到實(shí)際操作時(shí)就能很快適應(yīng)。

3、 及時(shí)詳細(xì)說(shuō)明軟件與機(jī)床不符之處。

對(duì)于軟件中和機(jī)床的不同之處，教師應(yīng)及時(shí)給學(xué)生說(shuō)明，并根據(jù)機(jī)床的實(shí)際情況對(duì)學(xué)生詳細(xì)講解，以免使學(xué)生產(chǎn)生誤解，影響到將來(lái)在機(jī)床上的編程與操作。

4、 分配好仿真軟件學(xué)習(xí)和機(jī)床操作練習(xí)的時(shí)間比例。

根據(jù)總的實(shí)習(xí)時(shí)間，合理分配好軟件練習(xí)和機(jī)床操作的時(shí)間，特別是當(dāng)實(shí)習(xí)條件較好時(shí)，上機(jī)操作的時(shí)間應(yīng)占較大比例，因?yàn)閿?shù)控加工仿真系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在入門基礎(chǔ)培訓(xùn)上，學(xué)生實(shí)際操作技能的提高主要還是要依靠上機(jī)實(shí)際操作練習(xí)。

經(jīng)過(guò)數(shù)控仿真系統(tǒng)在教學(xué)中的使用，效果還是很明顯的。一方面給學(xué)校減少了資金的投入，充分利用了有限資源，而且也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力。這也說(shuō)明了在數(shù)控教學(xué)中利用仿真系統(tǒng)進(jìn)行輔助教學(xué)的可行性。我們相信在不斷的嘗試和研究下，能夠使數(shù)控加工仿真系統(tǒng)在數(shù)控技術(shù)應(yīng)用專業(yè)教學(xué)中發(fā)揮出更大的作用。

數(shù)控技術(shù)作為先進(jìn)的制造技術(shù)是時(shí)代進(jìn)步的產(chǎn)物，而教育也應(yīng)該適應(yīng)時(shí)代的進(jìn)步，這就要求我們不斷的探索和嘗試新的教學(xué)方法和理念，只有這樣才能培養(yǎng)出更多更好的數(shù)控技術(shù)人才，為我們的現(xiàn)代化建設(shè)服務(wù)，也只有這樣才能振興我們的機(jī)械加工行業(yè)！

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