淺談數控加工仿真系統(tǒng)在數控技術專業(yè)教學中的重要作用

宣城市信息工程學校  林永美

【摘  要】當前，以數控技術為代表的現(xiàn)代加工技術在國民經濟中得到了廣泛應用，我國的經濟發(fā)展對現(xiàn)代技術人才的需求越來越高。跟傳統(tǒng)的機械加工專業(yè)教學相比較，數控專業(yè)教學存在很多的困難，本文通過數控加工仿真系統(tǒng)在數控專業(yè)課中的應用及作者對仿真軟件的實踐和認識，論述了數控加工仿真系統(tǒng)在數控教學中的實際作用，希以此豐富教學手段，提高教學質量，加快數控技術人才的培養(yǎng)速度。

【關鍵詞】數控加工仿真系統(tǒng)  數控技術  專業(yè)  教學  作用

隨著計算機技術等各種科學技術在制造業(yè)中的廣泛應用，形成了先進的制造技術，這也日益引起世界各國的重視，它是提高企業(yè)國際競爭力和創(chuàng)新能力的根本途徑，而先進制造技術又是以數控技術為主要標志的。我國在“機械工業(yè)振興綱要”中將應用數控技術的“數控機床”列為基礎機械。而據教育部等部委等不久前發(fā)布的數控技術應用等專業(yè)領域的人才需求狀況可知，我國藍領層數控人才需求明顯增加。藍領層數控技術人才是指在生產崗位上承擔數控機床具體操作的技術工人，在企業(yè)數控技術崗位中占70.2%，是目前需求量最大的數控技術工人。教育部關于緊缺人才的報告稱，部分企業(yè)已經大規(guī)模引進了高職畢業(yè)生從事數控機床的操作，可以預見，企業(yè)對藍領層的數控技術工人有很大的需求，而對他們的知識和能力要求會越來越高。我們國家數控技能型人才的緊缺，使我國職業(yè)教育面臨重大考驗。如何發(fā)揮職業(yè)教育的優(yōu)勢，加快培養(yǎng)出社會急需的數控專業(yè)技術人才， 是職業(yè)技術學校當前的重要任務之一。

一、數控技術應用專業(yè)在教學中存在的問題

數控技術包含數控編程技術與實際加工兩個過程，其中數控加工編程課程是一門以應用為目標的綜合性、實踐性課程，是一門介于數控基本理論與數控實際運用之間的課程。數控加工編程課程中很多內容是與實際的機床操作有密切關系的，撇開數控機床的操作與實踐，孤立的去講授數控編程的各類代碼，將很難達到理想的教學效果。在講解數控編程時，首先必須讓學生了解數控機床加工的全過程，包括從程序的編寫、輸入、相關參數的設置、機床操作方法及常用操作按鍵的作用、零件加工過程等，因為很多指令是與加工過程有關的；其次，授課過程中如果一味的講解各種指令的功能，而不通過程序來理解，將會陷入枯燥、乏味，進而難以理解的地步；第三，很多加工指令如果僅憑口頭說明，學生難以理解，如工件坐標系建立指令G92、G54～G59、G50、G00 與G01 在走直線時的區(qū)別、某些固定循環(huán)指令、M00 和M01 的工用等。

二、數控加工仿真系統(tǒng)介紹

從工程的角度來看，仿真就是通過對系統(tǒng)模型的實驗去研究一個已有的或設計中的系統(tǒng)。分析復雜的動態(tài)對象，仿真是一種有效的方法，可以減少風險，縮短設計和制造的周期，并節(jié)約投資。計算機仿真就是借助計算機，利用系統(tǒng)模型對實際系統(tǒng)進行實驗研究的過程。數控加工仿真利用計算機來模擬實際的加工過程，是驗證數控加工程序的可靠性和預測切削過程的有力工具，以減少工件的試切，提高生產效率。

數控加工仿真系統(tǒng)具備對數控機床操作全過程和加工運行全環(huán)境仿真的功能，將加工過程用三維圖形或者二維圖形的方式演示出來?？梢赃M行數控編程的教學，能夠完成整個加工操作過程的教學。使原來需要在數控設備上才能完成的大部分教學功能可以在這個虛擬制造環(huán)境中實現(xiàn)。

當前，國內可見到的數控仿真軟件較多，有以輔助程序編制和運動軌跡校驗型的，其以實際應用為目標，常常包含有程序傳輸功能，如CIMCOEdit、NCSentry、MetaCut等等。還有虛擬現(xiàn)實型的，能夠虛擬仿真出類同于真實三維數控加工的環(huán)境，如數控機床的程序輸入、編輯和調試等，數控機床的操作過程，數控零件的切削加工、測量等內容，這類軟件有浙大辰光、上海宇龍的數控加工仿真系統(tǒng)、南京斯沃數控仿真軟件（SSCNC）、南京宇航數控仿真軟件（YHCNC）、天傲TNS等等。它們都能全面的仿真數控加工的過程，包括機床設定( 支持多種數控系統(tǒng))、定義毛坯、刀具準備、基準測量、 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，并與多種計算機操作系統(tǒng)兼容；操作的安全性很高，不會因為學生的錯誤操作而造成人生傷害，更不會損壞機床；不需要原材料，投入資金少，占地小，不會造成資源的浪費；利用網絡可以搭建交流的平臺，為師生的交互提供了方便等。

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

三、引入數控加工仿真系統(tǒng)對數控應用專業(yè)教學的作用

1、 利用數控加工仿真系統(tǒng)可以彌補設備和師資的不足，提高教學效果。

數控機床實習不比鉗工或車工的實習，它的設備投入是很大的，如果要使每個學生有充足的實習時間的話，可能投入要上百萬，上千萬，這對于一個普通的中等職業(yè)技術學校而言顯然難以承受的。但如果我們在學生實踐操作之前，先利用仿真軟件進行模擬操作，就可以做到給學生充分的實習機會，節(jié)省了操作的時間，縮短了實習的周期。由于大部分的實訓活動可以在仿真系統(tǒng)中實現(xiàn)，使用仿真軟件將大大減少在數控機床設備上的資金投入，同時使學生的實際上機時間大大增加，從而可以加快對學生的培訓速度。而且學生對于機床操作的熟練程度將大大提高，為真正的實際操作也做好了充分的準備，實習效果也將大大提高。

2、 利用數控加工仿真系統(tǒng)能有效的同步實現(xiàn)理論教學與實踐教學，教師授課更方便，學生學習也方便。

和其它專業(yè)課不同，數控專業(yè)是非常抽象的機械專業(yè)學科，它最注重的是實踐性。教學中，如果教師僅僅在課堂上講解，而沒有相應的實踐環(huán)節(jié)，學生會難以理解，所以有許多教學是需要教師進行示范的，教師在機床上對學生進行示范時，很難保證所有的學生能夠聽清、看清，教學效果往往不太理想。凡是涉及數控編程和操作的內容，如工件坐標和機床坐標、G指令、M指令等都可以實現(xiàn)同步教學，使抽象內容形象化，提高了教學質量。比如對刀過程，其實是很容易的事情，但如果用傳統(tǒng)的教學方法，僅在課堂上紙上談兵，大多數學生都難以理解，如果利用仿真軟件一邊演示一邊教學，通過車刀和工件的運動學生就很容易理解，而且還能自己親手操作來加深認識，理論和實踐也能兼顧了。數控加工仿真系統(tǒng)的互動教學功能還可以使教師可以以電視的方式在每個學生的屏幕上演示其教學內容，使所有的學生均能清楚地觀看并進行模仿，同時教師也可以在自己屏幕上看到每個學生的操作情況，實時了解教學情況并對學生進行指導。

3、 利用數控加工仿真系統(tǒng)能極好的調動學生的學習積極性。

對于職技校的學生來講，由于學生各方面的基本素質普遍比較差，而數控專業(yè)課又是一門抽象性很強的學科，加上教學過程的枯燥乏味，很容易讓學生產生厭學的情緒，教學效果也不理想。而數控加工仿真系統(tǒng)以其和實際機床相同的用戶界面和它的可操作性，很大程度上激發(fā)了學生的學習積極性，再開展教學就容易多了。如果結合現(xiàn)場觀摩教學，效果會更加好。更重要的是仿真系統(tǒng)的軟件很容易普及，只要有電腦學生就可以在家里自學，在一定程度上培養(yǎng)了他們的刻苦鉆研和創(chuàng)新精神。

4、 利用數控加工仿真系統(tǒng)，可在電腦上完成所編程序的檢驗，減少實際操作出錯的概率，安全性高，更便于學生學習。

在實際操作時，我們一般利用機床的圖形模擬校驗功能來檢驗程序的正確性，每個學生占用機床時間較長，同時，由于圖形模擬也只能觀看零件的大致輪廓，對于程序中的一些細小處的錯誤判斷不出。所以在實際操作前，學生可以在數控加工仿真系統(tǒng)上輸入程序，將校驗的步驟放在計算機上完成，觀察零件的加工情況，最后將正確的程序輸入到數控機床中，這樣既可節(jié)省時間，又提高了加工中的安全性。由于數控加工仿真系統(tǒng)不存在安全問題，不會因為學生的錯誤操作而損壞機床，更不會造成人身傷害，學生可以大膽地、獨立地進行學習和練習。軟件中不僅具有對學生編制的數控程序進行自動檢測、具體指出錯誤原因的功能，還具有在真實設備上無法實現(xiàn)的三維測量功能。這些功能使得學生可以進行自我學習，自我檢測加工零件幾何形狀的精度，大大降低了教師的工作強度。

5、 利用數控加工仿真系統(tǒng)還可以實現(xiàn)網絡教學和遠程培訓。

隨著社會對技能人才的需求量的增大，職業(yè)學校的功能不再僅僅培養(yǎng)在校學生，它還擔負著進行社會勞動力的培訓任務，這對職業(yè)學校的硬件條件也提出了更高的要求。利用仿真軟件和網絡搭建的平臺，進行遠程的教育將成為一種新的教育教學模式，它打破了地域和時間的限制，加大培訓人員的數量，縮短了培訓的周期。這種方法在很多大專院校已經開始運用，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)學校的數控培訓當中來。

四、運用數控加工仿真系統(tǒng)的注意事項

然而，我們應該看到，和真實的數控機床相比，數控加工仿真系統(tǒng)中的各類機床只能做到基本相同。首先，數控加工仿真系統(tǒng)是基于虛擬現(xiàn)實的仿真軟件，系統(tǒng)中的機床和實際機床是有很多區(qū)別的。以上海宇龍的仿真軟件來說，它的操作面板和系統(tǒng)和實習機床是相同的，但在仿真加工時也存在很多問題，包括走刀路徑不明顯，切削深度和刀具要求不夠實際，對刀時不能設置刀偏，不能對產品質量進行檢驗等；而且仿真軟件的使用，會在一定程度上使學生放松對產品質量和生產安全的認識。因此仿真軟件使用只能作為縮短實習時間，提高實習效率的一種輔助手段，而不能完全拋開實際機床的實習內容，必須適當的安排實習時間，通過實際操作來糾正以上的不足。而且有不少功能在仿真軟件上還體現(xiàn)不出來。如fanuc系統(tǒng)的直接圖紙編程功能，siemens系統(tǒng)的藍圖編程功能，華中系統(tǒng)的G71凹槽粗車循環(huán)等，很容易使學生認為實際機床不具備這些功能。

其次，數控加工仿真系統(tǒng)只是加工過程的模擬并非真實加工過程，它無法代替真實切削加工。因此，學生在利用數控加工仿真系統(tǒng)進行編程與操作練習時，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，一旦到了實際生產中便可能出現(xiàn)打刀現(xiàn)象或影響實際零件的加工質量、降低生產效率等問題。

另外，由于數控加工仿真系統(tǒng)不會出現(xiàn)任何事故，使學生容易放松對安全生產的要求，而對于在練習時出現(xiàn)的撞刀等現(xiàn)象也毫不在意，習慣一旦養(yǎng)成，會在實際生產中造成重大損失。

由于上述原因，在使用數控加工仿真系統(tǒng)教學時，應注意以下事項：

1、 合理安排數控加工仿真軟件學習的階段。

我校的數控加工專業(yè)的學生，數控仿真教學一般安排在普通車床等設備學習完后，數控操作的初學階段，這樣學生具備一定的加工基礎，學習起來較容易，而且教師利用仿真軟件進行初期培訓的效果比較好，同時也可避免初學者易出現(xiàn)的事故。

2、 嚴格按實際操作的要求進行。

雖然是在計算機上進行仿真加工，但教師一定要要求學生按照實際操作加工中的要求來做，如正確裝夾零件，合理選用刀具及切削用量；對刀的步驟和動作也要規(guī)范，讓學生在學習的初期就養(yǎng)成正確的習慣。另外，應盡量避免使用計算機的鍵盤而采用鼠標點擊仿真軟件上系統(tǒng)面板，使學生盡快熟悉面板上各鍵的位置，等到實際操作時就能很快適應。

3、 及時詳細說明軟件與機床不符之處。

對于軟件中和機床的不同之處，教師應及時給學生說明，并根據機床的實際情況對學生詳細講解，以免使學生產生誤解，影響到將來在機床上的編程與操作。

4、 分配好仿真軟件學習和機床操作練習的時間比例。

根據總的實習時間，合理分配好軟件練習和機床操作的時間，特別是當實習條件較好時，上機操作的時間應占較大比例，因為數控加工仿真系統(tǒng)的優(yōu)勢體現(xiàn)在入門基礎培訓上，學生實際操作技能的提高主要還是要依靠上機實際操作練習。

經過數控仿真系統(tǒng)在教學中的使用，效果還是很明顯的。一方面給學校減少了資金的投入，充分利用了有限資源，而且也提高了學生的學習興趣和動手能力。這也說明了在數控教學中利用仿真系統(tǒng)進行輔助教學的可行性。我們相信在不斷的嘗試和研究下，能夠使數控加工仿真系統(tǒng)在數控技術應用專業(yè)教學中發(fā)揮出更大的作用。

數控技術作為先進的制造技術是時代進步的產物，而教育也應該適應時代的進步，這就要求我們不斷的探索和嘗試新的教學方法和理念，只有這樣才能培養(yǎng)出更多更好的數控技術人才，為我們的現(xiàn)代化建設服務，也只有這樣才能振興我們的機械加工行業(yè)！

參考文獻：

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5. 宇龍軟件《數控加工仿真系統(tǒng)》上海宇龍軟件工程有限公司