数控加工仿真技术范文

【关键词】数控仿真技术机械类实践性教学

【中图分类号】G642【文献标识码】A【文章编号】1006－9682（2011）09－0102－02

【Abstract】Thisarticlebrieflyintroducedthenumericalcontrolsimulationtechnologyconcept,theresearchpresentsituationandinthemachineryclasspracticalteachinglinkapplication.

【Keywords】NumericalcontrolsimulationtechnologyMachineryclassPracticalteaching

近几年，就业形势比较严峻，为了提高学生的就业机会，必须增强学生的动手能力，要做到这一点，加强实践性教学环节是关键。但对于大多数院校来说，资金短缺是共同的问题。解决这一问题的最好办法是引入仿真技术。

一、数控仿真技术

1．计算机仿真的概念及应用

从工程的角度来看，仿真就是通过对系统模型的实验去研究一个已有的或设计中的系统。分析复杂的动态对象，仿真是一种有效的方法，可以减少风险，缩短设计和制造的周期，并节约投资。计算机仿真就是借助计算机，利用系统模型对实际系统进行实验研究的过程。它随着计算机技术的发展而迅速地发展，在仿真中占有越来越重要的地位。计算机仿真的过程可通过图1所示的要素间的三个基本活动来描述：［1］

建模活动是通过对实际系统的观测或检测，在忽略次要因素及不可检测变量的基础上，用物理或数学的方法进行描述，从而获得实际系统的简化近似模型。这里的模型同实际系统的功能与参数之间应具有相似性和对应性。

仿真模型是对系统的数学模型（简化模型）进行一定的算法处理，使其成为合适的形式（如将数值积分变为迭代运算模型）之后，成为能被计算机接受的“可计算模型”。仿真模型对实际系统来讲是一个二次简化的模型。

仿真实验是指将系统的仿真模型在计算机上运行的过程。仿真是通过实验来研究实际系统的一种技术，通过仿真技术可以弄清系统内在结构变量和环境条件的影响。

计算机仿真技术的发展趋势主要表现在两个方面：应用领域的扩大和仿真计算机的智能化。计算机仿真技术不仅在传统的工程技术领域（航空、航天、化工等方面）继续发展，而且扩大到社会经济、生物等许多非工程领域，此外，并行处理、人工智能、知识库和专家系统等技术的发展正影响着仿真计算机的发展。

数控加工仿真利用计算机来模拟实际的加工过程，是验证数控加工程序的可靠性和预测切削过程的有力工具，以减少工件的试切，提高生产效率。

2．数控仿真技术的研究现状

数控机床加工零件是靠数控指令程序控制完成的。为确保数控程序的正确性，防止加工过程中干涉和碰撞的发生，在实际生产中，常采用试切的方法进行检验。但这种方法费工费料，代价昂贵，使生产成本上升，增加了产品加工时间和生产周期。后来又采用轨迹显示法，即以划针或笔代替刀具，以着色板或纸代替工件来仿真刀具运动轨迹的二维图形（也可以显示二维半的加工轨迹），有相当大的局限性。对于工件的三维和多维加工，也有用易切削的材料代替工件（如石蜡、木料、改性树脂和塑料等）来检验加工的切削轨迹。但是，试切要占用数控机床和加工现场。为此，人们一直在研究能逐步代替试切的计算机仿真方法，并在试切环境的模型化、仿真计算和图形显示等方面取得了重要的进展，目前正向提高模型的精确度、仿真计算实时化和改善图形显示的真实感等方向发展。

从试切环境的模型特点来看，目前NC切削过程仿真分几何仿真和力学仿真两个方面。几何仿真不考虑切削参数、切削力及其他物理因素的影响，只仿真刀具工件几何体的运动，以验证NC程序的正确性。它可以减少或消除因程序错误而导致的机床损伤、夹具破坏或刀具折断、零件报废等问题，同时可以减少从产品设计到制造的时间，降低生产成本。切削过程的力学仿真属于物理仿真范畴，它通过仿真切削过程的动态力学特性来预测刀具破损、刀具振动、控制切削参数，从而达到优化切削过程的目的。

二、机械类专业实践性教学中存在的问题

1．《金工实习》教学中存在的问题

《金工实习》是机械类专业必修的一门实践性技术基础课。通过《金工实习》教学使学生初步接触生产实际，获得机械工业生产中常用金属材料及其加工方法的基本知识，受到一定的基本操作训练，为学习其他有关课程和将来从事生产技术、经营、管理等工作打下实践基础。

传统金工实习教学的主要内容是：［2］铸造、锻压、焊接、热处理、钳工、普通机床的机械加工。随着数控机床在我国机械制造行业的应用越来越广泛，对数控方面人才的需求也越来越大。数控机床的高性能、高精度、高可靠性，增加与增强使用功能，以及简化产品结构，改善操作性能，节约能源材料，减轻劳动强度，增大生产柔性，缩短生产周期和生产准备周期等优点，正满足了企业提高产品质量，降低生产成本，提高产品在市场竞争力的要求，故近年来许多厂家竞相采用数控机床。为了提升机械类专业的技术含金量，使这些专业能满足现代化生产的需要，就必须在教学中增加或增大数控加工的内容。因此，在金工实习中减少普通机械加工的课时，增填数控加工的内容势在必行。

2．《数控技术》教学中存在的问题

《数控技术》是机械类专业必修的一门专业课。通过该课程的学习使学生掌握数控机床的工作原理、组成、分类；程序代码运用；CNC系统的组成及工作原理；插补原理；刀补原理；加减速控制原理；伺服系统的组成及工作原理；位置检测元件的原理；掌握简单零件的手工编程方法。

根据教学大纲，该课程有4个课时的实验，主要是熟练手工编程的方法，需要的主要实验设备是数控机床。但对于大多数院校来说，不可能购置多台数控机床，因此存在实验设备短缺的问题，不能很好地满足教学要求。

三、改革机械类专业实践性教学的措施

数控机床是一种精密的自动化机床，价格昂贵。但对于机械类专业来说，又是必不可少的教学设备。因此，根据实验室现有的数控机床（数量有限），订购相应的数控加工仿真软件，是一种两全其美的好办法。数控加工仿真软件可以让每个学生在电脑上模拟操作数控机床，教师可以在电脑上验证学生的学习效果，让教学更加直观、生动。实际上，利用购买一台数控铣床的费用，就可以购置30个点的网络数控仿真软件及相应的电脑。

在进行数控加工实习时，先让学生在电脑上通过数控加工仿真软件模拟操作数控机床，操作熟练后再让学生操作真实机床，增强手感。在进行《数控技术》课程实验时，先让学生在数控仿真机床上练习手工编程，修改无误并操作熟练后再让学生在真实机床上操作。这种教学方式，一方面可以大大减少资金的投入，减少实习、实验用房；另一方面可以增加学生动手的机会，在一定程度上提高学生的动手能力；其次，利用数控仿真机床教学，即使操作失误，也不会损坏设备，更不会造成人身伤害，安全可靠。因此，目前大多数工科院校普遍采用数控仿真软件教学，以便解决满足教学要求与资金短缺之间的矛盾。

参考文献

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【关键词】虚拟数控机床；数控教学与培训；虚拟现实仿真

随着数控加工在机械制造业中的广泛应用，数控操作者的大量培训便成为迫切的问题。在传统的操作培训中，数控编程和操作的有效培训必须在实际机床上进行，这既占用了设备加工时间，又具有风险，培训中的误操作经常会导致昂贵设备的损坏。

随着计算技术的发展，尤其是虚拟现实技术和理念的发展，产生了可以模拟实际设备加工环境及其工作状态的计算机仿真培训系统。它用计算机仿真培训系统进行培训，不仅可迅速提高操作者的素质，而且安全可靠、费用低。

与科学幻想相似，想象力和技术的相互结合造就了虚拟现实。培根在13世纪写的没有马的轿车和配备动力的机械的科幻故事就是这类结合的早期见证，凡尔纳在19世纪写了火箭和潜水艇的预言性科幻小说，特别是一些科幻作家们已做出的各种利用虚拟现实的基本概念的设想正在逐步变成了具体化。上世纪内所建树的几个技术性里程碑使得虚拟现实成为可能，电话、无线电、电视、半导体三极管和集成电路（微处理器芯片）和液晶显示器。尤其是计算机技术的飞速发展。一些早期的仿真尝试（例如第一台飞行模拟器、立体电影、电视游戏等）都已成为当今虚拟现实仿真的先驱。当然虚拟现实技术的发展历程与电子学以及计算机产业的蓬勃发展是分不开的。

目前在国内已经有少数高等院校将计算机仿真初步运用于数控操作人才培训的教学之中，也产生了各种仿真教学系统。这些教学系统既能单机系统独立运行，又能在线运行。独立运行即机床模型方式，其培训设施只需一台微机，数控机床的模拟操作在显示屏显示的仿真面板上进行，而零件切削过程由机床模型三维动画演示，用这种方式进行初步培训是经济有效的；在线运行即机床工作方式，这种方式下教学系统将与实际机床连接，由硬件实现零件切削过程，这时除了操作者是用仿真面板操作外，其它则与实际机床的真实情况一样，简单来讲就是利用计算机和其他的专用硬件软件去产生一种真实场景的仿真，参与者可以通过与仿真场景的交互来体验一种接近于真实的场景的感觉。因此能进一步培训操作者的实际工作技能。

数控仿真系统的核心是虚拟数控机床，而虚拟数控机床又是虚拟制造技术中的一个执行单元，它不仅在数控加工过程中为产品设计提供了可制造性的分析，而且在数控系统的学习和培训中，为各类学校和企业技术人员提供了完善的学习和培训。该类系统完全模拟零件的切削过程，能检验数控指令正确与否，提供一套功能齐全的调试、编辑、修改和跟踪执行等功能。

一、虚拟数控系统功能

虚拟数控机床实际上是虚拟环境中数控机床的模型。与真实机床相比，虚拟数控机床应具有以下功能：

虚拟数控机床应具有与真实机床完全相同的结构。虚拟数控机床能模仿真实机床的任何功能而不致因为采用某种近似替代而导致某种结构和信息的失真或丢失.并应与真实机床有完全相同的界面风格，为技术人员的学习和培训提供保证。

虚拟数控机床强大的网络功能，为远程教育提供可能。

完善的图形和标准数据接口。用户既能在真实的环境中运行虚拟机床，又能观察它的各种远行参数，并能与其他CAD／CAM软件接口。

二、平台的购建

虚拟数控机床是如何实现这些功能的呢？它一般是通过以下的构建平台来实现。

1.Nc解释平台:NC解释平台包括NC解释器和NC验证器。任务分配数据库从任务调度中接受数控代码并将其翻译为虚拟机床的部件、刀具等运动的信息，并将其通过计算模块来模拟机床的响应，NC解释器能够被自由地配置从而能够模拟任何一种数控机床的CNC控制器。

2.NC验证器，能够验证NC代码的语法正确性。

3.刀具库:刀具库应包括一台数控机床所需的刀具，并能自由配置刀具库中的刀具号.从而能模拟任何一种数控机床的换刀形式。

4.仿真平台:仿真平台包括刀具轨迹仿真、切削力仿真，加工精度仿真、三维动画仿真、加工工时统计分析，仿真平台是虚拟数控机床的核心技术。操作者可以在虚拟的环境中进行机床运动和切削过程等的仿真，从中获得相关的加工数据。如进给轴的位移量、换刀状态、主轴转速、加速度、进给量、加工时间等。通过加工过程的仿真，了解所设计工件的可加工性，验证NC代码的正确性以及评价和优化加工过程，并通过在线修改NC代码来优化NC代码。

5.计算平台:计算平台用来完成虚拟数控机床中各种计算，如根据NC代码计算加工零件新的几何形状，根据刀具的材料、运行时间、零件的材料性质和介质的性质计算刀具的补偿量和热补偿量。这些计算结果是虚拟数控机床在应用于虚拟制造过程中的加工方案评价以及可制造性分析所必须的。

6.设计开发平台:虚拟数控机床的设计平台是一个面向对象的数控软件库及其开发环境。通过对数控软件的标准化、规范化研究和其它CAD／CAM软件的数据交换，并对典型的零件进行封装，设计成具有稳定、通用接口的可重用的软件。

7.操作运行平台和监控平台:在虚拟环境中完全实现真实机床的操作，让使用者完全感受到真实机床的运行特性。在这些基础上的监控硬件和软件，用来控制简易机床.增加虚拟数控机床的真实感.并且可以进行典型零件的实验性试切加工，让使用者有一种身临其尽的感觉。尤其是在数控教学和培训过程中，初学数控编程者需要大量的编程练习，并进行实际调试。用试切法来检验数控加工程序显然不合理，而且也难于实现。如果利用仿真技术，这些问题可以轻松得到解决，从而避免编程时人为出错或工艺不合理造成工件报废。

三、总结

鉴于虚拟数控机床具备的功能，针对目前我单位数控教学课程和参加数控实习学生人数的增多，及数控设备较为精密、昂贵的特点。把数控加工仿真软件引入教学之中，用于数控机床操作与编程培训，这样既可以避免因误操作造成价格昂贵的数控机床的损坏，又可以使操作人员在对仿真数控机床操作过程中产生临场感和真实感。而且能够让同学们更快地熟悉和了解数控加工的工作过程，并且掌握每种数控机床的基本操作。更大的好处是在实现了同样效果的情况下将加工出错及事故发生率降低到了最小程度。

学校目前的硬件设施基本具备，包括微机房、局域网和各类数控机床等。不久的将来在校园网接通之后，这种教学方式确实很有可能成为现实，相信这种教学方式必将成为一种必要的教学手段。

参考文献

1曾小惠，吴明华，潘铁虹.在线数控加工仿真教学系统的实现.

数控加工仿真技术范文篇3

【关键词】仿真软件；数控技术；教学应用与实践

0.引言

随着数控加工技术在机械制造业中的作用越来越重要，我国各大职业院校逐渐加大对数控加工专业的重视和关注。随着教育的改革，为了有效的培养相关专业学生的专业技术和职业能力，大多院校改变了教学手段和方法，大量引进先进的技术设备，例如数控机床，提高学生的专业技能和实践能力[1]。同时，数控设备昂贵的经费和资金短缺的问题越来越突出，经过多年的教学实践探索，大多院校将仿真软件引用到数控技术教学当中，有效的缓解了这些问题，将理论知识和实践能力有效的结合起来，对教学效率的提高具有重要的作用。

1.仿真软件在数控技术教学中应用的重要性

1.1弥补设备的不足，节约教学和设备资金

数控机床教学与实习需要投入极大的设备量，如果要确保每个学生有充足的实习时间，就需要成千上万的投入经费，但对于学校所能承受的财力来说，是难以实现的。如果需要建立一个50人实习的数控车床场地，每个实习岗位安排两名实习学生，就需要25台数控机床。如果每台数控机床以9万元计算，总共需要450万设备投资经费。如果使用仿真软件进行工种实习教学，就可以极大的降低设备投入的经费，不仅可以满足教学的需要，还可以确保每个学生有充足的训练时间，促进实训效率的提高[2]。

1.2结合理论学习，实现同步教学

数控技术教学和其他专业课程不同，由于数控课程是一门非常抽象的学科，对实践能力非常注重。如果仅只是停留在传统的教学方法上，仅能够将理论知识传授给学生，影响到学生实践能力的培养。如果运用仿真软件进行课堂教学，通过演示教学，例如演示车刀和工件的运动现象，就能够使得学生更加容易理解所学的知识，并通过自身的动手操作，能够加深认知，使得理论知识和实践相互渗透，从而实现理论和实践同步教学的目的，将抽象的知识转化为具体的实践经验，极大的促进了教学质量的提高。

2.仿真软件在数控技术教学中应用方式

2.1仿真软件在数控技术课堂教学中应用

数控技术应用课堂教学的过程中，传统的教学方式只停留在书本和理论知识的教学，教学难度和效果均不够理想。由于数控技术课程抽象、难理解、不易记忆、枯燥等因素使得学生厌学、畏惧困难。将仿真软件引入数控技术教学中，就可以运用多媒体设备和仿真软件组织数控操作情境，对数控技术进行模拟教学。在进行数控机床操作的时候，可以运用仿真机床进行现场操作演示，根据数控机床的步骤，进行一步一步的演示，充分运用多媒体的放大、旋转等功能，将每一个操作环节放大到学生的面前，让学生清楚了解操作中的细节。通过多媒体的图像、声音等效果，使得数控技术演示效果更加明显，从而更加容易让学生加深教学印象。在进行指令编程教学的时候，可以通过演示数控加工所需的主要技术的时候，可以将夹具的操作流程演示出来，这种教学方式即形象又直观，在一定程度上能够调动学生的积极性，提高学生对数控教学的兴趣[3]。在工艺基础教学方面，可以将夹具或机床的定义和功能利用多媒体展现出来，展示不同的加工工艺方式和不同的加工过程，通过灵活多变的教学方式和组织教学，让学生充分了解教材内容，加深学生对教材知识的理解程度。

2.2仿真软件在数控技术实践环节中的应用

在数控技术教学课程的实践环节中，数控仿真软件的运用能够发挥出较好的作用，学生可以利用仿真软件来提高自身的实践动手能力。学校应根据教材的需求，建立相关的数控仿真机房，用来配合理论知识教学的试验训练，配合数控铣工的综合实训教学，另外一个需要配合数控车工的实训教学。使得课堂理论教学、机房仿真实验训练、数控实训操作生产三者有机的结合起来，建立一系列的实训模拟培训方式。在教学的过程中，将理论教学和仿真训练教学结合起来。教师在安排课程的时候，可以将前两节课程用来理论知识教学，后两节用来进行实训教学[4]。这样一来，能够将现学的理论知识充分运用到实践当中，有利于巩固所学的知识，并熟练运用到实践当中。在进行仿真实训的过程中，先让学生熟练仿真机房的实训，学生熟练操作手法和技能后，再将学生带入到数控机床操作生产的实训中，从而使得教学的理论知识和实践知识运用到实际的生产操作中，在很大程度上提高了学生的职业能力和专业技能。学生通过自身的动手操作，并对操作手法进行验证，对所学的知识进一步巩固和加深，从而将理论知识成功的转变为实践技能。大大的提高了学生的实践能力和动手能力。

3.总结

仿真软件在数控技术教学中的运用，创建了一个良好的数控技术应用环境和实训平台，将传统的教学模式成功的转变为理论和实践一体化的模式。不仅顺应教育改革的发展需要，还有效的解决了教学中的问题。仿真软件在数控技术教学中的应用和实践，还需要广大教育工作者的努力，不断优化仿真软件在教学中的作用和功能，不断改进在实验教学中的方式和策略，使得仿真软件在数控技术教学中发挥出更大的功能和作用，促进教学效率的提高，促进学生专业技能水平和专业职能得出培养，提升学生的就业率。

参考文献

[1]李勇峰，陈洪涛.浅析数控加工仿真系统软件在数控教学和技能鉴定中的应用[J].科技经济市场，2010，23（04）：157-158.

[2]周慧丽，张伟志.浅谈数控机床仿真系统在教学中的应用[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2011，12（07）：164-165.