第1章 緒論

1.1 數(shù)控仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)的思路

機(jī)床數(shù)控技術(shù)是 20 世紀(jì) 70 年代發(fā)展起來(lái)的一種機(jī)床自動(dòng)控制技術(shù)。20 多年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)、傳感與檢測(cè)、自動(dòng)控制及機(jī)械制造等技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床數(shù)控技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。數(shù)控機(jī)床作為典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，是高新技術(shù)的重要組成部分，采用數(shù)控機(jī)床提高機(jī)械工業(yè)的數(shù)控化率，已成為當(dāng)前機(jī)械制造技術(shù)更新的必由之路。近年來(lái)，隨著企業(yè)數(shù)控機(jī)床應(yīng)用率的大幅度提高，數(shù)控機(jī)床的操作技能培養(yǎng)成為各類職業(yè)院校一個(gè)急待解決的問題。而數(shù)控機(jī)床是高技術(shù)產(chǎn)品，價(jià)格較昂貴，許多院校受場(chǎng)地和資金的限制，無(wú)法購(gòu)置大量的數(shù)控機(jī)床來(lái)供學(xué)生實(shí)訓(xùn)。另一方面，學(xué)生直接在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行操作練習(xí)，容易因?yàn)榕嘤?xùn)中的誤操作而導(dǎo)致設(shè)備的損壞，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，如何根據(jù)各院校的具體情況，在滿足數(shù)控專業(yè)教學(xué)和實(shí)訓(xùn)需要的同時(shí)，做到“少花錢，辦大事”，是各類職業(yè)院校迫切需要解決的問題。

數(shù)控加工仿真系統(tǒng)可以模擬實(shí)際設(shè)備加工環(huán)境及其工作狀態(tài)，不僅可以應(yīng)用于制造企業(yè)中，對(duì)數(shù)控加工程序進(jìn)行快速、精確的仿真，驗(yàn)證數(shù)控程序的可靠性，防止干涉和碰撞等情況的發(fā)生，而且還可以用做數(shù)控技術(shù)操作技能的教學(xué)培訓(xùn)，既可以使受訓(xùn)人員達(dá)到實(shí)物操作訓(xùn)練的目的，又可以大幅減少昂貴設(shè)備的投入，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

因此，學(xué)校可通過(guò)數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的大量運(yùn)用，使虛擬設(shè)備與真實(shí)數(shù)控設(shè)備有機(jī)結(jié)合，建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)、高技術(shù)含量的數(shù)控網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，使學(xué)校可以按循序漸進(jìn)、由淺入深的認(rèn)知規(guī)律，對(duì)學(xué)生進(jìn)行數(shù)控手工編程→零件產(chǎn)品造型和計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程→數(shù)控加工仿真系統(tǒng)操作→生產(chǎn)型數(shù)控機(jī)床操作訓(xùn)練→數(shù)控工藝員培訓(xùn)或數(shù)控操作工職業(yè)技能等級(jí)考證培訓(xùn)，更好地培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需求的數(shù)控專業(yè)人才。

數(shù)控仿真系統(tǒng)的運(yùn)用，將是職業(yè)院校進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)新的發(fā)展方向。

1.1.1 數(shù)控加工仿真技術(shù)簡(jiǎn)介

在數(shù)控加工過(guò)程中，為檢查數(shù)控程序的正確性，傳統(tǒng)上采用試切的方法，但這種方法費(fèi)工費(fèi)料，代價(jià)昂貴，延長(zhǎng)了產(chǎn)品生產(chǎn)周期。后來(lái)又采用軌跡顯示法，即用計(jì)算機(jī)控制鉛筆繪圖器，以筆代替刀具，以紙代替毛坯來(lái)仿真刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的二維圖形。這種方法可以顯示二軸加工軌跡，也可以檢查一些大的錯(cuò)誤，但其運(yùn)動(dòng)僅限于平面，局限性很大。為此，人們一直在研究能逐步代替試切的仿真方法，并在試切環(huán)境的模型化、仿真計(jì)算和圖形顯示等方面取得了重要的進(jìn)展。在這種情況下，數(shù)控加工的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

仿真技術(shù)是復(fù)雜系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)的一種新型和有效的工具。所謂數(shù)控加工仿真，是指采用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的手段對(duì)加工走刀和零件切削過(guò)程進(jìn)行模擬，具有快速、仿真度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。它采用可視化技術(shù)，通過(guò)仿真和建模軟件，模擬實(shí)際的加工過(guò)程，在計(jì)算機(jī)屏幕上將銑、車、鉆、鏜等加工方法的加工路線描繪出來(lái)，并能提供錯(cuò)誤信息的反饋，使工程技術(shù)人員能預(yù)先看到制造過(guò)程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的不足，有效預(yù)測(cè)數(shù)控加工過(guò)程和切削過(guò)程的可靠性及高效性，此外，還可以對(duì)一些意外情況進(jìn)行控制。數(shù)控加工仿真代替了試切等傳統(tǒng)的走刀軌跡的檢驗(yàn)方法，大大提高了數(shù)控機(jī)床的有效工時(shí)和使用壽命，因此在制造業(yè)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

數(shù)控加工仿真系統(tǒng)可由兩個(gè)模塊組成：

（1）仿真環(huán)境。由機(jī)床、工件、夾具、刀具庫(kù)構(gòu)成。

（2）仿真過(guò)程。包括幾何仿真和力學(xué)仿真兩個(gè)部分。幾何仿真將刀具與零件視為剛體，不考慮切削參數(shù)、切削力等其他物理因素的影響，只仿真刀具、工件幾何體的運(yùn)動(dòng)來(lái)驗(yàn)證NC程序的正確性；切削過(guò)程的力學(xué)仿真屬于物理仿真范疇，需要考慮精度分析等影響加工質(zhì)量的因素，它通過(guò)仿真切削過(guò)程的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性來(lái)預(yù)測(cè)刀具破損、刀具振動(dòng)、控制切削參數(shù)，從而優(yōu)化切削過(guò)程。

對(duì)于數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，目前較流行的有四種方案：

（1）基于VC++和openGL技術(shù)開發(fā)。

（2）基于VC++與現(xiàn)有造型軟件結(jié)合的開發(fā)。

（3）基于VRML技術(shù)的開發(fā)。

（4）基于現(xiàn)有 CAD/CAM 軟件的二次開發(fā)。其中第一種方案和第二種方案都需要開發(fā)人員編寫大量代碼；第三種方案的優(yōu)點(diǎn)是可以開發(fā)出基于網(wǎng)絡(luò)的仿真系統(tǒng)，缺點(diǎn)是對(duì)于機(jī)床的加工仿真尚需大量的編程工作，而且缺乏相應(yīng)的技術(shù)基礎(chǔ)；第四種方案是利用基于特征的通用機(jī)械CAD/CAM軟件系統(tǒng)，提供功能強(qiáng)大的二次開發(fā)模塊。例如，UG、Pro/Engineer、CATIA等著名的大型CAD/CAM軟件就提供了MS VC++的開發(fā)方法和接口，SolidWorks提供了基于 COM 和 OLE 技術(shù)的二次開發(fā)接口。采用以上軟件系統(tǒng)作為仿真系統(tǒng)的圖形顯示平臺(tái)，開發(fā)者無(wú)須考慮環(huán)境光源、材質(zhì)等影響真實(shí)感的因素，大大降低了編程的難度和強(qiáng)度；工件毛坯直接由設(shè)計(jì)過(guò)程調(diào)用，具有完全的真實(shí)形狀，仿真結(jié)果直觀易懂；仿真圖形易于控制，具有旋轉(zhuǎn)、放大、剖切和加工過(guò)程記錄等特點(diǎn)，在航天航空、汽車制造、模具加工、通用機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

1.1.2 數(shù)控仿真軟件的教學(xué)應(yīng)用

數(shù)控仿真系統(tǒng)可以模擬實(shí)際設(shè)備加工環(huán)境及其工作狀態(tài)，數(shù)控加工仿真技術(shù)為驗(yàn)證數(shù)控程序的可靠性、防止干涉和碰撞的發(fā)生及預(yù)測(cè)加工過(guò)程提供了強(qiáng)有力的工具。

針對(duì)目前 PC 的普及，以及在數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)機(jī)上教學(xué)的諸多不便，結(jié)合數(shù)控加工技術(shù)教學(xué)實(shí)踐，將基于 PC 平臺(tái)的數(shù)控加工仿真教學(xué)系統(tǒng)，用于數(shù)控操作人才的培訓(xùn)和教學(xué)。在培訓(xùn)和教學(xué)過(guò)程中，數(shù)控機(jī)床的模擬操作通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕上的仿真操作面板進(jìn)行，而零件切削過(guò)程可在機(jī)床仿真模型上用三維動(dòng)畫演示，仿真加工和操作幾乎與實(shí)際機(jī)床的真實(shí)情況一樣。

目前，應(yīng)用較為廣泛的數(shù)控仿真系統(tǒng)主要有上海宇龍的“數(shù)控加工仿真系統(tǒng)”和德國(guó)“MTS 數(shù)控編程仿真系統(tǒng)”。這類軟件可以用來(lái)學(xué)習(xí)數(shù)控機(jī)床的編程與操作，具有“以軟代硬”來(lái)熟悉編程與操作、減少?gòu)U品和撞機(jī)等優(yōu)點(diǎn)，是一種現(xiàn)代化教學(xué)和實(shí)訓(xùn)的好方法。隨著CNC 仿真軟件的發(fā)展，軟件的功能越來(lái)越強(qiáng)大，不但能仿真切削加工，而且能測(cè)量虛擬工件；還可以對(duì)工件的加工工藝和加工質(zhì)量進(jìn)行分析，并能通過(guò) RS232 等通信接口，直接控制數(shù)控機(jī)床的加工。

1.上海宇龍“數(shù)控加工仿真系統(tǒng)”

上海宇龍軟件工程有限公司開發(fā)的“數(shù)控加工仿真系統(tǒng)”，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控銑床、數(shù)控車床、加工中心加工全過(guò)程的仿真，具有基于聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)等進(jìn)行雙向互動(dòng)的遠(yuǎn)程教育功能，數(shù)據(jù)傳送可以采用衛(wèi)星、寬帶（ADSL、ISDN、有線 CABLE 等）或窄帶聯(lián)網(wǎng)（MODEM）等方式進(jìn)行。該系統(tǒng)支持毛坯定義，夾具、刀具定義與選用，零件基準(zhǔn)測(cè)量和設(shè)置，數(shù)控程序輸入、編輯和調(diào)試，加工仿真以及各種錯(cuò)誤檢測(cè)功能。

該系統(tǒng)具有較高的可靠性、安全性和數(shù)據(jù)完整性，具有易學(xué)、易用、易操作、易維護(hù)等特點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)分成四個(gè)模塊，每一個(gè)模塊中包含不同功能，每個(gè)模塊功能都與相應(yīng)的功能鍵連接。狀態(tài)欄能夠顯示正在執(zhí)行的程序代碼情況、實(shí)時(shí)機(jī)床狀態(tài)參數(shù)反饋及在線提示等。根據(jù)機(jī)床加工的特點(diǎn)和實(shí)際機(jī)床工作流程，系統(tǒng)采用如圖1.1所示的結(jié)構(gòu)，包括用戶界面模塊、程序編輯模塊、程序處理模塊、模擬加工模塊。

（1）用戶界面模塊。用于設(shè)立數(shù)控加工環(huán)境，主要包括三維顯示的數(shù)控加工環(huán)境、數(shù)控系統(tǒng)仿真面板。如圖1.2所示為數(shù)控仿真系統(tǒng)中的FANUC 0i機(jī)床面板，在該面板上既包括數(shù)控系統(tǒng)的顯示屏及功能鍵，也有機(jī)床操作部分的按鈕及旋鈕，通過(guò)該面板可將機(jī)床的加工過(guò)程逼真地顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。面板可在NC程序的驅(qū)動(dòng)下，用三維動(dòng)畫仿真顯示加工過(guò)程，畫面可放大或縮小，還可以從任意角度觀察加工過(guò)程。

（2）程序編輯模塊。用于數(shù)控程序的輸入、修改及顯示編輯。NC 程序的讀取如同生產(chǎn)實(shí)際一樣，采用面板手工輸入和程序文件讀入兩種方式。

（3）程序處理模塊。通過(guò)對(duì)NC代碼的理解、檢查代碼語(yǔ)法語(yǔ)意的正確性，經(jīng)過(guò)譯碼、刀補(bǔ)計(jì)算、進(jìn)給速度處理，得到刀具中心軌跡和其他所需數(shù)據(jù)，用于模擬加工。

（4）模擬加工模塊。具有自動(dòng)加工和手動(dòng)加工等功能，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)處理后NC程序的離散和插補(bǔ)，直接驅(qū)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)顯示屏或三維動(dòng)畫仿真。在模擬加工過(guò)程中，數(shù)控系統(tǒng)顯示屏按實(shí)際加工狀態(tài)，可工作在圖形模擬或數(shù)字狀態(tài)兩種方式下。

“數(shù)控加工仿真系統(tǒng)”4.3版本包括了目前國(guó)內(nèi)常用數(shù)控系統(tǒng)的仿真，如表1-1所示。

2.MTS數(shù)控仿真系統(tǒng)

從德國(guó)引進(jìn)的MTS數(shù)控仿真系統(tǒng)有Top Turn、Top Mill和Top Cam三個(gè)模塊，可以實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的主要功能：

（1）交互式編程功能。

（2）數(shù)控系統(tǒng)后置處理功能。

（3）數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存工藝數(shù)據(jù)功能。

（4）對(duì)刀功能。

（5）建立工藝檔案功能。

（6）仿真模擬功能。

（7）加工質(zhì)量分析功能。