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數(shù)控機(jī)床仿真在數(shù)控教學(xué)中的引用
北京航空航天大學(xué)工程訓(xùn)練中心 劉雅靜 2006/8/28
摘 要：本文結(jié)合當(dāng)今數(shù)控機(jī)床仿真軟件的出現(xiàn)和我單位數(shù)控加工教學(xué)和培訓(xùn)的職能，及數(shù)控機(jī)床操作培訓(xùn)事故率多、對(duì)機(jī)床損壞大等特點(diǎn)論述對(duì)于初次接觸數(shù)控機(jī)床的學(xué)生和學(xué)員結(jié)合數(shù)控機(jī)床仿真軟件來進(jìn)行基本操作培訓(xùn)。
關(guān)鍵詞：虛擬數(shù)控機(jī)床 數(shù)控教學(xué)與培訓(xùn) 虛擬現(xiàn)實(shí) 仿真
0 引言
隨著數(shù)控加工在機(jī)械制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，數(shù)控操作者的大量培訓(xùn)便成為迫切的問題。在傳統(tǒng)的操作培訓(xùn)中，數(shù)控編程和操作的有效培訓(xùn)必須在實(shí)際機(jī)床上進(jìn)行，這既占用了設(shè)備加工時(shí)間，又具有風(fēng)險(xiǎn)，培訓(xùn)中的誤操作經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致昂貴設(shè)備的損壞。
隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，尤其是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和理念的發(fā)展，產(chǎn)生了可以模擬實(shí)際設(shè)備加工環(huán)境及其工作狀態(tài)的計(jì)算機(jī)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。它用計(jì)算機(jī)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行培訓(xùn)，不僅可迅速提高操作者的素質(zhì)，而且安全可靠、費(fèi)用低。
與科學(xué)幻想相似，想象力和技術(shù)的相互結(jié)合造就了虛擬現(xiàn)實(shí)。培根在13世紀(jì)寫的沒有馬的轎車和配備動(dòng)力的機(jī)械的科幻故事就是這類結(jié)合的早期見證，凡爾納在19世紀(jì)寫了火箭和潛水艇的預(yù)言性科幻小說，特別是一些科幻作家們已做出的各種利用虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念的設(shè)想正在逐步變成了具體化。上世紀(jì)內(nèi)所建樹的幾個(gè)技術(shù)性里程碑使得虛擬現(xiàn)實(shí)成為可能，電話、無線電、電視、半導(dǎo)體三極管和集成電路(微處理器芯片)和液晶顯示器。尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展。一些早期的仿真嘗試(例如第一臺(tái)飛行模擬器、立體電影、電視游戲等)都已成為當(dāng)今虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的先驅(qū)。當(dāng)然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展歷程與電子學(xué)以及計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展是分不開的。
目前在國內(nèi)已經(jīng)有少數(shù)高等院校將計(jì)算機(jī)仿真初步運(yùn)用于數(shù)控操作人才培訓(xùn)的教學(xué)之中，也產(chǎn)生了各種仿真教學(xué)系統(tǒng)。這些教學(xué)系統(tǒng)既能單機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，又能在線運(yùn)行。獨(dú)立運(yùn)行即機(jī)床模型方式，其培訓(xùn)設(shè)施只需一臺(tái)微機(jī)，數(shù)控機(jī)床的模擬操作在顯示屏顯示的仿真面板上進(jìn)行，而零件切削過程由機(jī)床模型三維動(dòng)畫演示，用這種方式進(jìn)行初步培訓(xùn)是經(jīng)濟(jì)有效的；在線運(yùn)行即機(jī)床工作方式，這種方式下教學(xué)系統(tǒng)將與實(shí)際機(jī)床連接，由硬件實(shí)現(xiàn)零件切削過程，這時(shí)除了操作者是用仿真面板操作外，其它則與實(shí)際機(jī)床的真實(shí)情況一樣，簡單來講就是利用計(jì)算機(jī)和其他的專用硬件軟件去產(chǎn)生一種真實(shí)場(chǎng)景的仿真，參與者可以通過與仿真場(chǎng)景的交互來體驗(yàn)一種接近于真實(shí)的場(chǎng)景的感覺。因此能進(jìn)一步培訓(xùn)操作者的實(shí)際工作技能。
數(shù)控仿真系統(tǒng)的核心是虛擬數(shù)控機(jī)床，而虛擬數(shù)控機(jī)床又是虛擬制造技術(shù)中的一個(gè)執(zhí)行單元，它不僅在數(shù)控加工過程中為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了可制造性的分析，而且在數(shù)控系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)中，為各類學(xué)校和企業(yè)技術(shù)人員提供了完善的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)。該類系統(tǒng)完全模擬零件的切削過程，能檢驗(yàn)數(shù)控指令正確與否，提供一套功能齊全的調(diào)試、編輯、修改和跟蹤執(zhí)行等功能。
1 虛擬數(shù)控系統(tǒng)功能
虛擬數(shù)控機(jī)床實(shí)際上是虛擬環(huán)境中數(shù)控機(jī)床的模型。與真實(shí)機(jī)床相比，虛擬數(shù)控機(jī)床應(yīng)具有以下功能：
•虛擬數(shù)控機(jī)床應(yīng)具有與真實(shí)機(jī)床完全相同的結(jié)構(gòu)。虛擬數(shù)控機(jī)床能模仿真實(shí)機(jī)床的任何功能而不致因?yàn)椴捎媚撤N近似替代而導(dǎo)致某種結(jié)構(gòu)和信息的失真或丟失．并應(yīng)與真實(shí)機(jī)床有完全相同的界面風(fēng)格，為技術(shù)人員的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)提供保證。
•虛擬數(shù)控機(jī)床強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，為遠(yuǎn)程教育提供可能。
•完善的圖形和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口。用戶既能在真實(shí)的環(huán)境中運(yùn)行虛擬機(jī)床，又能觀察它的各種遠(yuǎn)行參數(shù)，并能與其他CAD／CAM軟件接口。
3 平臺(tái)的購建
虛擬數(shù)控機(jī)床是如何實(shí)現(xiàn)這些功能的呢？它一般是通過以下的構(gòu)建平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)。
①Nc解釋平臺(tái) NC解釋平臺(tái)包括NC解釋器和NC驗(yàn)證器。任務(wù)分配數(shù)據(jù)庫從任務(wù)調(diào)度中接受數(shù)控代碼并將其翻譯為虛擬機(jī)床的部件、刀具等運(yùn)動(dòng)的信息，并將其通過計(jì)算模塊來模擬機(jī)床的響應(yīng)，NC解釋器能夠被自由地配置從而能夠模擬任何一種數(shù)控機(jī)床的CNC控制器。
②NC驗(yàn)證器，能夠驗(yàn)證NC代碼的語法正確性。
③刀具庫 刀具庫應(yīng)包括一臺(tái)數(shù)控機(jī)床所需的刀具，并能自由配置刀具庫中的刀具號(hào)．從而能模擬任何一種數(shù)控機(jī)床的換刀形式。
④仿真平臺(tái) 仿真平臺(tái)包括刀具軌跡仿真、切削力仿真，加工精度仿真、三維動(dòng)畫仿真、加工工時(shí)統(tǒng)計(jì)分析，仿真平臺(tái)是虛擬數(shù)控機(jī)床的核心技術(shù)。操作者可以在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行機(jī)床運(yùn)動(dòng)和切削過程等的仿真，從中獲得相關(guān)的加工數(shù)據(jù)。如進(jìn)給軸的位移量、換刀狀態(tài)、主軸轉(zhuǎn)速、加速度、進(jìn)給量、加工時(shí)間等。通過加工過程的仿真，了解所設(shè)計(jì)工件的可加工性，驗(yàn)證NC代碼的正確性以及評(píng)價(jià)和優(yōu)化加工過程，并通過在線修改NC代碼來優(yōu)化NC代碼。
⑤計(jì)算平臺(tái) 計(jì)算平臺(tái)用來完成虛擬數(shù)控機(jī)床中各種計(jì)算，（未完，下一頁）
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