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數(shù)控加工仿真系統(tǒng)原理及其在教學(xué)中的應(yīng)用
鄭州輕工業(yè)學(xué)院輕工職業(yè)學(xué)院 李宏兵 隋麗慧 2007/1/2
摘 要：本文針對(duì)當(dāng)今出現(xiàn)的數(shù)控加工仿真軟件、數(shù)控加工教學(xué)和培訓(xùn)的要求、以及數(shù)控機(jī)床實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)易出事故、機(jī)床損耗嚴(yán)重、費(fèi)用高等特點(diǎn)，論述了數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的原理、作用、功能，以及在數(shù)控教學(xué)中，如何有效地使用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)軟件，對(duì)學(xué)生、學(xué)員進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的基本操作培訓(xùn)，以達(dá)到多、快、好、省的目的。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床 數(shù)控加工 虛擬現(xiàn)實(shí) 仿真系統(tǒng)
0 引言
隨著我國(guó)高等職業(yè)教育的飛速發(fā)展，以及數(shù)控加工技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，大批數(shù)控機(jī)床操作人員的專業(yè)培訓(xùn)成為迫切而又難以解決的問題。在傳統(tǒng)的操作培訓(xùn)中，數(shù)控機(jī)床編程與操作的有效培訓(xùn)必須在真實(shí)的機(jī)床上進(jìn)行�？墒请S著學(xué)生人數(shù)的不斷增加，有限的機(jī)床數(shù)量難以保證每位學(xué)生有足夠的上機(jī)操作時(shí)間，同時(shí)學(xué)生在真實(shí)機(jī)床上操作還具有一定的危險(xiǎn)和不安全性，培訓(xùn)中的誤操作經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致設(shè)備、刀具等的損壞，甚至引發(fā)人身傷害事故，增加了培訓(xùn)成本。因此，傳統(tǒng)的機(jī)床操作培訓(xùn)方法效率低、教師工作量大、培訓(xùn)費(fèi)用高，需要用更新的方法來取代。
1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)，英文名為Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR技術(shù)。這一名詞是由美國(guó)VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾（Jaron Lanier）在80年代初提出的，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。作為一項(xiàng)尖端科技，虛擬現(xiàn)實(shí)集成了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，是一種由計(jì)算機(jī)生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)，它最早源于美國(guó)軍方的作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)，九十年代初逐漸為各界所關(guān)注并且在商業(yè)領(lǐng)域得到了進(jìn)一步的發(fā)展。這種技術(shù)的特點(diǎn)在于通過計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境，這種虛擬的環(huán)境是由計(jì)算機(jī)圖形構(gòu)成的三維數(shù)字模型，并編制到計(jì)算機(jī)中去生成一個(gè)以視覺感受為主，也包括聽覺、觸覺的綜合可感知的人工環(huán)境，從而使得在視覺上產(chǎn)生一種沉浸于這個(gè)環(huán)境的感覺，可以直接觀察、操作、觸摸、檢測(cè)周圍環(huán)境及事物的內(nèi)在變化，并能與之發(fā)生“交互”作用，使人和計(jì)算機(jī)很好地“融為一體”，給人一種“身臨其境”的感覺。
虛擬現(xiàn)實(shí)是發(fā)展到一定水平上的計(jì)算機(jī)技術(shù)與思維科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)為人類認(rèn)識(shí)世界開辟了一條新途徑。虛擬現(xiàn)實(shí)的最大特點(diǎn)是：用戶可以用自然方式與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互操作，改變了過去人類除了親身經(jīng)歷，就只能間接了解環(huán)境的模式，從而有效的擴(kuò)展了自己的認(rèn)知手段和領(lǐng)域。另外，虛擬現(xiàn)實(shí)不僅僅是一個(gè)演示媒體，而且還是一個(gè)設(shè)計(jì)工具，它以視覺形式產(chǎn)生一個(gè)適人化的多維信息空間，為我們創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界提供了有利的支持。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)時(shí)三維空間表現(xiàn)能力、人機(jī)交互式的操作環(huán)境以及給人帶來的身臨其境的感受，它在軍事和航天領(lǐng)域的模擬和訓(xùn)練中起到了舉足輕重的作用。近年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件軟件技術(shù)的發(fā)展以及人們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到它的重要作用，虛擬技術(shù)在各行各業(yè)都得到了不同程度的發(fā)展，并且越來越顯示出廣闊的應(yīng)用前景。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)上的價(jià)值體現(xiàn)于：用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造，可以降低成本，避免新產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)；用于產(chǎn)品演示，可借多媒體效果吸引客戶、爭(zhēng)取訂單；用于培訓(xùn)，可用“虛擬設(shè)備”來增加員工的操作熟練程度。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將使眾多傳統(tǒng)行業(yè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)生革命性的改變。
2 數(shù)控加工仿真系統(tǒng)
隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了可以模擬實(shí)際機(jī)床加工環(huán)境及其工作狀態(tài)的計(jì)算機(jī)仿真加工系統(tǒng)，它是一個(gè)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)于數(shù)控加工操作技能培訓(xùn)的仿真軟件。利用計(jì)算機(jī)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，不僅可以迅速提高被培訓(xùn)人員的理論、操作水平，而且非常安全，可靠好，培訓(xùn)費(fèi)用低。
目前在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有一些高等院校將計(jì)算機(jī)仿真運(yùn)用于數(shù)控操作人才培訓(xùn)的教學(xué)之中，也出現(xiàn)了各種數(shù)控加工仿真教學(xué)系統(tǒng)，如上海宇龍、北京斐克、南京宇航、廣州超軟、武漢金銀花等不同的數(shù)控加工仿真軟件。上述這些教學(xué)系統(tǒng)既能單機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，又能實(shí)現(xiàn)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)床模型通過三維動(dòng)畫演示。實(shí)踐證明，用這種方式進(jìn)行初步培訓(xùn)是非常經(jīng)濟(jì)有效的。在線運(yùn)行即機(jī)床工作方式，在這種方式下，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。即利用計(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，操作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，采取這種方法能進(jìn)一步提高操作者的實(shí)際操作技能。
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)重要的執(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（未完，下一頁）
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