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數(shù)控教學(xué)中仿真軟件的應(yīng)用研究

摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，機(jī)械制造技術(shù)亦日新月異，數(shù)控加工在現(xiàn)代化制造業(yè)中彰顯出越來越重要的地位，目前需求大量的數(shù)控技術(shù)工人。數(shù)控技術(shù)工人培訓(xùn)是各類職業(yè)學(xué)校急需解決的問題，而數(shù)控機(jī)床是高技術(shù)產(chǎn)品，價(jià)格較最貴和種類繁多，大部分職業(yè)院校無法大量購置；同時(shí)初學(xué)者直接在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行操作練習(xí)，易因?yàn)檎`操作而導(dǎo)致設(shè)備損壞和安全事故。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)，既能緩解實(shí)習(xí)教學(xué)中數(shù)控設(shè)備較少的問題，使理論與實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合，刺激其學(xué)習(xí)的主動(dòng)性；又可以節(jié)約成本和安全教學(xué)。但同時(shí)應(yīng)擺正數(shù)控仿真教學(xué)在教學(xué)中的位置，因?yàn)閿?shù)控仿真系統(tǒng)只是加工過程的模擬并非真實(shí)加工過程，它無法代替學(xué)生在真實(shí)切削加工的實(shí)際感受。

關(guān)建詞：數(shù)控教學(xué)、斯沃?jǐn)?shù)控仿真、實(shí)訓(xùn)

一、背景

數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與現(xiàn)代化，提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動(dòng)生產(chǎn)率的基礎(chǔ)。數(shù)控機(jī)床是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)裝備，關(guān)系到企業(yè)競爭力的高低。21世紀(jì)機(jī)械制造業(yè)的競爭，其實(shí)質(zhì)是數(shù)控技術(shù)的競爭。隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，目前，我國大部分企業(yè)已經(jīng)大量使用數(shù)控設(shè)備，需要大量的數(shù)控技術(shù)工人，而目前數(shù)控技術(shù)人才存在嚴(yán)重的短缺。目前大部分職業(yè)院校都開設(shè)了數(shù)控專業(yè)，數(shù)控專業(yè)特點(diǎn)是理論與實(shí)操結(jié)合緊密，只有通過實(shí)際操作數(shù)控機(jī)床，學(xué)生才能提高自己實(shí)際操作機(jī)床的能力。而數(shù)控機(jī)床價(jià)格最貴且種類較多，一般院校很難配備齊全，實(shí)踐教學(xué)中存在“人多機(jī)少”的問題，以我校為例，我校共有8臺(tái)數(shù)控車、4臺(tái)數(shù)控銑、2臺(tái)加工中心、2臺(tái)線切割、2臺(tái)電火花，數(shù)控設(shè)備不能滿足學(xué)生實(shí)訓(xùn)需求；同時(shí)數(shù)控實(shí)訓(xùn)存在安全隱患，容易因?yàn)檎`操作發(fā)生安全事故或損壞設(shè)備。因此，越來越多的職業(yè)院校引進(jìn)數(shù)控模擬仿真軟件，進(jìn)行數(shù)控加工模擬仿真教學(xué)，讓初學(xué)者在軟件模擬環(huán)境中完成工件的編程和模擬加工。我校引進(jìn)南京斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件，他利用計(jì)算機(jī)虛擬動(dòng)畫技術(shù)來模擬實(shí)際機(jī)床的加工過程。該軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種數(shù)控系統(tǒng)、多種型號(hào)的數(shù)控機(jī)床的仿真操作。仿真內(nèi)容包括：定義毛坯、定義夾具、定義刀具、機(jī)床面板操作、程序編制和輸入（也可以直接使用CAXA軟件生成的G代碼）、軌跡仿真和仿真加工等。

結(jié)合我校教學(xué)實(shí)際，分析斯沃?jǐn)?shù)控加工模擬仿真軟件在實(shí)踐教學(xué)中的作用和效果，同時(shí)分析仿真軟件在實(shí)踐教學(xué)中的不足，便之更有效的為教學(xué)服務(wù)。

二、數(shù)控仿真在教學(xué)中的應(yīng)用

數(shù)控仿真軟件實(shí)際上是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)控加工中的應(yīng)用，其最大的特點(diǎn)是：用戶可以用自然方式與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互操作，改變了過去人們除了親身經(jīng)歷，就只能間接了解環(huán)境的模式，從而有效地?cái)U(kuò)展自己的認(rèn)知手段和領(lǐng)域。數(shù)控仿真軟件就是一種可以模擬實(shí)際機(jī)床加工環(huán)境及工作狀態(tài)的計(jì)算機(jī)仿真加工系統(tǒng)。

（一） 打破傳統(tǒng)的枯燥、抽象的教學(xué)方式

傳統(tǒng)的數(shù)控教學(xué)都是先理論后實(shí)踐的教學(xué)方式進(jìn)行的，在理論教學(xué)階段對(duì)于初學(xué)數(shù)控機(jī)床的學(xué)生來說。即使有專業(yè)基礎(chǔ)課的先導(dǎo)，也顯得難接受。在數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)、工作原理方面，仿真軟件可從不同角度對(duì)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入觀察，熟知機(jī)床各個(gè)部位的工作原理，學(xué)生易接受，打破傳統(tǒng)的枯燥的講授的方式。在數(shù)控機(jī)床編程理論講解方面，G代碼對(duì)于初學(xué)者來說十分抽象，但仿真軟件的引入便解決了教師這種授課困境。只要將完整的程序輸入仿真軟件，它就可以單純路徑模擬和實(shí)際加工兩種形式運(yùn)行程序，實(shí)現(xiàn)化“抽象”為“具體”的教學(xué)目的。

圖1：仿真加工界面

（二） 調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

現(xiàn)在，就讀職業(yè)院校的學(xué)生仍然為學(xué)習(xí)成績、學(xué)習(xí)習(xí)慣較差的學(xué)生，對(duì)于這部分學(xué)生，教師要展開有效的教學(xué)工作很困難，而利用南京斯沃仿真系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)，在課堂教學(xué)中真正體現(xiàn)學(xué)生為主體，突出顯示學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦的活動(dòng)，變學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。職校學(xué)生抽象思維較弱，動(dòng)手能力較強(qiáng)，通過讓學(xué)生動(dòng)手做，在做的過程中讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題（如：碰撞、干涉等），再進(jìn)行解講，從而吸引學(xué)生注意力和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，否則老師在上面講，學(xué)生根據(jù)不集中注意力聽，課堂沒有效果。

（三） 驗(yàn)證數(shù)控程序，仿真真實(shí)加工過程

在實(shí)際教學(xué)中，在沒有引入仿真系統(tǒng)之前，對(duì)學(xué)生數(shù)控程序驗(yàn)證，一種方法是通過教師批改作業(yè)來知曉，這種方法教師檢查程序需逐個(gè)程序段進(jìn)行查閱，內(nèi)容多而十分麻煩，一些在數(shù)控機(jī)床上常常無法運(yùn)行的編程錯(cuò)誤也不易查出；另一種方法是利用機(jī)床的圖形模擬校驗(yàn)功能來檢驗(yàn)程序的正確性，每個(gè)學(xué)生占用機(jī)床時(shí)間較長，同時(shí)，由于模擬也只能觀看零件的大致輪廓，對(duì)于程序中的一些細(xì)小的處的錯(cuò)誤判斷不出。而在斯沃?jǐn)?shù)控仿真系統(tǒng)中，把程序輸入后，進(jìn)行仿真加工，并且最后還可以對(duì)產(chǎn)品尺寸進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)行仿真真實(shí)的加工過程，能夠?qū)Τ绦蛴行нM(jìn)行驗(yàn)證。

（四） 提供了多種機(jī)床和多種系統(tǒng)，彌補(bǔ)設(shè)備的不足

當(dāng)前數(shù)控機(jī)床的種類和系統(tǒng)廠家眾多，斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件提供了基本涵蓋當(dāng)今我國數(shù)控加工常見的機(jī)床和系統(tǒng)（如果系統(tǒng)中沒有學(xué)校的機(jī)床面版，斯沃還可以提供二次開發(fā)服務(wù)），提高學(xué)生對(duì)不同數(shù)控系統(tǒng)及不同數(shù)控機(jī)床的適應(yīng)能力。由于部分實(shí)訓(xùn)活動(dòng)可以在仿真系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，使用仿真軟件將減少在數(shù)控機(jī)床設(shè)備上的資金投入，同時(shí)使學(xué)生的實(shí)際上機(jī)時(shí)間大大增加，從而加快學(xué)生上手速度，同時(shí)使用仿真軟件，也大大減少工件材料和能源的消耗，從而降低實(shí)訓(xùn)的成本。

（五） 安全性高，便于學(xué)習(xí)

數(shù)控機(jī)床是一種較為最貴的機(jī)械設(shè)備，如果初學(xué)時(shí)就讓學(xué)生直接在數(shù)控機(jī)床上操作，可能出現(xiàn)撞壞車刀、損壞工件與機(jī)床等現(xiàn)象，甚至因操作失誤對(duì)學(xué)生造成人身危害。引入數(shù)控仿真系統(tǒng)，解決了學(xué)生多，機(jī)床少的現(xiàn)實(shí)問題，通過仿真操作練習(xí)，學(xué)生提前熟悉了機(jī)床操作規(guī)程和操作方法，優(yōu)化了數(shù)控加工藝，驗(yàn)證了零件程序和零件加工過程的正確性，然后再去實(shí)際操作機(jī)床，大大提高了機(jī)床操作安全性。

三、數(shù)控仿真軟件在應(yīng)用中存在的負(fù)面效應(yīng)

數(shù)控仿真軟件雖然可以進(jìn)行模擬數(shù)控機(jī)床操作，但畢竟和實(shí)際機(jī)床有區(qū)別，指導(dǎo)教師應(yīng)使學(xué)生認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，仿真軟件無法代替實(shí)際操作，也無法代替學(xué)生在實(shí)際操作中的真實(shí)感受。

（一） 技能訓(xùn)練過分依賴仿真，忽視實(shí)際操作

數(shù)控加工仿真只是仿真加工過程并非真實(shí)加工過程，它無法代替學(xué)生在真實(shí)環(huán)境下體驗(yàn)切削加工的實(shí)際過程和真實(shí)感受，實(shí)際上，在進(jìn)行數(shù)控仿真加工時(shí)，切削用量與真實(shí)加工中就區(qū)別很大，比如切削三要素：進(jìn)給量、切削速度、背吃刀量對(duì)加工質(zhì)量的影響就不能在仿真加工時(shí)體現(xiàn)出來。另外在仿真加工中測(cè)量，加工后的工件在測(cè)量時(shí)是沒有誤差的，但是在實(shí)際加工過程中肯定會(huì)存在，比如機(jī)床、測(cè)量、刀具磨損、工件的熱脹冷縮等所帶來的誤差。

（二） 缺乏現(xiàn)場(chǎng)的親身感知，安全意識(shí)淡薄

仿真加工操作安全，具有美觀的動(dòng)畫效果，學(xué)生過于注重仿真操作，而忽略了實(shí)際機(jī)床操作，難以取得較好實(shí)踐教學(xué)效果。在數(shù)控機(jī)床的實(shí)際加工中，操作人員必須具備相應(yīng)的“聽辨能力”，根據(jù)機(jī)床不同狀態(tài)下發(fā)出的聲音及時(shí)調(diào)整機(jī)床（如：在事故發(fā)生時(shí)，應(yīng)及時(shí)按下急停按鈕），減少機(jī)床發(fā)生故障概率。而在數(shù)控仿真加工中，操作時(shí)出現(xiàn)重大錯(cuò)誤或違規(guī)，比如撞車，只是出現(xiàn)簡單提示，這對(duì)于學(xué)生安全意識(shí)的培養(yǎng)無疑是一個(gè)不良的影響，不能夠引起學(xué)生對(duì)實(shí)訓(xùn)安全的重視。

（三） 加工工藝性差

由于仿真軟件的虛擬性，許多需要實(shí)際親身操作的才能進(jìn)行的步驟無法實(shí)現(xiàn)。如對(duì)工件的加工工序進(jìn)行排序整理。仿真環(huán)境是一個(gè)虛擬的完美的過程，一旦程序正確就不會(huì)出現(xiàn)加工問題，而實(shí)際加工中存在很多偶然及必然的變動(dòng)。同時(shí)應(yīng)用仿真軟件無法判斷工件的表面粗糙度、進(jìn)行矯正尺寸精度等。而學(xué)生一旦養(yǎng)成無視加工工藝的壞習(xí)慣，在機(jī)床上實(shí)際加工時(shí)也會(huì)不自覺的忽略這些，從而導(dǎo)致加工的工件無法達(dá)到尺寸精度要求。

四、結(jié)束語

數(shù)控仿真系統(tǒng)的低成本和安全性，在數(shù)控學(xué)習(xí)初期可以通過仿真加工，讓學(xué)生有成就感，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)控的熱情。經(jīng)過仿真練習(xí)的學(xué)生，接受真實(shí)數(shù)控機(jī)床的能力提高，提高了機(jī)床的利用率，仿真軟件作為數(shù)控教學(xué)的輔助工具是非常好的。但由于軟件仿真和實(shí)際操作是有差距的，因此我們必須科學(xué)、合理地利用好數(shù)控仿真軟件，對(duì)于提高數(shù)控實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量具有非常重要的意義。