第1章 緒論
1.1 數控仿真實訓教學的思路
機床數控技術是 20 世紀 70 年代發展起來的一種機床自動控制技術。20 多年來隨著計算機、傳感與檢測、自動控制及機械制造等技術的不斷進步，機床數控技術得到了迅速的發展。數控機床作為典型的機電一體化產品，是高新技術的重要組成部分，采用數控機床提高機械工業的數控化率，已成為當前機械制造技術更新的必由之路。近年來，隨著企業數控機床應用率的大幅度提高，數控機床的操作技能培養成為各類職業院校一個急待解決的問題。而數控機床是高技術產品，價格較昂貴，許多院校受場地和資金的限制，無法購置大量的數控機床來供學生實訓。另一方面，學生直接在數控機床上進行操作練習，容易因為培訓中的誤操作而導致設備的損壞，造成嚴重的經濟損失。因此，如何根據各院校的具體情況，在滿足數控專業教學和實訓需要的同時，做到“少花錢，辦大事”，是各類職業院校迫切需要解決的問題。
數控加工仿真系統可以模擬實際設備加工環境及其工作狀態，不僅可以應用于制造企業中，對數控加工程序進行快速、精確的仿真，驗證數控程序的可靠性，防止干涉和碰撞等情況的發生，而且還可以用做數控技術操作技能的教學培訓，既可以使受訓人員達到實物操作訓練的目的，又可以大幅減少昂貴設備的投入，具有很高的應用價值。
因此，學校可通過數控加工仿真系統的大量運用，使虛擬設備與真實數控設備有機結合，建設高標準、高技術含量的數控網絡教學實訓系統，使學校可以按循序漸進、由淺入深的認知規律，對學生進行數控手工編程→零件產品造型和計算機自動編程→數控加工仿真系統操作→生產型數控機床操作訓練→數控工藝員培訓或數控操作工職業技能等級考證培訓，更好地培養適應社會需求的數控專業人才。
數控仿真系統的運用，將是職業院校進行實驗室建設，改革實驗教學的一個新的發展方向。
1.1.1 數控加工仿真技術簡介
在數控加工過程中，為檢查數控程序的正確性，傳統上采用試切的方法，但這種方法費工費料，代價昂貴，延長了產品生產周期。后來又采用軌跡顯示法，即用計算機控制鉛筆繪圖器，以筆代替刀具，以紙代替毛坯來仿真刀具運動軌跡的二維圖形。這種方法可以顯示二軸加工軌跡，也可以檢查一些大的錯誤，但其運動僅限于平面，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，并在試切環境的模型化、仿真計算和圖形顯示等方面取得了重要的進展。在這種情況下，數控加工的計算機仿真技術應運而生。
仿真技術是復雜系統研究和設計的一種新型和有效的工具。所謂數控加工仿真，是指采用計算機圖形學的手段對加工走刀和零件切削過程進行模擬，具有快速、仿真度高、成本低等優點。它采用可視化技術，通過仿真和建模軟件，模擬實際的加工過程，在計算機屏幕上將銑、車、鉆、鏜等加工方法的加工路線描繪出來，并能提供錯誤信息的反饋，使工程技術人員能預先看到制造過程，及時發現生產過程中的不足，有效預測數控加工過程和切削過程的可靠性及高效性，此外，還可以對一些意外情況進行控制。數控加工仿真代替了試切等傳統的走刀軌跡的檢驗方法，大大提高了數控機床的有效工時和使用壽命，因此在制造業得到了越來越廣泛的應用。
數控加工仿真系統可由兩個模塊組成：
（1）仿真環境。由機床、工件、夾具、刀具庫構成。
（2）仿真過程。包括幾何仿真和力學仿真兩個部分。幾何仿真將刀具與零件視為剛體，不考慮切削參數、切削力等其他物理因素的影響，只仿真刀具、工件幾何體的運動來驗證NC程序的正確性；切削過程的力學仿真屬于物理仿真范疇，需要考慮精度分析等影響加工質量的因素，它通過仿真切削過程的動態力學特性來預測刀具破損、刀具振動、控制切削參數，從而優化切削過程。
對于數控加工仿真系統的實現，目前較流行的有四種方案：
（1）基于VC++和openGL技術開發。
（2）基于VC++與現有造型軟件結合的開發。
（3）基于VRML技術的開發。
（4）基于現有 CAD/CAM 軟件的二次開發。其中第一種方案和第二種方案都需要開發人員編寫大量代碼；第三種方案的優點是可以開發出基于網絡的仿真系統，缺點是對于機床的加工仿真尚需大量的編程工作，而且缺乏相應的技術基礎；第四種方案是利用基于特征的通用機械CAD/CAM軟件系統，提供功能強大的二次開發模塊。例如，UG、Pro/Engineer、CATIA等著名的大型CAD/CAM軟件就提供了MS VC++的開發方法和接口，SolidWorks提供了基于 COM 和 OLE 技術的二次開發接口。采用以上軟件系統作為仿真系統的圖形顯示平臺，開發者無須考慮環境光源、材質等影響真實感的因素，大大降低了編程的難度和強度；工件毛坯直接由設計過程調用，具有完全的真實形狀，仿真結果直觀易懂；仿真圖形易于控制，具有旋轉、放大、剖切和加工過程記錄等特點，在航天航空、汽車制造、模具加工、通用機械等領域得到廣泛的應用。
1.1.2 數控仿真軟件的教學應用
數控仿真系統可以模擬實際設備加工環境及其工作狀態，數控加工仿真技術為驗證數控程序的可靠性、防止干涉和碰撞的發生及預測加工過程提供了強有力的工具。
針對目前 PC 的普及，以及在數控機床實驗機上教學的諸多不便，結合數控加工技術教學實踐，將基于 PC 平臺的數控加工仿真教學系統，用于數控操作人才的培訓和教學。在培訓和教學過程中，數控機床的模擬操作通過計算機屏幕上的仿真操作面板進行，而零件切削過程可在機床仿真模型上用三維動畫演示，仿真加工和操作幾乎與實際機床的真實情況一樣。
目前，應用較為廣泛的數控仿真系統主要有上海宇龍的“數控加工仿真系統”和德國“MTS 數控編程仿真系統”。這類軟件可以用來學習數控機床的編程與操作，具有“以軟代硬”來熟悉編程與操作、減少廢品和撞機等優點，是一種現代化教學和實訓的好方法。隨著CNC 仿真軟件的發展，軟件的功能越來越強大，不但能仿真切削加工，而且能測量虛擬工件；還可以對工件的加工工藝和加工質量進行分析，并能通過 RS232 等通信接口，直接控制數控機床的加工。
1.上海宇龍“數控加工仿真系統”
上海宇龍軟件工程有限公司開發的“數控加工仿真系統”，可以實現對數控銑床、數控車床、加工中心加工全過程的仿真，具有基于聯網或局域網等進行雙向互動的遠程教育功能，數據傳送可以采用衛星、寬帶（ADSL、ISDN、有線 CABLE 等）或窄帶聯網（MODEM）等方式進行。該系統支持毛坯定義，夾具、刀具定義與選用，零件基準測量和設置，數控程序輸入、編輯和調試，加工仿真以及各種錯誤檢測功能。
該系統具有較高的可靠性、安全性和數據完整性，具有易學、易用、易操作、易維護等特點。整個系統分成四個模塊，每一個模塊中包含不同功能，每個模塊功能都與相應的功能鍵連接。狀態欄能夠顯示正在執行的程序代碼情況、實時機床狀態參數反饋及在線提示等。根據機床加工的特點和實際機床工作流程，系統采用如圖1.1所示的結構，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。
圖1.1 數控加工仿真教學系統組成結構
（1）用戶界面模塊。用于設立數控加工環境，主要包括三維顯示的數控加工環境、數控系統仿真面板。如圖1.2所示為數控仿真系統中的FANUC 0i機床面板，在該面板上既包括數控系統的顯示屏及功能鍵，也有機床操作部分的按鈕及旋鈕，通過該面板可將機床的加工過程逼真地顯示在計算機屏幕上。面板可在NC程序的驅動下，用三維動畫仿真顯示加工過程，畫面可放大或縮小，還可以從任意角度觀察加工過程。
圖1.2 FANUC 0I機床面板
（2）程序編輯模塊。用于數控程序的輸入、修改及顯示編輯。NC 程序的讀取如同生產實際一樣，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。通過對NC代碼的理解、檢查代碼語法語意的正確性，經過譯碼、刀補計算、進給速度處理，得到刀具中心軌跡和其他所需數據，用于模擬加工。
（4）模擬加工模塊。具有自動加工和手動加工等功能，系統通過對處理后NC程序的離散和插補，直接驅動數控系統顯示屏或三維動畫仿真。在模擬加工過程中，數控系統顯示屏按實際加工狀態，可工作在圖形模擬或數字狀態兩種方式下。
“數控加工仿真系統”4.3版本包括了目前國內常用數控系統的仿真，如表1-1所示。
表1-1 國內常用數控系統及操作面板
續表
2.MTS數控仿真系統
從德國引進的MTS數控仿真系統有Top Turn、Top Mill和Top Cam三個模塊，可以實現以下幾個方面的主要功能：
（1）交互式編程功能。
（2）數控系統后置處理功能。
（3）數據庫儲存工藝數據功能。
（4）對刀功能。
（5）建立工藝檔案功能。
（6）仿真模擬功能。
（7）加工質量分析功能。