数控教学中仿真软件的应用研究

摘要：随着我国经济不断发展，机械制造技术亦日新月异，数控加工在现代化制造业中彰显出越来越重要的地位，目前需求大量的数控技术工人。数控技术工人培训是各类职业学校急需解决的问题，而数控机床是高技术产品，价格较最贵和种类繁多，大部分职业院校无法大量购置；同时初学者直接在数控机床上进行操作练习，易因为误操作而导致设备损坏和安全事故。数控仿真系统可以模拟实际设备加工环境及其工作状态，既能缓解实习教学中数控设备较少的问题，使理论与实践有机地结合，刺激其学习的主动性；又可以节约成本和安全教学。但同时应摆正数控仿真教学在教学中的位置，因为数控仿真系统只是加工过程的模拟并非真实加工过程，它无法代替学生在真实切削加工的实际感受。

关建词：数控教学、斯沃数控仿真、实训

一、背景

数控技术是制造业实现自动化与现代化，提高产品质量与劳动生产率的基础。数控机床是实现制造业现代化的基础装备，关系到企业竞争力的高低。21世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争。随着我国经济发展，目前，我国大部分企业已经大量使用数控设备，需要大量的数控技术工人，而目前数控技术人才存在严重的短缺。目前大部分职业院校都开设了数控专业，数控专业特点是理论与实操结合紧密，只有通过实际操作数控机床，学生才能提高自己实际操作机床的能力。而数控机床价格最贵且种类较多，一般院校很难配备齐全，实践教学中存在“人多机少”的问题，以我校为例，我校共有8台数控车、4台数控铣、2台加工中心、2台线切割、2台电火花，数控设备不能满足学生实训需求；同时数控实训存在安全隐患，容易因为误操作发生安全事故或损坏设备。因此，越来越多的职业院校引进数控模拟仿真软件，进行数控加工模拟仿真教学，让初学者在软件模拟环境中完成工件的编程和模拟加工。我校引进南京斯沃数控仿真软件，他利用计算机虚拟动画技术来模拟实际机床的加工过程。该软件可以实现对多种数控系统、多种型号的数控机床的仿真操作。仿真内容包括：定义毛坯、定义夹具、定义刀具、机床面板操作、程序编制和输入（也可以直接使用CAXA软件生成的G代码）、轨迹仿真和仿真加工等。

结合我校教学实际，分析斯沃数控加工模拟仿真软件在实践教学中的作用和效果，同时分析仿真软件在实践教学中的不足，便之更有效的为教学服务。

二、数控仿真在教学中的应用

数控仿真软件实际上是虚拟现实技术在数控加工中的应用，其最大的特点是：用户可以用自然方式与虚拟环境进行交互操作，改变了过去人们除了亲身经历，就只能间接了解环境的模式，从而有效地扩展自己的认知手段和领域。数控仿真软件就是一种可以模拟实际机床加工环境及工作状态的计算机仿真加工系统。

（一） 打破传统的枯燥、抽象的教学方式

传统的数控教学都是先理论后实践的教学方式进行的，在理论教学阶段对于初学数控机床的学生来说。即使有专业基础课的先导，也显得难接受。在数控机床的结构、工作原理方面，仿真软件可从不同角度对数控机床结构进行深入观察，熟知机床各个部位的工作原理，学生易接受，打破传统的枯燥的讲授的方式。在数控机床编程理论讲解方面，G代码对于初学者来说十分抽象，但仿真软件的引入便解决了教师这种授课困境。只要将完整的程序输入仿真软件，它就可以单纯路径模拟和实际加工两种形式运行程序，实现化“抽象”为“具体”的教学目的。

图1：仿真加工界面

（二） 调动学生学习兴趣

现在，就读职业院校的学生仍然为学习成绩、学习习惯较差的学生，对于这部分学生，教师要展开有效的教学工作很困难，而利用南京斯沃仿真系统平台进行教学，在课堂教学中真正体现学生为主体，突出显示学生动手动脑的活动，变学生被动学习为主动学习。职校学生抽象思维较弱，动手能力较强，通过让学生动手做，在做的过程中让学生发现问题（如：碰撞、干涉等），再进行解讲，从而吸引学生注意力和激发学生学习热情，否则老师在上面讲，学生根据不集中注意力听，课堂没有效果。

（三） 验证数控程序，仿真真实加工过程

在实际教学中，在没有引入仿真系统之前，对学生数控程序验证，一种方法是通过教师批改作业来知晓，这种方法教师检查程序需逐个程序段进行查阅，内容多而十分麻烦，一些在数控机床上常常无法运行的编程错误也不易查出；另一种方法是利用机床的图形模拟校验功能来检验程序的正确性，每个学生占用机床时间较长，同时，由于模拟也只能观看零件的大致轮廓，对于程序中的一些细小的处的错误判断不出。而在斯沃数控仿真系统中，把程序输入后，进行仿真加工，并且最后还可以对产品尺寸进行测量，进行仿真真实的加工过程，能够对程序有效进行验证。

（四） 提供了多种机床和多种系统，弥补设备的不足

当前数控机床的种类和系统厂家众多，斯沃数控仿真软件提供了基本涵盖当今我国数控加工常见的机床和系统（如果系统中没有学校的机床面版，斯沃还可以提供二次开发服务），提高学生对不同数控系统及不同数控机床的适应能力。由于部分实训活动可以在仿真系统中实现，使用仿真软件将减少在数控机床设备上的资金投入，同时使学生的实际上机时间大大增加，从而加快学生上手速度，同时使用仿真软件，也大大减少工件材料和能源的消耗，从而降低实训的成本。

（五） 安全性高，便于学习

数控机床是一种较为最贵的机械设备，如果初学时就让学生直接在数控机床上操作，可能出现撞坏车刀、损坏工件与机床等现象，甚至因操作失误对学生造成人身危害。引入数控仿真系统，解决了学生多，机床少的现实问题，通过仿真操作练习，学生提前熟悉了机床操作规程和操作方法，优化了数控加工艺，验证了零件程序和零件加工过程的正确性，然后再去实际操作机床，大大提高了机床操作安全性。

三、数控仿真软件在应用中存在的负面效应

数控仿真软件虽然可以进行模拟数控机床操作，但毕竟和实际机床有区别，指导教师应使学生认识到这一点，仿真软件无法代替实际操作，也无法代替学生在实际操作中的真实感受。

（一） 技能训练过分依赖仿真，忽视实际操作

数控加工仿真只是仿真加工过程并非真实加工过程，它无法代替学生在真实环境下体验切削加工的实际过程和真实感受，实际上，在进行数控仿真加工时，切削用量与真实加工中就区别很大，比如切削三要素：进给量、切削速度、背吃刀量对加工质量的影响就不能在仿真加工时体现出来。另外在仿真加工中测量，加工后的工件在测量时是没有误差的，但是在实际加工过程中肯定会存在，比如机床、测量、刀具磨损、工件的热胀冷缩等所带来的误差。

（二） 缺乏现场的亲身感知，安全意识淡薄

仿真加工操作安全，具有美观的动画效果，学生过于注重仿真操作，而忽略了实际机床操作，难以取得较好实践教学效果。在数控机床的实际加工中，操作人员必须具备相应的“听辨能力”，根据机床不同状态下发出的声音及时调整机床（如：在事故发生时，应及时按下急停按钮），减少机床发生故障概率。而在数控仿真加工中，操作时出现重大错误或违规，比如撞车，只是出现简单提示，这对于学生安全意识的培养无疑是一个不良的影响，不能够引起学生对实训安全的重视。

（三） 加工工艺性差

由于仿真软件的虚拟性，许多需要实际亲身操作的才能进行的步骤无法实现。如对工件的加工工序进行排序整理。仿真环境是一个虚拟的完美的过程，一旦程序正确就不会出现加工问题，而实际加工中存在很多偶然及必然的变动。同时应用仿真软件无法判断工件的表面粗糙度、进行矫正尺寸精度等。而学生一旦养成无视加工工艺的坏习惯，在机床上实际加工时也会不自觉的忽略这些，从而导致加工的工件无法达到尺寸精度要求。

四、结束语

数控仿真系统的低成本和安全性，在数控学习初期可以通过仿真加工，让学生有成就感，从而激发学生学习数控的热情。经过仿真练习的学生，接受真实数控机床的能力提高，提高了机床的利用率，仿真软件作为数控教学的辅助工具是非常好的。但由于软件仿真和实际操作是有差距的，因此我们必须科学、合理地利用好数控仿真软件，对于提高数控实践教学质量具有非常重要的意义。