数控加工仿真技术范文

导语：如何才能写好一篇数控加工仿真技术，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：虚拟制造；数控加工；加工周期；前期设计

制造业一直以来都是我国国民经济发展的支柱性产业，随着中国经济发展的逐步加快，制造业的弊端也逐渐体现出来，比如产品生产水平低、产品质量不稳定、生产产品的机械设备水平不及国际先进水平的10%；生产调度缺失，往往会出现产品分散、协调性差的问题；技术水平差，以往加工零件都是根据加工者的经验来试切，以检查加工的准确性和零件是否达到预期目的，这不仅延长了加工周期，还增加了成本；生产产品的设备老旧，生产工艺落后，人才储备不足，导致企业的发展缓慢。为了解决这一系列问题，我们将虚拟制造技术运用到了产品的前期设计、加工中来。

1虚拟制造的技术及特点

虚拟制造技术指的是产品在成批量加工前，不需要制作实物样品，而是运用计算机模拟软件，比如CAD/CAM/CAE技术等建模软件来完成产品的虚拟加工制造，并检验产品各个机构零部件间的装配关系是否合理，NC加工路径是否有撞刀或过切的现象。如果有错误的，则可以及时反馈并在软件中修改、更正，重新修改零件加工路径以及零件整体的装配尺寸，从而符合要求。这一系列工作都可以在计算机中进行，因此，可以运用互联网完成。通过虚拟制造技术可节省时间，缩短产品的设计周期，从而控制成本，大大提高了产业在同行业中的竞争力。

2虚拟制造相对数控加工的过程

虚拟制造的第一步就是了解工作的目标是什么，要整体了解客户的需求，所需产品的要求，细心听取客户意见并整理归纳，总结出产品的外形结构、功能特征、性能要求。从而进行后期的产品虚拟设计、工艺安排、产品零部件设计、机构后期装配、虚拟运行等。经过客户的反复验收，直至获得客户的认可后，方可进行实物制作。虚拟制造首先要设计的是最基本的零部件，对于零部件的设计，通常我们都会优先选用标准件，这样会大大缩短设计时间，也使设计的产品有极高的通用性。一般情况下，优先进行齿轮齿条、链轮、螺栓螺母、切削螺纹的设计，后进行一些独立零件机构的设计，从而完成某种特定的运动方式，达到预期的工作目标。这些都可以采用国家标准，运用标准的理论公式、参数不断修改，并运用有限元分析、边界元检查、实验检查等方法，完成虚拟制造中的计算机标准设计和多次优化更改。由于设计的零部件都是用的国标和图集的最高基础标准，所以，为今后的维修、更换提供了保障。对于每个零件，都是经过标准设计的，已经满足强度、韧性、疲劳强度、静态平衡和动态平衡等要求，形成的各种零件的外形、用途、行为意图等属性的结果满足性能要求后，再经过外形的美观设计，确定表面颜色、纹理渲染，产出最终成品模型。虚拟设计由虚拟制造设备来完成，此处的虚拟设备就是一个模拟的数控加工仿真设备，以上的零部件都是由这个虚拟的数控加工设备来完成制作的，且大多数独立设计的零部件机构都需要加工制作。对于加工零件的设备，可在虚拟的设备中体现设备的功能特征和形态特征，比如数控机床的工作主轴转速、进给速度等。对设计的零部件先采用CAD、Solidworks、Pro-E、UG等软件进行外观设计，再将各个机构分解成每个零部件，比如链轮机构分解为主动链轮、从动链轮、链条、主轴、从动轴等，然后将各个零件分别放入虚拟的数控设备，确定好基准坐标，依照坐标的变换关系完成动作的运行。运动模块具备了虚拟的数控设备的各种运动功能，虚拟数控机床由外部输入的数据控制，设备对数据进行分析处理，并输出相对应的控制运动参数，控制相应的几何模块的位置变换和运动，实现模拟的物理设备加工运行。依托各个模块设备的运动数据支配相对应的运动系统，每个模块都以规定好的数控参数运动。具体而言，应先确定原始坐标基准、加工坐标基准、机床原点、加工原点，并依据数控铣刀插补的原则，确定铣刀转速、走刀速度、加工距离，根据不同的数控加工系统原代码编制圆弧刀路、直线刀路、抛物线刀路插补规则。虚拟的数控加工可以很好地检查和避免加工工艺中的工装夹具、加工刀具和被加工工件在加工过程中出现的碰撞。在试驾加工前，先进行虚拟加工，确定不会存在撞刀损坏机床和零件过切的情况后，方可进行实际加工。对于加工使用的虚拟的数控设备，应严格控制主轴的快慢转速、正反转向、单轴运动、多轴联动、换刀等。产品加工过程如图1所示。图1产品加工过程基于以上虚拟制造的数控加工的方式，形成了一整套虚拟三位加工系统，此系统由虚拟的数控加工系统驱动，把机械零部件从毛坯的形式装换成成品。此过程全程在计算机系统中运行。设计者全程监控零件加工过程中的撞刀和过切现象以及后期的成品装配，从而评定零件机构生产的可行性。此外，还可以为数控加工的学员提供直观的学习过程，避免在实际操作时的误操作损坏设备。3结束语随着中国经济的不断发展，企业对虚拟制造技术的需求越发重视。虚拟制造引入数控加工大大提高了企业的发展速度。

通过虚拟的设计和制造，缩短了实际加工中的加工时间，大大缩短了设计周期，节约了成本，提高了经济性，数控加工技术的虚拟制造引入有效促进了我国在现代科学技术方面的快速发展。虚拟制造的出现让我国在工业方面的发展紧追全球化经济的脚步。基于虚拟制造的创新发展，必定会对我国的制造业发展产生更加深远的推动。

作者:林柔红 单位:广东省城市建设高级技工学校

参考文献

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关键词：UG NX8.0；自动编程；仿真

中图分类号：TP391 文献标识码：A

数控编程的方法可分为手动编程和自动编程两种。对于简单零件采用手工编程比较适合，但对于开粗量较大和形状复杂的零件用手动编程往往数值计算量较大，所以需要借助CAM软件进行自动编程。本文以UG NX8.0的加工模块为例生成加工程序。在程序生成后验证其正确性就显得十分重要。在实际加工之前一定要对干涉情况进行分析，防止在加工中出现撞刀现象。目前干涉分析最有效的方法就是使用数控仿真软件模拟加工情况。像这样将自动编程与数控加工仿真有机的结合起来在如今的数控加工中是非常重要的，他可以最大化的提高编程效率和检查程序的准确性，避免在实际加工中出现突发问题。数控仿真类的软件比较多，VERICUT等软件功能较完整模拟较准确，但在生产和教学中该软件的成本较高并不适用。针对成本问题可以选择一些价格低廉功能实用的国产数控仿真软件来对加工情况进行模拟。下面以UG NX8.0和斐克仿真软件结合为例介绍自动编程和仿真技术在数控铣削加工中的应用。

1思路分析

首先如图1所示，使用UG NX8.0的建模模块建立要加工零件的三维模型。然后进入加工模块创建加工刀具，生成加工程序。最后对程序文件进行必要的处理，将程序代码载入斐克仿真软件进行仿真检查。

2零件工艺分析

该零件为凸台类有薄壁，在UG NX8.0中使用NC助理分析加工圆角、型腔宽度和加工深度。经过测量薄壁内部圆角的半径为5mm，最小型腔宽度为15mm，加工深度为15.36mm。粗加工时可以使用直径为12mm的铣刀来开粗，但是半精加工和精加工时为了保证薄壁内圆角的质量，不能使用直径为10mm的铣刀直接成形，应该使用直径小于10mm的铣刀慢慢绕出圆角。粗加工时为半精加工留0.5mm余量，为了使圆角处的余量均匀可以在粗加工后安排使用小刀二次开粗清角。半精加工时为精加工留0.2mm余量。注意在半精加工和精加工薄壁时要内外交替进行，且每次的切削深度不易过大，以防止薄壁在加工时产生变形。

3使用UG NX8.0生成加工程序

由工艺分析可知零件由粗加工、二次开粗、半精加工和精加工四道工序完成，这里仅以粗加工为例。零件三维模型建立之后直接进入加工模块创建型腔铣作为粗加工工序，并在该工序中创建一把直径为12mm的立铣刀。假设零件毛坯为磨好的精料，那么工件原点可以直接设置为毛坯上表面的中点。将零件模型设置为加工部件，以自动块的形式生成毛坯。将切削模式设置为跟随周边尽可能减少抬刀次数。并设置合适的切削速度、进给速度、切削和非切削移动生成如图1所示的粗加工刀路。

4后置处理

UG NX8.0直接生成的刀路其数据节点是以GOTO语句的形式输出的，想要这些刀路能够实现加工就需要将其转换为数控机床能识别的地址程序段格式。这就需要根据加工机床的特点和数控系统对程序代码的要求，使用UG NX8.0自带的后处理构造器建立对应机床的后处理文件，并应用该文件处理已生成的加工刀路使其转换成符合加工机床要求的程序代码。

5斐克数控仿真

进入斐克数控仿真软件选择对应的机床类型和数控系统。创建毛坯并将其大小定义成与自动编程时的毛坯大小相同，同时定义毛坯的材料属性及装夹方式。按照工艺要求建立粗加工刀具并安装在主轴上，将经过后处理的程序代码加载到斐克数控仿真软件，按照实际生产中机床操作的流程进行对刀，然后进入自动模式模拟零件的加工。如图2所示，在仿真的过程中观察加工情况，检查程序的正确性和干涉情况。仿真后若程序没有问题就可以保存程序代码或直接联机传输给机床待实际加工时使用。

通过UG NX8.0和斐克数控仿真软件相配合，大大的提高了编程效率和程序准确性。两者的结合在低成本生产和教学中成为了我们强力的助手。

参考文献

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关键词：VERICUT；极坐标；仿真加工

引言

虚拟仿真加工技术是先进制造技术的关键技术之一，直接影响先进设备尤其是数控设备的应用水平。提高仿真技术的应用水平是有效提高数控设备利用率、提升数控加工水平的技术关键。

虚拟仿真加工应用专业的VERICUT仿真软件可以对刀具轨迹进行验证，也能够对数控加工程序直接进行验证，因而成为数控加工程序验证的重要手段。虚拟仿真加工技术将加工过程中的零件模型、机床模型、夹具模型以及刀具模型动态地显示出来，模拟和真实体现零件的实际加工过程，能够检查NC代码中的语法错误和完整性以及准确性，实现干涉、过切、残留校验，并直观安全地模拟、验证、分析切削过程。目前我们已成功的将VERICUT仿真软件应用到直角坐标系下的数控程序仿真，但是有些设备有时也会使用极坐标编程，这样会使程序相对简单，特别是在相同半径的圆周上加工多个孔、型槽，凹腔等的操作，使用极坐标编程使程序易于编制且易懂。通过对西门子系统标准编程指令、宏指令以及VERICUT软件本身的研究，以数控钻镗床taurus为例，详细论述如何使用VERICUT软件实现极坐标程序的仿真加工。

1 西门子数控系统使用极坐标指令编制的钻孔子程序

西门子数控系统，可以通过数据通道实现系统变量和外部R参数之间的相互传递，因此比较容易通过宏指令去实现数控程序的循环功能，而且西门子控制系统也支持极坐标指令，所以采用极坐标指令编制钻孔加工循环程序，会使程序结构简单、易懂。下面的程序就是将R1附值，通过R1值的递增及子程序的调用来实现50个孔的加工循环，而其中的子程序就是使用了极角、极半径编制的极坐标加工程序（子程序代码如下）。

%SPF100 （子程序名）

N100 G10 X0 Y0 A=R1 U=330.2 （G10调用极坐标加工，A为极角，U为极半径。）

N110 G00 Z-3.85

N120 G01 Z-17 F100

N130 G0 Z50

N140 R1=R1+3.75 （角度增量为3.75）

N150 M17

%

要在VERICUT中实现以上主程序及子程序的循环仿真加工，我们主要进行的是将子程序中的G10、A、U在VERICUT配置菜单的Word/Address中进行配置，使虚拟仿真环境可识别NC程序中的这些代码。

2 用VERICUT进行钻孔加工循环的仿真验证

2.1 机床定义

机床定义的内容包括*.mch文件（定义机床、夹具等）和*.ctl（定义控制系统）文件两方面。由于机床的结构千变万化，控制系统类型繁多，所以通常采用基于Vericut内嵌的控制系统文件结合具体的机床结构来定义机床。

2.1.1 机床结构的定义

主要内容包括确定机床坐标系、定义运动轴运动关系和各组件模型的添加。机床各组件模型建议使用UGNX软件创建，因为UGNX不仅有强大的建模、装配功能而且可以将工作坐标系设定到机床零点上，当导出的机床组件*.stl模型添加到VERICUT各运动组件下时，可保持UGNX中原有的装配位置关系和坐标零点，避免在VERICUT中进行组件间的位置调整。

用VERICUT进行机床结构的定义，首先要定义机床的运动关系。各运动轴的运动关系是在VERICUT环境下的结构树对话框中构建的，以Y轴为例，创建步骤是选择工具栏中的component tree图标或选择configuration菜单下的component tree选项，在弹出的Component Tree对话框中选取“BASE”“右键”“insert”“Y Linear”，其它运动轴的定义如Y轴的定义步骤，各运动轴主动及从动的关系一定要准确，机床的运动方式才能准确。机床各运动轴添加后，机床运动关系也确定了，但还需各组件的模型，机床结构才能够完善，各组件模型的添加顺序为：双击某组件，在弹出的Modeling对话框选取“model” “Browse...”选取相应组件的*.stl文件“OK”即完成组件模型的添加。机床所有组件模型添加完成，机床就有了完整的结构。

2.1.2 机床控制系统的定义

控制系统的定义主要包括编程零点的设定及G代码、M代码定义。此机床的控制系统是西门子控制系统，可以用Vericut内嵌的西门子控制系统如sin840d.ctl进行所需配置。要钻孔零件的编程原点位于零件的旋转中心，所以需将编程零点设定到零件的旋转中心，其操作步骤是选择ProjectProcessing OptionsG-CodeSettings，然后在G-Code Settings对话框中选择Tables选项，在该选项下添加G54的坐标值，即完成了编程零点的设定。

上述钻孔程序段中有些代码在Vericut内嵌的sin840d.ctl控制系统中是不可识别的，为了能够实现钻孔循环的仿真加工，其中必须要定义的代码有G10、A极角、U极半径，也是要实现仿真加工的关键代码，这些代码都是在Configuration菜单下的Word/Address对话框中进行设置的。G10在程序段中的含义是调用极坐标加工，所以在G10的定义中需添加PolarInterpolation和SetPolarInput两个宏，并设置其值为“1”。极角和极半径的定义是在原有的A、U寄存器下添加SetPolarAngle、SetPolarRadius两个宏，并需设置其输出条件为在极坐标加工的情况下输出。

2.2 定义数控工艺模型

通常采用UGNX建立零件的工艺模型，包括毛坯、零件、夹具等，注意使UG中工作坐标系和VERICUT软件中的加工坐标系重合，这样在VERICUT中易于模型的装配。定义模型的文件格式，在UG中将建立好的工艺模型以*.stl或*.igs等VERICUT软件能够识别的格式导出。此钻孔程序没有夹具，所以只需创建毛坯及零件的三维模型。

2.3 加工刀具库的定义

从刀具文件夹中选择刀具库或者自定义刀具库，确定钻孔所用刀具类型、刀具直径、长度等参数，定义刀具装夹点、刀尖点和驱动点。

2.4 加载数控程序

将编制好的数控程序加载到VERICUT软件仿真环境中，可以批量添加，也可单个添加。当鼠标放置到Add/Modify Programs...命令位置，双击鼠标进入加载程序操作界面，选择钻孔用的数控加工程序，即完成了程序的添加。

2.5 加工过程仿真

在定义好毛坯、控制系统、机床和刀具的基础上，设置好仿真动画显示参数，就可以进行切削过程仿真了。如果需要，还可以对夹具、材料、视窗等辅助内容进行定义。切削过程和切削结果均显示在图形窗口中，干涉与否可通过日志文件和提示行查看。

3 结束语

Vericut是集多种功能于一体的切削仿真系统。文章阐述了基于Vericut极坐标钻孔程序仿真加工的实现方法。利用该平台能够以形象直观的方式实现对数控代码的校验，对于保证数控程序的正确性具有重要意义，可以将过切与干涉等不安全因素消除在机床加工之前。文章也旨在通过VERICUT软件对极坐标指令处理方式的介绍，将VERICUT软件更好地用到实际工作中去，同时去开发更多功能为我们服务。

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Abstract: This article refers to the combination of the numerical control processing and the technology of straight bevel gear processing, based on the formidable CAM function of UG. First, the cutting tool will be established and also the track of the straight bevel gear knife will be computated.Second, the straight bevel gear will be verified, simulated andprocessed. Finally the numerical control procedure will be finished after the post positioned processing.

关键词： 直齿锥齿轮；UG；CAD/CAM

Key words: straight bevel gear；UG；CAD/CAM

中图分类号：TH164文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）02-0041-02

0引言

我国传统直齿锥齿轮加工方法主要是利用伞齿刨。但是，如果直齿锥齿轮的锥角接近90度，利用伞齿刨加工是非常困难的。本文将数控加工与直齿锥齿轮加工技术相结合，基于三维工程软件强大的造型功能及相关接口技术，利用VC++创建参数输入人机界面及软件数据传输通道，尝试开发一种新的基于数控机床的直齿锥齿轮加工方法。这里利用UG强大的CAM功能，可完成直齿锥齿轮的加工仿真及数控代码生成。

1UG/CAM下刀具的建立

进入UG/CAM环境下，在Manufacturing Create工具条上选择Create Tool，（图1）。这时出现如图2所示的Create Tool对话框，在Type中选择mill_multi_axis（多轴铣），并且在Subtype中选择Retrieve Tool类型的刀具。点击Apply按钮进入Library Class Selection对话框，双击End Mill（non indexable）进入Search Criteria对话框，选择Millimeters点击OK，进入Search Result对话框（图3），在刀具列表中选择所需的刀具，OK退出，刀具创建完毕。

在仿真时，刀具的显示类型为Assembly类型，刀具就显示为实际形状的刀具。选用实际形状的刀具的优点是，在仿真时可以逼真的模仿实际走刀轨迹和切削，并且可以检查刀具、刀柄与零件是否干涉。

2UG/CAM环境下刀轨的产生

在有刀具和三维零件图的条件下，UG/CAM下加工直齿锥齿轮，首先是要生成毛坯。直齿锥齿轮的毛坯形状应该是直齿锥齿轮无齿形时的形状。在UG的modeling环境下生成毛坯，首先调入要加工的齿轮，然后用Through curves功能修补曲面，使直齿锥齿轮的齿不可见，如图4为直锥齿轮的毛坯形状。生成毛坯有助于在模拟仿真时清楚地观察毛坯切除情况、干涉问题等。在实际加工时也需要这样形状的毛坯，毛坯可以利用车削等加工方法生成。

接着是建立一个加工并且调入已有的刀具轨迹文件，在UG的CAM环境下完成。Application/manufacturing进入CAM模块，首先，在operation navigator中对workpiece进行操作，以确定加工的毛坯。点选Blank和select，选择图4的所有外表面，完成毛坯的创建。为了便于以后操作，用Blank功能把修补的毛坯曲面隐藏，复原直齿锥齿轮外形。

然后是工艺方法的创建，在Manufacturing Create工具条上选择Create Operation，这时出现如图5所示的Create Operation对话框，在Creation Operation中的Type各选项中，选择mill_multi-axis即多轴铣功能。在Creation Operation的对话框中添入基本继承信息如图5所示。Use Geometry中选择workpiece，其将作为父类，name为VARIABLE_CONTOUR的操作将作为子类，从而继承了父类的毛坯特征。Use Tool中选择已经创建好的刀具，VARIABLE_CONTOUR操作将会生成此刀具轨迹。

Use Method选项是选择加工精度，可选择粗、精和半精加工。其他各选向可由自己定义，不再赘述。点击Apply，进入加工参数设置对话框，点选part和select选择要加工的一个齿面，驱动方式即Drive Method选Tool Path，并点选右侧图标，在刀具轨迹文件的存储路径下选择刀具轨迹文件；刀轴控制即Tool Axis选Same as Drive Path；其它设置不再赘述。参数设置完成后，点选Generate选项，生成刀具轨迹线，如图6所示。

3UG/CAM校验、模拟加工直齿锥齿轮

完成一个加工操作之后，可以利用UG的加工校验（verify）功能来检验所建立的一个操作的可行性。在校验的模式下可以看到刀具轨迹的生成及刀轨的形状，也可以进行干涉检查。加工检验有两种方式：Replay和Dynamic，在Replay方式下可以清楚的看到生成在待加工的零件表面上的刀具轨迹线，及刀具沿着刀具轨迹线的动态走刀；在Dynamic方式下，可以看到利用定义好的刀具加工已定义的工件毛坯（blank）的动态过程,在此方式下可以看到刀具切削工件毛坯，走刀完毕可以看到加工好的零件形状。

利用UG本身的有关功能，在仿真过程中实现由刀具切削刃所形成的锥面与被加工齿轮的被加工面相切，这样才能保证加工方法的正确性。所有的操作都完成了，就要进行模拟加工（simulate）。模拟加工直齿锥齿轮可以看到与实际加工相符合的加工过程，同时检查利用以上的所有操作是否正确。本课题是采用自行研制的夹具来装夹工件，目的是想通过该夹具的两轴联动与刀具的往复运动来完成这次铣削任务。加工仿真的正确与否直接关系到数控代码是否正确。而代码是该夹具的两轴转角的来源，所以有的操作都完成了，就要进行模拟加工（simulate）。模拟加工直齿锥齿轮可以看到与实际加工相符合的加工过程，同时检查利用以上的所有操作是否正确。本课题是采用自行研制的夹具来装夹工件，目的是想通过该夹具的两轴联动与刀具的往复运动来完成这次铣削任务。加工仿真的正确与否直接关系到数控代码是否正确。而代码是该夹具的两轴转角的来源，所以仿真至关重要。模拟如果没有问题就可以进行下一步：后置处理。

4后置处理

利用UG加工模块产生刀轨，首要目的是为了加工工件，但不能将这种未修改过的刀轨文件直接传送给机床进行切削加工，因为机床的类型很多，每种类型的机床都有其独特的硬件性能和要求，比如它可以有垂直或是水平的主轴，可以几轴联动等。此外，每种机床又受其控制器（controller）的控制，控制器接受刀轨文件并指挥刀具的运动或其它的行为（比如冷却液的开关），但控制器也无法接受这种未经格式化过的刀轨文件，因此，刀轨文件必须被修改成适合于不同机床/控制器的特定参数，这种修改就是所谓的后处理。它是复杂零件计算机辅助设计和实际机械加工之间的一条连接枢纽，是将理论设计转化为实际生产的重要环节，也是CAD/CAM一体化过程中不可缺少的组成部分。后处理最基本的两个要素就是刀轨数据（Tool Path Data）和后处理器（Postprocessor）。

本方案利用五轴功能生成刀具轨迹，其生成的数控代码中的A、B轴数据是工件围绕X、Y轴旋转的变化角度，X、Y、Z数据即为刀具做往复运动所到达的两个位置点的坐标。A,B数值可作为绕X,Y轴的角度值去控制两个步进电机的转动，是进行实际加工必须提取的数据。所以在后处理的时候选择五轴功能进行后处理。

以下为用盘铣刀加工外锥齿轮的数控代码及仿真图形（图7）：

%

N0010 G40 G17 G94 G90 G70

N0020 G91 G28 Z0.0

:0030 T00 M06

N0040 G1 G90 X-23.3795 Y-46.1175 Z.76 A358.294 B109.92 F250. S0 M03 M08

N0050 X-14.9755 Y-70.5532 Z1.1403

N0060 X-14.9594 Y-70.5355 Z1.1404 A358.106 B111.121

N0070 X-23.3344 Y-46.1197 Z.7602

N0080 X-23.3893 Y-46.0919 Z.76 A357.918 B112.323

N0090 X-15.0434 Y-70.5177 Z1.1403

N0100 X-14.9916 Y-70.5709 Z1.1393 A358.481 B109.118

N0110 X-23.3247 Y-46.1751 Z.7595

N0120 X-23.1807 Y-46.1971 Z.76 A358.632 B108.517

N0130 X-14.9245 Y-70.5849 Z1.14

N0140 X-14.9816 Y-70.5604 Z1.1385 A358.851 B107.613

N0150 X-23.3807 Y-46.1971 Z.76

N0160 M02

上述代码中的A，B数值可作为绕X，Y轴的角度值去控制两个步进电机的转动，与刀具往复运动配合，完成一个齿面的展成加工。然后步进电机4控制B轴转动分度，加工下一个同侧齿面，直至完成所有齿。另一齿面加工可将刀具往复运动改在X轴的另一侧，采用另一套行程开关来控制。图7为在UG下利用相应盘铣刀完成的几组不同参数的直齿锥齿轮的效果图。

此外，在利用UG后处理功能生成数控代码时经常遇到这样的问题：在控制刀轨程序中已经编译好刀具的走刀次数，但是，在生成的数控代码中往往会随机增加几条指令。例如：在刀轨文件中编译刀具从齿轮小端A点走到大端B点，那么，生成的代码中应该只有两条指令，而实际生成的代码中却有3条或者更多指令，为什么会增多这些指令呢？经过多次反复试验得出，这些随机增加的指令中的数据点都是在如上所述中AB直线上的任意点，是刀具在行走过程中随机抽取的点。对于该类问题应该这样解决：每次加工仿真时都要重新调用改变参数后的刀轨文件以及被加工的齿轮，这样加工过程不会受到前一次仿真的干扰。

参考文献：

[1]曾爱华．数控加工系统中通用后置处理技术[M]．计算机辅助设计与制造，1999（9）．

[2]刘雄伟等．数控加工理论与编程技术[M]．机械工业出版社，2000.

[3]黄恺，李雷．基于展成加工法的直齿锥齿轮三维参数化CAD[J]．机械传动，2006（5）.

[4]李佳．计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）[M]．天津大学出版社，2002．

[5]卜昆.计算机辅助制造[M].科学技术出版社，2006.

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关键词：整体叶轮；UG；数控加工；工艺规划；

0引言

叶轮类零件是一类具有代表性且造型比较规范的、典型的通道类复杂零件，其形状特征明显，工作型面的设计涉及到空气动力学、流体力学等多个学科，因此曲面加工手段、加工精度和加工表面质量对其性能参数都有很大影响。故叶轮的设计与制造密不可分。传统的叶轮加工方法是叶片与轮毂采用不同的毛坯，分别加工成形后将叶片焊接在轮毅上。此方法不仅费时费力，且叶轮的各种性能难以保证。近年来，多轴数控技术尤其是五轴数控技术的发展使得叶轮的整体加工成为可能并日益普及。

数控加工是CAD/CAM技术中的重要环节之一，刀位轨迹规划又是数控加工技术的关键。坯的制备、定位基准及加工路线的拟定、刀具类型和切削参数的选择，零件粗加工阶段的刀轨规划以及精加工刀轨等，是刀位轨迹规划的重要内容。由于叶片类零件的空间重叠区域大，在加工过程中需要对刀轴矢量等进行控制。数控加工刀位规划问题同所采用的刀具以及加工过程中曲面的成形原理密不可分。在不干涉的条件下加工任意复杂曲面，由于球面的点对称性，仅需确定球心相对于设计曲面的位置，一般勿须考虑刀具的姿态，这就给刀位确定带来了很大的方便。但是，球头铣刀的切削速度随着趋近刀底部而趋近于零，这时球头铣刀相当于挤压被加工面，导致工件表面质量恶化，而且在一次走刀下加工的带宽较窄，严重制约了其加工的精度或效率。

本文以整体叶轮曲面造型及数控加工工艺研究等为核心内容，结合数控加工过程中的外延内容如几何建模等技术，对整体叶轮的五轴数控加工进行了较为全面的研究，借助UG完成了直纹面形式的整体叶轮几何造型，并通过对整体叶轮在五坐标数控加工工艺规划进行分析，采用等参数线法分别对叶片的背、腹面和流道面生成无干涉刀具路径，并确定刀轴倾角、切削行距，并最终完成了叶片的数控加工仿真。

1.基于UG的整体叶轮曲面实体造型

基于UG的自由曲面造型功能，对提供的叶片原始数据文件进行前处理，然后利用UG中基于NURBS建立的叶片型面的样条曲线，构造叶片空间型面，更精确的反映叶片的曲面形状，有利于叶片的实际加工，叶轮创建的流程图如图1所示。

图1叶轮创建流程图

（1）创建样条曲线创建了UG支持的数据文件后，打开UG建立一个新的part文件，从菜单栏中选择：应用建模命令，进入建模状态。导入数据文件，绘制样条曲线。从菜单栏中选择：插入曲线样条命令，根据需要选择拟合方式，把已生成的dat数据文件导入，系统将按照数据绘制样条曲线，如图2所示。（2）通过曲线串生成叶片片体。从菜单栏中选择：通过曲线组命令，系统将弹出对话框，分别选取已建的样条曲线串，注意统一起始元素。（3）延伸片体。（4）采用通过曲面组和艺术曲面方法生成缝合面。（5）缝合曲面生成叶片实体。（6）生成轮毂曲线和裁剪曲线，UG 提供了两种建立曲线的方式：一种是直接在三维建模方式下，一种是在草图方式下。草图中建立便于参数化，推荐用草图建立。截面线串如图3所示。

图2 图3

图4 图5

（7）建立轮毂回转体，在菜单栏中选择插入设计特征回转命令，选择所建的截面曲线作为剖面线串，创建轮毂回转体，如图4。（8）修整叶片与轮毂，通过定义基准面和裁剪体，利用插入特征操作裁剪命令，裁掉多余的部分。（9）建立其他的叶片，因为叶片是圆周均布的，所以从菜单栏中选择：编辑变换命令，选择要复制的叶片，在角度文本框中输入参数值360/n（n为叶片个数），连续复制n-1次，这样就完成了n个叶片在轮毂上的均匀分布。（10） 建立整体叶轮到此时叶片、轮毂已经建立完毕，但它们都是独立的实体，因此，通过布尔和运算把它们组合成一个实体，最终完成叶轮的三维实体造型，如图5。

2.整体叶轮曲面加工仿真

在进行数控加工编程之前，首先确定要使用的刀具。在UG/CAM中，通过专门刀具创建操作来确定刀具。在UG中确定刀具的方式有两种：用户自定义刀具和从刀具库获取刀具。本文在对螺旋桨零件进行粗加工时选用了12mm的平铣刀，刀具长度75mm，刃长50mm，刀柄直径为50mm，长度为20mm。粗加工过程中采用型腔铣（mill_contour）方法对流道进行开粗，此方法开粗效率高、加工质量稳定，所以选取平铣刀可以减少走刀次数，提高加工效率与表面质量。半精加工和精加工时选用了5mm的球头刀，刀具长度75mm，刃长50mm，刀柄直径为30mm，长度为20mm。由于在多坐标加工中，球头刀对于加工对象的适应能力很强，而且编程与使用也较方便，所以本文选取了球头铣刀。

零件粗加工采用层切法加工。在确定了切削区域后，接下来就是确定切削层，切削层选取从顶面下降到56mm深度的范围，每层切削2mm。进入UG的Cavity-Mill模板设定粗加工切削参数，包括加工余量、安全间隙、公差等加工精度参数，还包括进给率、切削模式、切削类型、行距等。本文中的设置参数为：进给率1200mm/min，切削模式选择Follow Periphery，行距选择刀具直径的70%。在Cutting参数设置里选择切削方向为Inward由毛坯外缘向内铣削，开粗轨迹如图6所示。

图6 开粗轨迹 图7叶背半精加工刀轨图

半精加工流道面时由于想邻叶片间的空间较小，在经向上随着半径的减小通道越来越窄、纽角越来越大，刀具与加工叶片和刀具与相邻叶片易发生干涉，刀位规划约束条件比较多自动生成无干涉的刀轨较困难。经过分析和试验证明选择曲面驱动方式刀轴采用插补方式，投影采用刀轴方式可生成质量较高的刀轨，如图7所示。

在对整体叶轮零件的粗加工和半精加工工序完成以后，接下来要进行精加工工序。同样选择VARIABLE_CONTOUR可变轴轮廓铣模板，分别选择叶轮叶片的叶背、叶腹和流道曲面为驱动几何，切削模式同样选择直线铣削，类型为Zig-Zag，设置合理的参数后，叶轮精加工模拟显示生成如图8所示。

图8 叶轮精加工模拟

3.结论

以整体叶轮曲面造型及数控加工工艺研究等为核心内容，结合数控加工过程中的外延内容如几何建模等技术，对整体叶轮的五轴数控加工进行了较为全面的研究，借助UG完成了直纹面形式的整体叶轮几何造型，并通过对整体叶轮在五坐标数控加工工艺规划进行分析，采用等参数线法分别对叶片的背、腹面和流道面生成无干涉刀具路径，并确定刀轴倾角、切削行距，并最终完成了叶片的数控加工仿真。本文针对叶轮的三维造型所采用的技术处理方法进行分析，对解决不同领域的类似问题也具有指导借鉴的意义。

参考文献：

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[3]吴昌林，倪笃明，徐晓.机械CAD基础.北京：高等教育出版社，1997：137-138.

[4]黄尧民.机械CAD.北京：机械工业出版社，1995：44-51.

[5]曾向阳，谢国明，王学平等.UG NX基础及应用教程.北京：电子工业出版社，2005：306-374.

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[7]Unigraphics Solutions Inc.UG自由形状特征建模培训教程.北京：清华大学出版社，2002：40-41.

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关键词：数控仿真技术应用 中职数控教学 人机交互体验 软件应用

中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2015）09-0248-01

中国加入WTO组织业已十年有余，随着全球化经济的广泛深入，在高度机械化的时代自然需要紧跟潮流，不断培养数控技术复合型人才来满足国家日益壮大的国家工业体系。一线操作数控机床的人员在现代生产制造业中的需求增量越来越大，全国各地的中等职业学校自然紧扣市场对复合型人才的需求，开设相关课程供学员学习。

一、数控仿真技术应用漫谈

目前在实践教学环节中，中职院校学生普遍存在几个难点，突出的就是学生数学与编程理论基础差，在课堂上讲师讲授数控编程课，学生茫然听课，很难将课程理解透彻，这样无效果的讲学无法在实践教学环节帮助学生操作、使用数控机床，因而就会影响到整个教学的实施难易程度及培训效果，影响到与学校理论课程教学安排的协调性，最终使得教学实际效果不理想。

因此，在数控实践教学环节的设计应该特别注意把握“循序渐进”的中职教育规律，分成作用、实施、组织三个方面。在组织教学的各环节在学习内容上由一般到先进，由基础到复杂，做到层次分明，功能明确。在作用上从专项到综合，保证结构有序，内容相辅相成，理论与数据相互支撑；在实践上运用数控仿真技术，使学生从课堂到现场之间有一个知识储备，技能储备的平台，预先做好上机床进行现场操作的心理、技能知识准备，从而达到良好的实践教学效果。

二、数控仿真技术在教学应用中的优缺点

1.数控仿真技术的教学应用优点

使用数控仿真技术能使学生实现每人一机来进行模拟指令加工。亲身参与能最佳状态调动学生的主观能动性，激发学生的创造力。对于中职学校而言，中职学生素质普遍不佳，学校专业课内容教学过程枯燥乏味，内容抽象艰深。面对这样的学生，该如何解决提高教学效果，吸引学生注意力是数控专业教师面临的首要问题。而数控仿真技术以其友好、真实、便捷的用户界面、强大的实操性、直观明了的表现形式成为补充课堂教学的一大优势。学生可以通过数控仿真软件看见自己所编制的模拟加工过程，在很大程度上促进了学生的学习兴趣和主观能动性的发展。 同时老师也可以使用软件终端直观、立体化地了解到每一位上机学生的在线学习情况，以便可以有针对性地更正学生错误，完成课程指导，便于实现人机交互学习，减少学校因购进设备带来的财政负担，实训场地负担。

同时学生可在屏幕内全程监控材料加工，克服学生刚上手时带来的陌生感，加快代入速度。现代规模化企业所用的各个数控系统均有自己的特点，如西门子系统、法那科系统、国产如华中数控操作系统适用范围广泛。因此，使得学校准备充足的器械十分困难，而且现代的规模化工厂需要的更多是复合型人才。学校要想使每个学生得到全面的训练，熟练掌握各种数控软件和设备的使用方法、特点，选择数控仿真模拟加工系统代替购进不同种类的机床的巨大优势就得到了毫无遗漏的体现。

目前国内比较常用的，稳定可靠的数控仿真软件有上海斯沃数控仿真、宇龙数控仿真等仿真软件，这些成熟的仿真软件不但给学生提供模拟多种数控系统的选择，而且还可以自主选择所使用模拟的机床类型，不但简洁，还方便易用。

选择数控模拟技术有利于增加实训安全性，在全面训练学生技能水平时，充分利用数控仿真，能够有效地规避因为学生编程错误而造成的加工事故，避免了实训中意外事故发生率，降低机床损耗率。并且，利用数控仿真模拟机械故障，让学生在平时练习中学习和掌握事故解决方法。

2.数控仿真技术的教学应用缺点

如今，在仿真软件上操作也有一些弊端。学生在上机操作中容易养成随意设定参数的习惯，无法及时根据实际进程加以调整，忽略对参数的把握就容易在实际加工中产生如低精度、打磨粗糙等问题，甚至发生碰撞等意外事故，造成不必要的个人人身安全危险与企业额外损失。实际中就有一例，因为未调试好加工材料硬度与加工机床切削刀具、转速等问题，设定了错误的切削速度和切削用量，导致该机床出现了崩刀的事故，给接下来练习的同学带来了不必要的麻烦。

另外，学生在数控模拟软件上的操作只是单纯地在技术方面进行人机交互，并不能起到提示学生培养安全防范意识的作用。数控仿真模拟系统毕竟只是无限逼近，但并不能彻底取代实操。在实操中出现如机械临时故障也是在所难免的，有些潜藏已久的问题不一定能在模拟练习中出现。

三、总结

总而言之，在推进数控专业一体和规范化的同时，培养符合企业需要的数控机床人才势在必行。合理的实操与上机模拟，是各中职学校强有力的推手。遵循以人为本的宗旨，尽可能调动学生的主观能动性，激发学生学习、应用热情，使得学生在学习中感到快乐，在快乐中继续探索未知的领域。

在学校的实际操作中，可以合理安排数控仿真模拟与实操时间，齐头并进，双管直下。在学生初始接触专业时期，不妨多安排学生在模拟系统上所练习的时间。学生有了在模拟系统上充分的练习，有了夯实的理论基础，就可以安排到机床车间实习，以此来检验前一段时间上机操作所学，反省自我不足，查漏补缺，提高自身的操作技术。

在平时，学校可以支持、鼓励学生自己设计产品，学生可自行编程在模拟系统中进行建模、修正，等到构思成熟后再使用机床进行加工制造成品。通过这一系列的比赛，促进学生构思热情，锻炼学生编程能力与建模修正能力，提高操作能力，自主应对产品加工期间所产生的一系列问题。整体流程下来，既能让学生乐在其中，又能在潜移默化中加深所学知识印象。真正能把所学知识落到实处。考虑到中职学生的年龄与思想成熟度，自我管束能力不足，学校也要在上机操作中加以监督，使得学生不至于养成过度依赖计算机的习惯。

数控仿真技术有利有弊，在中职教育领域中应充分考虑到其便捷性与学生实际心智发展程度来制定合理、有效的培养目标，为祖国和企业培养上手快、善于处理复杂问题的复合型高科技人才。

参考文献

[1]单晓坤.数控加工仿真系统在中职实践教学中的应用[J].东方企业文化，2012（04）

[2]陈英.数控仿真软件在数控专业教学中的利与弊[J].漯河职业技术学员学报，2013（12）

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【关键词】计算机仿真技术 应用型本科 数控仿真系统 数控技术

【中图分类号】 G 【文献标识码】 A

【文章编号】0450-9889（2015）06C-0077-02

应用型人才主要是在一定的理论规范指导下，从事非学术研究性工作，其任务是将抽象的理论符号转换成具体操作构思或产品构型，将知识应用于实践。也就是说，应用型本科的教育是保证培养的人才具有一定的理论知识，主要是能够将所学习的理论知识应用于实践。应用型人才的核心是“用”，本质是学以致用，“用”的基础是掌握知识与能力，“用”的对象是社会实践，“用”的目的是满足社会需求，推动社会进步。

数控技术类课程是应用型本科机械设计制造及其自动化、机电一体化专业、数控技术专业的主干课程，在数控技术类课程的教学过程中一般采用理论和实际结合的方式进行。理论部分主要讲解数控加工工艺、数控加工刀具、数控编程基础等；实际操作部分主要是结合理论知识进行实际机床的操作和典型零件的加工。传统的理论部分教学主要通过教师PPT演示，在演示过程中插入文字、动画、图片对理论知识进行讲解，传统的实践环节教学主要通过老师带领学生到实训车间，通过具体演示零件的加工来完成。随着计算机技术的发展，数控仿真技术逐渐融入到数控技术的教学和应用中，成为数控技术教学的重要辅助手段。根据桂林航天工业学院在实际教学过程中传统教学方式方法和数控仿真技术辅助教学的实际情况做如下分析总结。

一、师资投入

桂林航天工业学院现有机械类学生中学习数控类课程的约2000人，相关教师18人，按照教学计划的安排，每周约有700名学生参加288学时的数控理论和实践教学活动，平均到每位相关教师约每周16学时的教学，参加每位教师课程的学习人数约40人。在教师每周8学时理论部分教学中，采用40名学生的课堂教学，按照传统的PPT课件插入文字、动画、图片进行演示性教学几乎没有实际的困难，但教学效果往往欠佳；但每周约8学时实践教学，按照传统模式进行就比较困难，每2～4位同学一台机床，1位教师进行指导几乎无法实现；一次课两个学时90分钟，实际操作前利用1～2台数控机床讲解约20分钟，约40个学生围在周围观看，很多学生会无法看清楚，而且剩下的时间每台机床分配不到2分钟时间，难度和效果可想而知。同时，由于机床的生产厂家和型号非常多，如果只是针对某种机床或者某些型号进行讲解，很难让学生适应实际企业生产中众多的机床厂家和机床型号。即使是桂林航天工业学院这样的全国性质的数控实训中心，虽然各种机床有60台，总价值达到3000多万元，仍然只能选择非常有限的几个厂家和型号的机床。总体上来讲，受到场地、经济的制约，不可能让学生全面地操作实际生产中众多厂家、型号、操作系统的机床。

如果采用计算机仿真技术进行教学，在理论部分和实践部分可以完全相结合，并且由于采用虚拟仿真方式，可以调用任何厂家、型号和操作系统的机床，让学生在结合理论知识编程的过程中，输入不同的数控机床，体验和理解由于数控机床的不同引起的编程格式、编程代码的差异，以适应实际生产过程中的型号、厂家和数控系统的差异，充分达到应用型本科主要实际操作应用的能力。例如在桂林航天工业学院教学中使用的南京斯沃数控仿真系统，开机时的数控系统选择界面包括了FAUNC、SINUMERIK、EZmotion、华中数控、北京凯恩帝、大连大森、南京华兴等70种；同时在选择FANUC 0i-M操作系统后，可以选择的机床操作面板包括汉川机床、南通机床、南京二机、济南机床、友嘉机床、托普机床、Duoleng、北京机床、大连机床、南京迈顺、纵横国际、南京东恒杰必克、台中精机、沈阳机床、韩国Doosan、巴西Romi、韩国WIA等28家中外机床厂家的操作面板。以不同的操作系统选择不同机床企业的操作面板，可供选用的机床几乎覆盖整个加工行业所使用的各种数控机床。

二、教学安全

对于教学安全主要是针对实践操作部分，机床作为机械结构，一旦出现事故，轻则机器损坏，重则出现伤亡事件，这样的事件已经给了我们血的教训。例如，某高校机械专业学生在企业实习期间由于操作失误，直接导致手臂被机械结构严重损伤，最终不得不截肢。如何避免机械事故发生是学生在实践操作部分最需要注意的问题，因此很多学校非常强调安全问题。

传统教学中，由于学生在上机床实际操作之前并没有对机床的运动情况有很清楚的了解，很容易导致事故的发生，因此很多院校在进行数控实训操作的时候，多是恐惧危险的发生而走走形式，真正实际进行操作，并能够加工出零件的比较少，除非是学校为了让学生参加比赛而培训数量比较少的学生，难以达到教学计划中关于实践教学部分的实际要求。而采用计算机仿真技术的数控教学，可以在实际操作之前充分了解数控机床面板的操作和数控机床的运动运行规律，某种意义上说就是真正的数控机床操作的演习，为实习实训部分做好充分的准备工作，即使在仿真中出现操作错误或者操作失误，既不会导致机床的损坏，更不会导致人员的伤亡。

三、教学效果和效率

数控程序编写是数控类课程的主要教学内容之一，如何正确地编写数控程序也是数控类课程的重要任务。在传统课堂上，教师主要利用PPT课间插入动画、图片、文字等内容进行讲解，虽然利用了一些多媒体资源，但是并没有充分发挥多媒体最大的功用。在讲解过程中往往比较枯燥乏味，难以更加形象具体地表述数控代码控制刀具、机床主轴的运动情况。特别是对于一些比较复杂的循环指令只是通过这样的讲解方式往往很难准确地表达。虽然目前有些教师可以采用一些三维软件、动画软件制作一些比较详细的动画，但是这种动画往往就是固定设置好的动作，缺乏参数的变化，不能通过修改参数来观察刀具运动的变化。

目前大多数计算机数控仿真数控系统都是模拟实际的数控机床操作，几乎完全和实际的数控机床操作相同。教师在授课过程中可以编写实际的数控程序，再输入到数控仿真系统中进行验证，在验证的过程中，可以随时改变数控程序中的参数，来讲解数控指令中参数控制刀具的运动规律，也可以改变数控程序中的程序指令，来讲解不同指令刀具的运行轨迹；这样就可以更加清楚形象地讲解数控编程中的各种程序指令和指令中各个参数的含义。在斯沃数控仿真系统模拟加工零件过程中，在操作界面的左侧显示编写的数控程序，仿真操作过程中根据刀具的运行轨迹，自动跳转相应的程序段，帮助学生理解程序中控制对象的运行情况，并且利用不同的颜色来展示不同刀具的运动轨迹，在直观地展示运动轨迹的同时也可以随时更改数控程序或程序中的参数来获取不同的轨迹。

四、数控工艺部分体现

在实际的加工过程中，数控工艺主要体现在刀具、装夹、进给量、主轴转速、背吃刀量、加工工序等。由于这部分内容比较抽象，需要根据实际加工的材料、技术要求、零件现状等具体情况进行讲解。传统授课方式只是通过语言的描述、图片的展示来完成内容的讲解，学生很难理解。

在采用数控仿真系统进行教学过程中，可以根据加工零件结构的不同，按照工序要求讲解各种刀具的结构、刀具的尺寸参数；并且几乎不受任何限制，在斯沃数控仿真系统的数控车刀包括了14种车刀刀杆、各种形状的刀刃，并可以根据加工需求输入刀杆、刀刃的参数和材料，也可以根据实际机床的结构选择四方刀架、八方刀架、十六方刀架，或者选择前置刀架和后置刀架，满足数控车床在加工各种零件的需求；在数控加工中心包括15种各种类型的刀具，同样可以根据需求输入刀杆、刀刃的参数和材料，选择各种形式的刀库，满足数控铣削和加工中心加工各类零件的需求。

同时也可以根据零件的结构特征选择适合的装夹方式，也可以设计自己的专用夹具以满足不同工艺装夹的需求，使学生可以根据装夹的情况，正确理解程序编写过程中避开装夹，防止车削或者铣削到夹具的零件，满足工艺讲解过程中关于工件装夹的要求。斯沃数控仿真系统为数控铣床和加工中心工件提供了三种可选择的装夹方式，包括直接装夹、工艺板装夹和平口钳装夹，以满足不同零件加工关于装夹的要求，数控车床根据板料或管料的需求提供外圆装夹方式和内孔装夹方式，以满足车削零件加工的需求。

综上所述，利用数控仿真系统于应用型本科的数控技术类课程的教学中可以适应不同专业方向关于数控知识技能的学习，在减少师资投入的情况下学生可以尽可能多地了解和模拟操作时间生产中众多厂家、型号和操作系统的机床，以适应未来走向工作岗位进行数控编程或者操作机床的需求；同时从教师实际教学的角度，在理论教学方面，可以结合数控仿真软件，实时地通过仿真操作来帮助学生理解数控编程和数控工艺的基本知识，同时也可以模拟不同机床的实际操作，大大减少事故率，保证教学过程以及学生参加工作后实际操作机床的危险。经过桂林航天工业学院多名教师近年来采用传统教学方式和计算机仿真技术相结合的方式进行教学证明，学生在学习数控技能的时候，一方面学习兴趣大大提高，学习数控技术的激情比简单枯燥的传统课堂教学具有明显的差异，另一个方面学生学习的效果也明显提升，实际掌握数控知识和数控操作的能力明显提高。

【参考文献】

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关键词：虚拟仿真技术；机械工程；实验教学；应用

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.08.089

操作实践课属于众多高校理工科类专业中非常重要的学科组成内容，而且顺应社会发展对人才的需求，我国当前大部分高等院校基本上都建立了专业的工科类操作实验室，让学生在学习中能具备实践动手操作的便利条件。传统的机械工程实验教学中，很多实验涉及到使用仪器设备的情况比较多，这就使得实验难度更大。再加之不少仪器设备价格不菲，体积结构也不方便学生进行实验操作。所以过去通常都是通过教材理论知识进行按部就班地操作，这就无法充分调动学生进行自主操作的积极性。再加上还有很多高校因为资金投入有限，很多实验室中旧的器材设备出现机能老化，无法满足当前机械工程实验教学发展的需求。因此，充分将这种虚拟仿真技术积极应用于机械工程的实验教学过程中，可很大程度上来对目前教学过程存在的问题和不足予以改善和优化，并提升这门课的教学效率。

1 机械工程实验教学的现状与问题

机械工程实践教学的工程主要侧重于实践性操作能力的培养，让学生在操作中提升动手实践能力。近年来，随着高校扩展，大学生数量在不断增多，而实验室和相关实验设备开始供不应求的问题成为影响和制约机械工程实验教学的重要因素，这些导致学生在机械工程的学习中并没有太多能切身实践操作的机会，这也就使得学生无法将所学习和理解的理论知识真正运用到实践中，影响学生实际的动手操作能力，同时使得学生所学习的理论知识无法在实验中得到验证，在很大程度上会降低学生学习这门专业的积极主动性。另外，因为机械工程实验教学离不开对机械的使用，而很多学校考虑到机械有潜在的危险性，为了确保学生的人身安全，进而通过有关机械工程的讲座、参观来替代实践教学。但这些形式的替代无法起到与实验操作教学相同的效果，也无法有效提升学生的动手操作能力，也就因而使得学生对知识的理解和掌握只是停留在理论层面，不利于这门专业的全面透彻化的学习。因此，当前提高我国高校机械工程实践教学的教学设备和教学质量十分迫切和需要。

2 有关虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用

2.1 关于数控加工技术的仿真实验

数控加工技术，是我国当前国民经济发展中现代化制造业的核心技术，现代化数控加工技术的广泛应用，有效为我国现代机械制造业发展奠定了坚实的基础，这种数控加工技术，充分集结了微电子技术、机械加工技术这两种技术，而且也预示着我国机械工程的发展前景。在当前的各大高校专业中，机械制造级自动化成为非常热门的专业之一。在具体教学过程中，学习本专业的教学与培训操作中最为主要的内容即是数控机床。但由于数控机床的价格十分昂贵，而且设备单一的同时还有一定的复杂性，因此无法满足每一个学生的实验操作的需求，在实验教学中只可允许少部分学生来进行实践操作，还有一部分只能在旁观看和辅助，这就使得教学方法产生了一定的局限性。但如果在机械工程的实验教学中，通过引入虚拟仿真技术的应用，那么通过对数控机床操作的详细步骤与过程进行模拟，则就能为工程实验专业的学生提供学习环境和有利的条件，去实际感受和体验机床的加工环境及加工流程，并因此而形成系统化的知识构架，提高学习效率。

2.2 有关带传动性能的测试实验

在机械传动的过程中应用比较广泛的是带传动，通过带传动的应用，来完成机械工程实验教学的基础性实验课程的教学工作。带传动性能的测试实验则指的是通过引导学生对带传动的过程予以观察和分析，尤其是注意观察其是否有打滑现象和弹性滑动的状况，再对其承载能力的大小进行分析，并结合所观察和分析所得的相关数据来描绘带传动弹性滑动图和传动效率图形。但是，若应用到虚拟仿真技术来做带传动性能的测试实验，那么就省去了电动机、发电机、传感器以及光电测速装置等的应用。这是由于虚拟仿真技术的实验硬件设施是由计算机辅助完成的，而且是利用Lab VIEW 软件设计带传动性能测试系统。

2.3 有关虚拟现实系统的应用

虚拟仿真技术是对各种大型复杂机械装备的原理演示、故障诊断、功能仿真，同时也是对复杂且精密零件的工艺验证、复杂综合控制的模拟分析，并有效为大型复杂机械装备操作培训提供了更加新型现代化的方法，解决和完善了大型复杂机械装备物理实验存在的漏洞和不足。虚拟仿真技术的实验教学系统，可充分为高校学生开设面向全断面掘进机、冶金成套设备等大型复杂机械装备的虚拟样机设计与开发、虚拟装配与功能仿真等虚拟实验与虚拟实践训练课程。

2.4 有关减速器装备实验

在机械工程的实验教学中，常常涉及到对减速器的应用，因此，在机械工程设计的实验课中，最根本的课程最必不可少的实验即是减速器实验。在过去机械工程实验的减速器实验教学过程中，老师基本上是通过把一个真的减速器带到课堂，并通过对其进行逐一拆卸安装，以此来让学生了解和掌握其内部结构、功能以及工作原理，但这样会带来巨大的资金消耗，而且实验缺乏稳定性。但此时如果在减速器装备的实验中应用虚拟仿真技术，即可实现把对实物的拆装过程换做操作软件，来对其进行仿真和修形，从而达到其实验教学效果，并不断提升学生对这门课程的学习水平和质量。

3 结语

综上所述，通过把虚拟仿真这种技术有效应用到机械工程实验教学中，可对过去传统仪器设备的缺陷和不足予以改善和优化，满足了实验教W改革的发展需求，提升了机械工程实验教学水平和质量。

参考文献：

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关键词：数控加工；仿真软件；教学应用

近年来数控加工在机械制造中的作用越来越突出，应用范围也在不断的普及和推广，很多高校为了满足市场的需求，都相继设立了与数控有关的课程。数控课程是一门实践性较强的学科，学生在学习的过程中，需要将理论与实践进行有机的结合，将知识有效的在实践中运用，提升学生的实际应用水平。

1问题的提出

随着科学技术的发展，数控加工技术的应用也更加的广泛。社会对数控人才的需求不断加大，对人才质量的要求也在不断提升，数控人才成为紧缺的人才。加快对人才的培养，促进人才的全面发展成为了教育的关键。要想提升教学的效率就要对传统的教学模式进行改进，创新教育的手法，激发学生的学习兴趣和热情，调动学生的积极性和创造性，要让每个学生都参与到实践中来。数控加工实践教学需要先进的设备和专业技师的培训，在实际的教学中，由于资金的限制，缺乏有效的技术支持，在指导教师方面也很难配备齐全。因此，在今后的教学中要针对此种状况进行有效地改善，运用数控加工仿真系统教学可以有效的解决这一弊端。

2数控加工仿真软件的优点

（1）节约教学成本。数控加工实践教学需要用到的机械成本较高，在学校教学的过程汇总，如果配备机床的话就会耗费较高的成本，而实际上学校的经费有限，能购买的机床数量也有限，在教学的过程中不能保证每位学生都有机会进行实践操作。而采用仿真数控加工软件可以弥补机器数量不足的缺陷，让每位学生都有参与的机会，还能有效的节约成本，提高教学质量。（2）保证操作的安全性。在实践操作的过程中，如果运用真实的机械进行操作的化，就会存在一定的危险性，如果学生在实践过程中出现失误，就会有安全隐患。尤其是对于初学者而言，在操作的过程中，本身就不熟练，加之有点紧张，就会容易出现安全问题。运用仿真软件进行教学，能够弥补安全上的缺陷，操作过程可以通过仿真中模拟出来，操作者可以直观地判断操作是否准确。经过仿真软件的操作练习和对加工程序进行验证后，再到数控机床上进行操作就会熟练很多。（3）培养学生的学习兴趣和分析问题、解决问题的能力。数控仿真软件是利用先进的技术进行教学，数控仿真技术属于信息技术的一种，操作过程更加具有准确性。此种教学手段对学生来讲是一种全新的体验，能够有效地激发学生的学习兴趣，学生在操作的过程中可以直观的看到整个操作过程，对操作中存在的问题能够及时发现解决，提升学生分析问题和解决问题的能力。在教师的指导下，学生的实践能力和水平会有效的提升。

3数控加工仿真软件的缺点

数控仿真软件虽说是比较逼真的软件，但是与实际的机械还是存在一定的差距。数控仿真软件是可以直观进行观察和操作的，学生在操作的过程中即使出现问题，也能够及时进行更正。但是在实际的机床加工操作的过程中，很多问题是不可遇见的，在操作中如果真的出现问题，学生不能准确把控，就会出现问题。而且仿真软件的工作安装与测量都与实际相差甚远，仅仅进行仿真操作无法掌握实际的技能。长时间进行仿真操作，学生就会降低安全意识，在操作中就会出现问题。因此，学生不能完全依赖仿真软件，只能进行基础性的操作，不能完全依赖该软件。

4数控加工仿真系统的选用

数控加工仿真系统的选用要与实训的教学机床相匹配，仿真系统中所用数控系统要与教材教学选用的数控系统相符。这样，在教学的过程中，学生才能够得到真实的教学体验。仿真系统的使用目的是为了锻炼学生的操作熟练程度，为今后的实际操作打下基础。

5数控加工仿真软件的应用方法

（1）采用灵活的教学手段，让学生主动学习。数控教学是实践性较强的学科，为了提升教学的质量，需要对教学内容和教学手段进行全面的提升，对涉及的相关理论知识可以以传统的课堂教学为主，涉及到其他实践性较强的部分就可以利用理论教学与仿真教学进行结合。在课堂教学的过程中可以利用多媒体进行辅助教学，多媒体教学可以提升学生的学习兴趣，也能将复杂的问题简单化，在课堂教学的过程中，教师要提升学生的主体地位，让学生参与到教学中来，突出学生的主体地位。而教师主要发挥引导的作用，对学生无法解决的问题进行把控，对知识点进行更深入的讲解，帮助学生掌握相关的学习技巧。（2）恰当运用数控仿真系统，发挥在教学中的作用。首先是在数控编程教学过程中的应用。运用仿真软件，可以实现教学练的一体教学，教师在讲解一个编程指令之后，可以及时把习题发给学生进行练习，学生进行练习之后，教师把标准的答案发给学生让学生进行对照，学生根据对照自己进行修改，发现自己的不足，找到学习中的问题。教师在讲解编程实例时，可以利用示教工程进行讲解，在虚拟机床上进行仿真加工的模拟教学，在此过程中让学生充分的参与，调动学生的积极性，在编程过程中会出现各种错误的程序编程，在仿真系统中就会出现显示，学生通过错误的提示就能找到解决的办法，提升教学效果。其次要重视在数控教学中的应用。对数控机床的应用，对数控机床的操作，需要教师一边讲解一边进行操作，由于学生之前没有接触过机床，所以如果教师没有讲解清楚，学生在理解上就会出现问题，会影响学生的学习效果。（3）科学安排教学的内容。教师在利用仿真机床进行教学的过程中，要掌握教学的手法，要采取科学的手段进行教学，对学生要循序渐进。要根据学生的掌握情况进行课程的安排，要对学生进行因材施教。很多学生都是第一次接触仿真教学的课件，难免会有些陌生，根据这种情况，教师要科学合理的进行课程的编排，在教学初期可以适当的安排一些简单的操作，在学生适应之后，在进行较难的课程的编写和讲解。对比较重要和比较难的部分，教师可能要花费比较长的时间，让学生熟练地进行掌握，还可以根据学生的兴趣进行课程的安排，对不同层次的学生安排不同的教学内容，让学生快速熟练机械的操作。

6运用虚拟仿真教学需要注意的事项

首先，不要依赖仿真软件。仿真软件再好，毕竟与实物之间还是有一定的差距的。教师在教学的过程中，只能把虚拟软件当做是教学的辅助设备，不能完全的依赖虚拟软件进行教学，仿真软件在操作的过程中不会出现安全性的问题，但是不代表机床操作没有安全隐患，因此，教师在进行仿真教学的过程中，不能忽视对学生安全教育，要让学生知道实际操作是有一定的危险性的。其次，在仿真教学的过程中，对出现的问题能够及时发现处理，但是在实际的操作过程中，会出现很多不可预见的问题，如果按照仿真软件进行进行处理操作的化，那么会影响实际额操作效果。学生今后在进行就业的过程中，在实际应用中会出现问题。仿真技术的应用是数控技术的全新发展，在仿真技术教学的应用中，教师要掌握教学的手段和方法，对学生要正确的进行引导教学，但是在教学的过程中，教师不能完全的依赖仿真教学，要根据实际情况而定。要把学生的发展放在首位，要尊重学生的意见，要进行教学的创新，激发学生的兴趣。只有在教学中科学、合理的应用仿真软件，才能促进教学效果。

参考文献

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［3］刘晓明.数控仿真软件在中职数控教学中的运用［J］.才智，2016,（28）:151-151.

［4］肖玮.浅谈中职数控教学中学生动手实践能力的提升［J］.现代职业教育，2016，（21）:157.

篇10

关键词：虚拟仿真技术；数控技术专业；数控仿真软件；中职学校

中图分类号：G642

1虚拟数控仿真系统

虚拟数控技术是利用计算机来模仿真实的数控设备工作环境和工作过程的一门技术。它以计算机仿真和数控加工技术为基础，集计算机图形学、人工智能、网络技术、多媒体技术和虚拟现实技术为一体，在虚拟的条件下，对数控设备的工作过程和环境进行全面的仿真。目前国内外研究人员在加工过程仿真方面做了许多工作，如美国Maryland大学开发了用于培训数控操作人员的虚拟数控机床仿真器。同济大学研制的数控程序微机动画仿真系统。清华大学CIMS工程研究中心开发的“通用加工过程仿真器”等等，但目前的虚拟系统都属于几何仿真的范畴，将刀具与零件视为刚体，不考虑切削参数、切削力及其他物理因素对切削加工的影响，只是对数控程序进行翻译，产生刀具位置数据，并以此数据驱动机床运动部件和刀架运动，对工件进行虚拟切削，同时检查是否有干涉和碰撞。未来虚拟数控技术的主要发展方向是向物理仿真发展，包括加工精度分析，切削过程的热变形，切削力作用下的系统弹性变形、夹紧变形，以及机床的动态和静态分析等。

2虚拟数控仿真系统在中职数控教学中的应用

2.1传统数控实训教学中存在的问题

职业教育以岗位需求和职业能力为本位，突出实践技能的训练。目前很多学校都投入购置了数控设备，虽然数控机床的数量增加了很多，但仍不能满足实训教学的需要，教学只能“在黑板上开机床，在练习本上编工艺”；学生从理论学习转入实际操作缺少中间过渡环节，实训的危险性增加；实训教师在现场指导多名学生同时操作时，环境嘈杂，且很多学生围着一台机床，教学效果不好；数控机床结构复杂紧凑，学生在学习过程中观察了解机床的工作状态和工作原理及机床的机构时，观察角度受到限制等等。基于这些在实训教学中存在的问题，我们利用计算机虚拟现实技术，对数控机床的工作过程和环境进行全面的仿真,开发了《虚拟数控机床仿真实训与考核系统》。

2.2利用虚拟仿真技术实现的数控加工仿真教学系统

《虚拟数控机床仿真实训与考核系统》总体上设计了三个部分，即学习帮助、仿真实训和仿真考核。

学习帮助部分是入门学习的资源库,包括了自动操作、手动操作和学生难以掌握的对刀操作的过程。软件的核心部分是采用虚拟现实技术实现的仿真实训与考核部分，对机床、工件和刀具进行了三维实体造型，通过实体间的布尔运算来实现整个数控加工过程的仿真，系统采用OPEN GL作为图形开发引擎，使动态仿真过程变得流畅，实现了机床操作全过程仿真和加工运行的全环境仿真。学生根据图纸确定加工工艺、编制好程序后，就可以在平台上输入程序，完成对刀及零件加工的全部工作。

图2虚拟数控仿真系统

软件针对中职学生的特点，注重过程性，强调细节，增加了安全性训练和工艺性训练功能。比如背吃刀量是根据机床、工件和刀具的刚度决定的，当加工不同的材料时，其取值是不同的，学生往往给出很大的背吃刀量，而这在实际的机床上加工时，是非常危险的，我们的软件中充分考虑了这一点，教师可以根据加工需要来设置背吃刀量，当学生给出的数值过大时，系统就会提示，并停止运行，让学生养成正确的加工习惯。

考核平台，可利用试题生成工具生成试题，通过考试服务界面导入到系统，还可以导入报名表、进行成绩处理等。系统通过网络能够对实操的全过程进行考核，对编程中出现的语法错误和操作运行时发生的碰撞进行检测并扣分，考试结束后学生可查询什么地方出现了错误以及扣掉了多少分。

软件通过三个平台的设置，学生在训练的过程中发现的问题，可以在学习平台上找到答案，之后还可以通过考试系统检验自己学习的效果，使学生能够自主学习、独立操作和自我测评。

3基于《虚拟数控机床仿真实训与考核系统》课堂教学模式实验

为了检验基于《虚拟数控机床仿真实训与考核系统》的教学模式对数控技术专业教学的应用效果，选取了《数控设备与编程》，这一中职数控技术专业的主干课程。该课程在内容相同的情况下，采用《虚拟数控机床仿真实训与考核系统》后，在沈阳市装备制造工程学校的教学课时数从原来的160学时减少为120学时。我们选取开设同样课程、学生总体水平相同的两个班级作为实验研究对象，实验班为09数控1班，对照班为09数控3班，两个班均为38人，其中实验班采用基于《虚拟数控机床仿真实训与考核系统》的课堂教学模式，对照班采用传统教学模式。

通过一学年教学实践，《数控设备与编程》课程对照班与实验班教学情况如表1所示：

表1数控教学情况对比分析表

班级 09数控3班38人（对照班） 09数控1班38人（实验班）

理论教学学时 54 54

实验教学学时 16 6

实训教学学时 3周 2周

总教学学时 160 120

教学组织形式 传统的集体授课 基于数控仿真软件的小班小组教学

教学模式 理论课 教师讲解，并运用有相关示意图演示，学生听、记。 基于虚拟仿真软件的数控课课堂模式

实验课 采用先在黑板上理论讲解，再动手操作。 小组探究，仿真展示、验证，动手操作。

实训课 采用教师指导，学生操作练习。 教师布置项目，学生自主探究、仿真验证、操作练习。

实验班和对照班数控专业技能考试后测对比分析如表2所示：

表2控制班与实验班数控专业后测情况对比分析表

09数控3班38人

（对照班） 09数控1班38人

（实验班）

数控编程正确率 61％（23人） 79％（30人）

操作撞刀 17人次 5人次

工件合格率 53％（20人） 76％（29人）

4结语

《虚拟数控机床仿真实训与考核系统》在数控教学实践中起到了很好的助学和助教的作用，受到老师和学生的欢迎。系统弥补了实训设备的不足，节约了大量的实训材料的投入；仿真系统作为学生从理论学习转入实际操作过程的中间过渡环节，降低了实训的危险性；仿真软件通过三维建模，可以放大、缩小、随意旋转查看机床，直观、清晰，有良好的助教功能，改善了教学效果；学习平台的设立有助于引导学生自主学习，激发学生的学习兴趣。比如一个学生，学完数控车床的操作后，对仿真操作产生了浓厚的兴趣，自己学习了数控铣床的相关知识，编程加工出了自己的名字；对于数控操作中的难点，采用信息技术进行“虚拟现实”的仿真教学，不仅可提高操作学习的安全性，也很容易让技能操作符合规范；仿真系统扩展了课堂容量，提高了教学质量。信息化教学资源的应用打破了传统以教师为“中心”或“标准”的“说教”式教学模式，换之以师生互动、共同探究的“引导式”教学模式，师生之间变得平等。相互尊重的氛围，极大地调动了学生的学习兴趣，提高了课堂教学质量。

数控仿真软件将课堂教学的知识点和实践教学的实训点整合在一起，改变了传统教学模式，让学生在做中学、在学中做，使我们的数控教学取得了事半功倍的效果。

参考文献：

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