数控仿真系统范文

导语：如何才能写好一篇数控仿真系统，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】中职教育 数控发展 机械制造业

中图分类号：G4 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2017.07.189

现如今，数控机床在机械制造业上的应用越来越广泛，一个国家数控自动化的水平已经可以衡量国家的综合实力。目前我国的国际地位在不断地提升，机械制造业也起到了举足轻重的作用。目前急需一线操作和编程人员。在培养这种人才的工作上，中职教育有着重要的职责和使命。这就需要中职教育学校加大师资力量和软硬件设施的投入。那么如何才能培养出高素质、高水平的一线人员是个值得探究的话题。其首要难题在于数控设备昂贵。所以，随着计算机数控仿真系统的出现，就很好的解决了设备昂贵，设备不足的问题。

一、数控仿真系统

数控仿真系统是在计算机技术的基础上与虚拟实现技术相结合，形成一套新的仿真模拟系统。这套系统件可以让学生得到数控设备加工操作技能实际练习的机会，是全新的应用系统。该机通具备先进的仿真功能，可以达到实现模拟实际的机床工作状态等其他功能。可以讲解演示数控操作编程。这样就可以帮助操作人员在实践中进行学习，掌握更多的相关技术。也可以帮助学生对数控的程序进行检测。目前国内数控仿真系统正在逐步的被应用于机械制造业和各个中职教育部门的数控教学的使用中，特别是在中职教育学校的使用更为全面。

二、中职数控教学中数控仿真系统的应用

中职教育在数控仿真系统的应用上实现了教学工作的多元化。数控机床是一项高科技产物。因此，中职学校对于数控的教学要是按照实际操作去进行，成本很高，而且具有一定的危险性。使用数控仿真系统就可以控制成本，而且增加W校的师资力量。这样就有了更高效的教学效率，并且保证了教学的安全性，减少教学事故的发生，也有助于中职学校对机床数控专业的教学。

利用数控仿真软件同时也有助于学生学习数控设备机床的系统操作。但是实际的数控设备包含很多种型号，而且在日常的数控教学中，学生可以接触到的机床种类有限，所以实际操作的时间和次数也很少。使用了数控仿真系统就能够彻底解决这个弊端，数控仿真系统可以全面的模拟数控机床的操作流程。并且可以模拟仿真各种型号的机床，帮助同学们学习和解决在实际操作中有可能出现的危险和问题，加深同学对于所学知识的印象。更为有益的是，可以加强同学们对数控机床数据的了解，从而更能提高学生对于数控机床设备的操作技能。

数控仿真软件也可以提高学校对于数控理论的教学效果。数控教学不仅仅是关注实践，理论知识也同样重要。只有懂得理论，才能在此基础上做到创新，有其独到的见解。并且如果只依靠传统的教学方式，一味的口头讲解理论知识，难免让同学们觉得乏味，教学的效果也就不理想。而数控仿真系统则可以让实际与理论相互结合，在学生们的头脑中留下深刻的印象，并且可以强化学生对程序中各个指令的理解。如此一来，老师也可以通过学生的实际操作情况与进度来进行有针对性的调整。有助于提升教学理论的效果和学生的数控编程能力，为日后实际工作中的操作打下坚实的基础。

不光要有合理科学的教学方式方法，还要注重培养学生的学习兴趣。中职学校的学生相对普通学校的学生相比，基础较差，底子相对要薄弱，对学习的积极性也并不高，而且数控教学的内容十分抽象。对于这种情况，学生会比较容易对数控教学感到厌烦，丧失兴趣，就会导致教学效果差，学生学习情况不理想。所以使用数控仿真系统，同学们可以在电脑屏幕上看到教师所演示的教学内容，并可以在老师的讲解下进行模仿操作，老师也可以实时关注学生的学习进度，对学生的错误进行有效的指导。这样的教学模式与传统的教学方法相比，既能提高学生与教师之间的互动性，也可以给学生创造了实际动手操作的时机，使同学们养成学习兴趣，使学生有较高的学习热情。

数控仿真软件也能对学生的数控程序进行自动检测，检索出数控程序中的漏洞，并可以对程序中的漏洞进行分析，查找原因。这样一来，学生也就可以通过数控仿真软件来进行数控操作的调整，同时练习程序的编写，进行测试。教师还可以通过访问学生的操作记录来了解学生的学习情况，对学生所掌握的知识情况有一个全方位的了解，有教学方法也就可以因人而异，做到灵活自如。中职学校还可以通过学生的操作记录对老师的教学成果有一个合理科学的评价和检测，从而可以为学校的教学评估制度制定一个新的标准，丰富学校对老师教学成果评估的内容，更加具有说服性和公正性。

三、数控仿真系统应用的不足和解决措施

数控仿真系统的完善。当今情况，很多的中职学校都将数控仿真系统投入到了数控教学的应用当中。但是，有些数控仿真系统的功能并不完善，存在着漏洞和不足，与实际情况不能完全相符。在实际的操作过程中，还会出现个别指令无法执行的情况，这种情况的出现对学生的学习过程十分不利，容易给学生造成误导和迷惑，影响到教学效果。所以，会影响到学校的教学质量。因此，我们必须对学校所使用的数控仿真系统进行不断的完善和更新，逐渐地改善存在的不足，为中职学校的教学和学生的发展做出更大的贡献。

教师和学生对数控仿真系统产生了依赖性。再加上学校为延长机床设备的寿命和使用年限，就会完全依托数控仿真系统来进行教学。要知道，数控仿真系统与实际的机床设备的操作还是有所偏差的。很容易导致学生不重视对设备的实际操作，使得学生的实际数控技能水平的提高受到阻碍。所以在中职学校对于学生技能水平的教学工作中，在注重数控仿真系统的使用同时，不能忽略对机床设备的实际操作，这样更可以加深学生对知识水平的掌握尺度，动手能力也得到了很大的提升。

数控仿真系统和实际操作毕竟还是存在着一定的差异的。因此数控仿真软件不能成为机床设备的替身。尽管数控仿真系统可以在一定程度上提高学生的操作水平。但可是我们要知道仿真系统仍然与实际操作具有一定的差异性，依然无法让学生有真切的领悟和感受。其主要在于数控仿真系统的精确程度不足，暂时还不能完整的体现切削过程中的细节问题，对产品质量无法进行精确的预测。因此在使用数控仿真系统的同时，对实际机床设备的操作教学也要重视。

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关键词：数控机床；仿真系统；三维建模

0 引言

所谓数控，是数字控制的简称，其指的是就是建立在数字化信息技术的基础上，完成对机械运动设备以及加工设备的数字控制，实现自动化操作和管理。而数控仿真系统，其就是通过在数控技术的基础上，完成对真实数控机床的作业的流程和操作环节进行模拟，并结合编程技术实现对数控机床实现全自动化操作，并在构建数控仿真系统的基础上提高操作人员或者编程人员的工作效率。

1 建模思路

在三维建模的过程中，其具体对象为数控机床，通过利用几何原理、空间点离散原理以及数控仿真系统的构建原理，来整理出如下建模思路：

第一，数控机床的本体建立三维模型。以基本硬件设备为基础，从宏观构建到微观零部件的角度完成建模思路的规划，并结合旋转模型对数控机床的真实操作状态进行规则化比对，从而能够更加清晰和直观地描述出数控机床的本体。第二，数控机床加工过程中的动态建模。利用NC码进行实施监控与描写，提取每个时间点的运动轨迹和几何定位点[1]。

2 建模过程

2.1 数控机床本体的三维建模

在数控机床仿真系统的构建过程中，通过利用三维建模中的CSG建模理念，使数控机床仿真系统的总体构建趋于多层次化和多结构化。并在三维建模的基础上将复杂、繁琐建模过程转化为更加清晰、更加明了的简易结构，从而在简易结构的基础上完成简单形体的建模组合，实现数控机床仿真系统的模型构建。在数控机床本文的三维建模中，其具体的建模方法为[3]：

首先，以数控机床的操作规则为基本原则，以实际具体的工作状态进行真实模拟。在理想状态的环境中忽略数控机床内部的传动装置与后备服务装置，从而在最大程度的简化内部要素的结构，实现三维模型构建的程序化。其次，利用三维理念对数控机床的几何结构与物理结构进行区分和划分，对每种结构的内部构造层层细分，在宏观环境下对微观因素按照相似性规则进行详细区分，并利用三维维度进行简化处理，降低数控机床仿真系统构建的难度和复杂度。最后，通过利用三维建模数据库中的几何实体进行模型构建，将具体的立方体、圆柱体以及圆环体等做种几何立体模型与数据库中的具体数据进行比对和配对，在数控技术的基础上实现最优化组合。与此同时，采用方差计算的方式使组合的计算结果更加精确，立足于OpenGL软件内部强大的三维图型库，找到最符合数控机床本体的最佳三维模型，从而完成机床本体的三维建模工作。

2.2 加工过程的动态仿真三维建模

在数控机床的加工过程中，为了使数控仿真系统的动态性能实现最优化发展，通过利用三维建模中的空间离散法，来促使数控机床在加工过程中的数控仿真系统构建的更为精确和高效。在空间离散法的运用下，要将数控机床内部的空间物体转换为不同三维位置的“空间点”，并对这些“点”进行均匀布阵，按照这些“点”分布的具体线条关系连结成三角片矩阵，从而形成了初步的三维建模。当程序处于运行的过程中，要不断按照真实的路径进行重新描写，并对这些“点”的真实属性进行程序化渲染，从而保证数控仿真系统运作状态的自身“分析”能力更加准确无误[4]。

在空间离散法的应用下，对数控机床的车削和三轴铣削进行三维建模并做出进一步加工。首先，数控机床的车削毛坯呈现为圆柱形的状态，且其多利用在打磨和加工机床的回转表面。其次，三轴铣削的毛坯多呈现出长方体的形状，其只有在毛坯体的表面进行加工，因此只具备了独立的加工面。通过在数控机床的毛坯体上进行离散化和三维建模，来构建属于数据机床的仿真系统。下图为数控机床中车削和三轴铣削毛坯的三维立体离散图：

在该图中，以独立面为中心构建三维函数轴，即X轴、Y轴与Z轴，那么在该三维函数轴基础上对车削进行空间点离散化，使其形成三点共面的状态，作为三维建模的基本模型。与此同时，针对数控机床中的三轴铣削设立A、B、C、D四个点，以四个点形成的不同三维空间模型进行细细划分，比如ABD之间的三角网格、BCD之间的三角网格等，从而以网格为单位进行三维建模。当前使用的数控仿真系统多是建立在windows系统基础上，那么在windows的环境下通过利用Visual、OpenGL以及C++6.0技术软件，使数控机床的毛坯体离散化过程得到细节分析，结合数据结构和各个节点的具体数据构建三维模型，实现数控机床仿真系统的多元化建设。

2.3 粒子系统的建模

为了更加真实的模拟数控机床在冷却液喷出状态下的具体工作细节，需要立足于粒子系统，完成细致环节的三维建模，体现液体粒子的冷却状态与运动状态。在粒子三维建模的过程中，要周而复始的完成以下四个环节的工作：母粒子源产生新粒子；准确计算、复核并实时性更新新粒子的基本属性；定位删除死亡（淘汰）粒子；绘制粒子的具体运动线路，从而构成源源不断、持续运作的粒子流。在以上四个环节的循环运动下，完成了更加具体的三维建模工作，这样在粒子系统的基础上，构建了更为清晰、细致化和高度仿真性的数控机床仿真系统。

结论：

综上所述，本文以上通过围绕三维建模的过程进行分析，并结合三维建模技术进行展开探讨。通过结合三维建模技术对数控仿真系统进行真实还原与模拟，形成的三维图示更加具有真实感，并且形成的三维立体Flash实时性与可视性都很强，实现了数控仿真系统研发与运用的高效化与集约化发展。

参考文献：

[1]陆宝春，徐开芸，等人.数控仿真教学系统的研究与开发[J].中国制造业信息化，2013，19：30-33+37.

[2]张天其，于忠海，等人.数控机床三维建模与加工仿真技术研究[J].机械工程师，2014，01：62-63.

[3]邢吉利，李翔龙，等人.数控铣削仿真系统关键技术的研究[J].机械设计与制造，2015，06：170-172.

[4]唐宇鸿，高丽娜，等人.仿真系统中三维建模技术的研究[J].电子制作，2014，19：48-49.

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【关键词】网络数控；Java语言；逐点比较法插补；仿真

网络数控系统（Network Numerical Control， NNC） 是以通讯和资源共享为手段， 以车间乃至企业内的制造设备的有机集成为目标， 支持 ISO-OSI 网络互联规范的自主数控系统。Java 语言是一种跨平台的面向对象语言， 它简单、可移植、与平台无关， 具有很强的安全性， 并可提供分布性、动态性的支持。同时， Java 还有丰富的类库， 使程序设计者可以很方便地建立自己的系统。为此， 本文采用了具有平立性的 Java 语言， 设计开发了网络数控加工仿真系统， 对数控加工过程进行仿真。

1 Java简介

Java平台由Java虚拟机（Java Virtual Machine，简称JVM）和Java 应用编程接口（Application Programming Interface，简称API）构成。Java 应用编程接口为Java应用提供了一个独立于操作系统的标准接口，可分为基本部分和扩展部分。在硬件或操作系统平台上安装一个Java平台之后，Java应用程序就可运行。现在Java平台已经嵌入了几乎所有的操作系统。这样Java程序可以只编译一次，就可以在各种系统中运行。

2 Java五大特点

（1）灵活简单。Java没有太高的语法和编程技术上的要求，且Java语言在集成功能程序方面也有着其他编程语言不可比拟的优势，因此常常被作为WEB开发的首选。

（2）Java具有面向对象编程语言的四种基本特征：封装性、多态性、继承性和动态联编。

（3）更好的可靠性和网络安全性。Java语言可以利用自带的机制，阻止其他恶意程序代码的攻击，并利用自带的安全预防机制对网络下载的包、类进行分析得以实现程序的运行。

（4）Java语言可并行操作。在Java的操作环境下，Thread类和Runnable接口的对象通过独特的编写方式和相关的类库等程序操作来创建一种特别的对象——线程。基于这样的编写方式和操作流程，Java语言具有更高的效率，能够多线程一同或者并行工作且互不影响。

（5）动态性。Java语言不仅可以在不影响操作程序的前提下，通过动态的编辑操作将类和包调入到运行的系统环境当中，还可以实时的对包和类进行调用和下载。

3 开发平台

（1）操作系统。系统选WindowsXP 为软件开发和运行的操作系统， 但采用 Java 语言开发， 具有平立性， 可以在任一操作系统下运行。

（2）开发工具。系统采用Borland公司开发的集成开发工具 Jbuilder9.0，该工具支持可视化编程和面向对象技术。客户通过builder的相关操作，可以得到所需的数据库表的Java类；实现各种各样电子商务平台的开发；结合运用Java语言开发动态WEB，实现图形模式窗口和线程并行操作。

4 关键技术的实现

4.1 仿真实时性的实现

仿真实时性要求仿真系统的运行满足一定的时间约束条件， 使控制仿真时间与机器时间满足规定的约束关系。为了实现加工过程的仿真实时性， 系统采用了多线程技术。多线程的支持是Java 的一大特点， 利用它实现了多个任务的并发执行， 提高了插补的运算速度， 有效地控制仿真时间， 解决了加工过程仿真的实时性问题。

4.2 动态仿真的实现

动画制作中最常用的是载入多幅图像， 按一定顺序依次显示， 形成动画。本文采用Java 语言自行绘制图形实现动画。

（1）调用sleep（） 方法

为了使连续显示的图像之间的时间间隔保持稳定， 调用sleep（） 方法实现延迟。在方法中， 可以设置延迟的时间。

（2）解决动画演示的过程中的闪烁问题

动画演示的过程， 就是屏幕不断刷新的过程， 但会产生令人烦恼的闪烁问题。为了解决闪烁问题， 本文采用的方法是在动画显示过程中， 首先定义构成动画的图像大小相同、位置相同， 然后利用缺省的paint模式， 使得图像连续显示过程中， 后面的图像完全覆盖前面的图像， 从而不必要清屏， 最后通过删除update（）方法中的清屏语句， 消除了动画闪烁。

5 数控插补（Interpolation）

所谓插补（Interpolation） 就是根据给定进给速度和给定轮廓线性的要求， 在轮廓的已知点之间， 确定一些中间点的算法。

本系统采用逐点比较法进行数控插补。

5.1逐点比较法直线插补

（1）偏差函数的构造。第一象限的直线插补原理图如图1所示，编程时给出要加工直线的起点和终点，若以直线的起点为原点，则终点坐标为E（Xe，Ye），点P（Xi，Yi）表示刀具的位置。

若点P恰好在直线上，则下式成立

Yi/Xi=Ye/Xe ，即Xi Ye-Yi Xe = 0

若点P恰好在直线上方，则

Yi/Xi>Ye/Xe ，即Xi Ye-Yi Xe >0

若点P恰好在直线下方，则

Yi/Xi

由上所述，可以取函数F=Xi Ye-Yi Xe作为偏差判别的一个函数，此函数称为偏差函数。由偏差函数F（Xi，Yi）的数值就可以判别当前点与直线的相对位置，即

当F（Xi，Yi）=0时，刀具在直线上；

当F（Xi，Yi）>0时，刀具在直线上方；

当F（Xi，Yi）

（2）偏差函数的递推计算。采用偏差函数的递推式，即由前一点计算后一点。若Fi≥0，沿+X方向走一步，则新的坐标和偏差为

Xi+1=Xi+1， Y i+1=Yi

F i+1=Xe Yi-（Xi+1）Ye=XeY-XiYe-Ye=Fi-Ye

若Fi≤0，沿+Y方向走一步，则新的坐标和偏差为

Xi+1=Xi， Y i+1=Yi+1

F i+1=Xe （Yi +1）-XiYe=Xe+XeYi-XiYe=Fi+Xe

（3）终点判别。刀具每进给一步，都要进行一次终点判别，若已经达到终点，插补运算停止，并发出停机或转换新程序段的信号，否则继续进行插补循环。

6 加工实例的仿真演示

采用中星数控机床厂的型号为CK6150的数控车床， 进行实例验证。利用开发的仿真系统， 对第一象限内的直线加工过程进行仿真， 仿真结果如图2 所示。

图2 直线加工仿真实例

7 结语

本文采用具有平立性的 Java 编程语言， 以Java Applet 应用程序为载体， 解决了仿真过程中的图像闪烁、声音载入等问题， 实现了仿真过程的实时性动态仿真， 完成了网络数控的二维加工仿真系统的开发。并在CK6150数控车床上， 对直线、圆弧加工过程进行试验验证， 仿真结果表明系统具有界面友好、计算速度快和平台可移植等优点， 具有一定的实用性和应用价值。

参考文献：

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【关键词】 VERICUT仿真 创建模型 模拟加工

VERICUT是美国CGTECH公司开发的一种运行于Windows或UNIX系统的计算机上先进的专用数控加工仿真软件，用于制造业CNC数控机床加工仿真和优化。该软件取代了传统的切削实验部件方式，通过模拟整个机床加工过程和校验加工程序的准确性，来帮助用户清除编程错误和改进切削效率[1]。VERICT的如下6个模块能满足工厂目前各项要求：

（1）验证模块

验证模块具有仿真和验证三轴铣床和两轴车床所需的所有功能。可以再VERICUT中定义毛坯模型或者从CAD系统输入毛坯模型，还可以仿真多个同步运动的刀具。

（2）优化模块

优化模块基于切削条件和需切削材料量自动修正进给率。优化模块可以读入刀具路径文件，可以根据每部分切削材料量的不同，选中符合切削条件的指定最佳进给率。

（3）机床仿真模块

机床仿真模块可帮助用户完成整个CNC机床的真实三维仿真，就如同实际生产一样，同时它还具有最精准的碰撞检测功能。该软件会检测所有机床零件，并模拟运动得出零件间的碰撞和接近碰撞的情况。

（4）多轴模块

随着零件和机加工操作变得越来越复杂，出现错误的机会也会随之增加。设计加工工序时，用户不会拿刀具路径的精度、零件质量和机床及机械工人的安全去冒险。多轴模块可以仿真和验证4轴和5轴铣和磨削加工的过程。

（5）自动比较模块

而自动比较模块可以把一个表面、一组表面或一个实体模型的外壳与仿真加工后的零件进行比较，通过指定两实体模型的重合比较，可以容易地辨别出擦伤、碰撞或残余的材料，这是检验仿真加工件是否符合设计的一种新的手段。

（6）接口模块

该软件可以从UG、CATIA、Pro/E等所有主流三维建模软件的加工模块里直接调用该软件进行仿真和优化。

1、VERICUT软件的应用过程

VERICUT软件在的应用过程分为三部分。

1.1、机床基本组件的创建

在VERICUT上建立仿真系统必须构建数控机床组件的实体模型[2]。为了实现对于复杂轮廓曲线的磨削加工，该仿真过程拟创建三轴联动数控磨床模型。要在VERICUT环境中创建磨削机构模型，首先要建立坐标系以及各轴之间的相互关系，然后将各个组件关联到各坐标轴上。

（1）建立机床坐标系

首先打开VERICUT软件，单击组件树 按钮，弹出部件树对话框，如图1所示。

选择Base并在对话框的工具栏单击上工具菜单中的"添附"选项，可以选择添附各运动轴，添附的组件过程如图2所示。

通过组件树菜单，可以确立个部件之间的运动关系。最终建立如图3所示的组件树结构。通过部件树对话框可以确立各部件之间的依附和运动关系，实现、三轴联动，完成对砂轮进给和摆动的控制。

（2）创建磨床的实体模型

在该系统中，可以通过UG、Pro/E等三维软件建立机床几何模型，并导出为STL格式，然后通过VERICUT提供的图形转换输入接口导入到机床仿真系统中，如图4所示，通过UG建立实体模型，等待调用。

图4 创建组件实体模型

本文采用了滑块来实现X、Y方向上的运动，采用了圆盘模型来实现C轴方向的转动。然后依次将各实体模型添附到各坐标轴上，机床模型如图5所示。分别包括了底座、夹具、X轴方向滑块、Y方向滑块、C轴关联转盘、以及一个毛坯组件等模型

（3）创建磨削刀具

因为创建的磨削机床机构类似于车削机床的模型，只是加工刀具与数控车床的车刀不同。因此只要根据砂轮的尺寸外形，做出类似于车刀的一个刀具模型，在仿真过程中，给砂轮一个角速度，砂轮模型就能旋转生成一个圆盘状的砂轮，并能很好的完成仿真运动。

按照按图6所示的尺寸关系建立砂轮界面轮廓。

1.2、仿真数控代码的加载

在VERICUT仿真软件中，刀具轨迹文件通常划分为两种类型：APT-CLS刀具轨迹文件和G代码刀具轨迹文件。APT-CLS刀具轨迹文件的后缀名为tp，通过后置处理转化成一个包含所使用数控机床特定G代码格式的文件。

在VERICT仿真环境中添加我们所生成的控制刀具轨迹的G代码文件，在菜单中选择"数控程序"选项，弹出如图7所示对话框，在对话框中，首先选定数控程序类型为"G-代码数据"类型，再单击添加，选择通过区间均匀接触磨削软件所生成的G代码文件，文件格式为mcd。

1.3、机床控制系统的设置

设置好数控机床的组成、结构以及数控代码后，还需给给机床配置数字控制系统，使机床具有解读数控代码、插补运算等功能。VERICUT软件提供自带FANUC、SIEMENS、PHILIPS等多种控制文件的控制系统库，文件扩展名为ctl。本设计选用软件自带的三轴联动的数控系统进行仿真实现，如图8所示。

2、结论

根据上文建立的VERICUT仿真系统，进入仿真磨削环境，调入相应的刀具文件、毛坯模型、数控代码，创建仿真环境如图9所示。设置好各种加工参数后，输入加工G代码，单击开始，即可开始磨削加工的仿真。磨削后的毛坯形状如图10所示。

在磨削加工完成以上实例中的毛坯后，利用VERICUT软件自带的测量工具，测量仿真加工后的工件的实际尺寸，并且与理论数据相对比，结果如表1所示。

由以上表格中数据可以看到按照实例加工出的模型其最大误差为0.0024mm，基本满足了设计需求，通过VERICUT软件，建立了相应的机床实体模型、刀具模型，并加载了工件加工数控代码，通过磨削仿真试验可以验证数控加工代码的正确性，为节约了大量的时间和资金，这对实际生产具有重要意义。

参考文献

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关键词：数控加工；仿真系统；虚拟现实；教学效果

中图分类号：G423.0

文献标识码：A

文章编号：1009-2374(2009)03-0208-02

数控加工技术在机械制造业中的应用广泛，传统的机床操作教学方法效率低、教师工作量大，需要用更新的方法来取代。数控加工仿真系统是理论与实验结合、厂家实际加工制造经验与高校教学训练一体所研发的一种机床控制仿真系统软件，可以满足大批量学生教学需求。数控仿真系统软件还能弥补了教学投入大、消耗多、成本高的缺陷，它可以在微机平台上运行，解决了教学时学生多机床设备少的问题、并为学校节省了大量设备购置经费。数控仿真系统软件可以在微机平台上运行，学生可利用此软件进行仿真操作，会起到真实设备的教学效果。数控加工仿真系统安全、经济实用。能够集中精力帮助学生分析、解决实际问题，保证了教学质量使教学效果得到显著提高。能利用此软件对数控装置进行仿真操作，使学生达到实际操作训练的目的，动态的仿真操作使教学过程易教易学、教学效果显著。

一、数控加工仿真系统的特点

随着虚拟现实技术及计算机技术的发展，出现了可以模拟实际机床加工环境及其工作状态的计算机仿真加工系统，它是一个应用虚拟现实技术于数控加工操作技能培训的仿真软件。各种数控加工仿真教学系统如上海宇龙、北京斐克、南京宇航、广州超软、武汉金银花等不同的数控加工仿真软件，既能单机系统独立运行。又能实现在线运行。采取数控加工仿真教学方法能进一步提高操作者的实际操作技能。实践证明，用这种方式进行教学是非常经济有效的。

1．虚拟数控机床具有以下的功能和特点：(1)虚拟数控机床具有与真实机床完全相同的结构。虚拟数控机床能模仿真实机床的任何功能而不致因为采用某种近似替代而导致某种结构和信息的失真或丢失，并与真实机床有完全相同的界面风格和对应功能，如动态旋转、缩放、移动等功能的实时交互操作，从而为学员的学习和培训提供保证。(2)机床操作全过程仿真。仿真机床操作的整个过程：毛坯定义，工件装夹，压板安装，基准对刀，安装刀具，机床手动操作。(3)丰富多样的刀具库。系统采用数据库统一管理的刀具材料、特性参数库，含数百种不同材料、类型和形状的车刀、铣刀，同时还支持用户自定义刀具及相关特性参数。(4)全面的碰撞检测。手动、自动加工等模式下的实时碰撞检测，包括刀炳刀具与夹具、压板、刀具，机床行程越界，主轴不转时刀柄刀具与工件等的碰撞。出错时会有报警或提示，从而防止了误操作的发生。强大的测量功能。可实现基于刀具切削参数零件粗糙度的测量，能够对仿真软件上加工完成后的工件进行完全自动的、智能化的测量。(5)具有完善的图形和标准数据接口。用户既能在真实的环境中运行虚拟机床，又能观察它的各种运行参数，并能将其他CAD/CAM软件。(6)实用灵活的考试系统。可用于远程网络学习、作业、考试等功能，并实现答卷保存、自动评分、成绩查询和分析等功能，轻松实现无纸化的考核与测评。

2．数控加工仿真系统在教学应用中的意义，数控技术是一门实践性很强的课程，在以往的教学中，由于缺乏必要的设备支持，只能采取课堂教学来“纸上谈兵”单一的课堂教学，单向的信息流动很难让学生有系统，全面的认识。将此仿真软件应用到教学中，具有如下意义：(1)将传统的被动教学变学生参与的主功教学，培养学生的实际动手能力；(2)利用虚拟机床代替实际机床，可消除实际机床加工的危险因素；(3)在计算机上模拟加工过程代替试切，可不消耗材料，降低成本；(4)可有效解决设备不足的问题，使每个学生都可参与其中，极大提高学生的学习兴趣，取得更好的教学效果；(5)满足网络教学和远程培训的需要。

3．数控加工仿真系统特点。通过该软件可以使学生达到实物操作训练的目的，并且安全可靠。通过动态的仿真操作使教学过程易教易学、教学效果显著提高：(1)系统完全模拟真实数控机床的控制面板和屏幕显现，易教、易学，可轻松操作；(2)学生和培训学员可根据自己熟悉的机床任意选择机床设备进行操作；(3)在虚拟环境下对NC代码的切削状态进行检验，操作安全；(4)学生可看到各种机床真实的三维加工仿真过程，并能检查和测量加工后的工件，可以更迅速的掌握数控机床的实操过程；(5)采用虚拟机床替代真实机床进行教学与培训，在降低费用的同时获得更佳的教学和培训效果，使用更经济。其优点在于系统完全模拟真实CNC机床的控制面板和屏幕显现，可轻松操作。在虚拟环境下对NC代码的切削状态进行检验，操作安全。用户可看到真实的三维加工仿真过程，仔细检查加工后的工件，可以更迅速的掌握CNC机床的操作过程，过程逼真。

二、虚拟数控机床平台的构建

数控仿真系统的核心是虚拟数控机床，而虚拟数控机床又是虚拟制造技术中的一个重要的执行单元。数控仿真系统完全模拟真实零件的加工过程，可以检验各种数控指令是否正确，能提供与真实机床完全相同的操作面板，其调试、编辑、修改和跟踪执行等功能也一应俱全，数控加工仿真系统实际上是虚拟环境中数控机床的模型。虚拟数控机床一般是通过以下的构建平台来实现上述功能：

1．NC解释平台。NC解释平台包括NC解释器和NC验证器。任务分配数据库从任务调度中接受数控代码并将其翻译为虚拟机床的部件、刀具等运动的信息，并将其通过计算模块来模拟机床的响应，NC解释器能够被自由地配置从而能够模拟任何一种数控机床的CNC控制器。

2．NC验证器。能够验证NC代码的语法是否正确。

3．刀具库。刀具库应包括一台数控机床所需要的所有刀具。并能自由配置刀具库中的刀具号，从而能模拟任何一种数控机床的换刀形式及切削加工的要求。

4．仿真平台。仿真平台包括刀具轨迹仿真、切削力仿真，加工精度仿真、三维动画仿真、加工工时统计分析，仿真平台是虚拟数控机床的核心技术。操作者可以在虚拟的环境中进行机床运动和切削过程等的仿真，从中获得相关的加工数据。如进给轴的位移量、换刀状态、主轴转速、加速度、进给量、加工时间等。通过加工过程的仿真，了解所设计工件的可加工性，验证NC代码的正确性以及评价和优化加工过程，并通过在线修改NC代码来将其优化。

5．计算平台。计算平台用来完成虚拟数控机床中各种计算，如根据NC代码计算加工零件新的几何形状，根据刀具的材料、运行时间、零件的材料性质和介质的性质计算刀具的补偿量和热补偿量。这些计算结果是虚拟数控机床在应用于虚拟制造过程中的加工方案评价以及可制造性分析所 必须的。

6．设计开发平台。虚拟数控机床的设计平台是一个面向对象的数控软件库及其开发环境。通过对数控软件的标准化、规范化研究和其它CAD／CAM软件的数据交换，并对典型的零件进行封装，设计成具有稳定、通用接口的可重复使用的软件。

7．操作运行平台和监控平台。在虚拟环境中完全实现真实机床的操作，让使用者完全感受到真实机床的运行特性。在这些基础上的监控硬件和软件，用来控制简易机床，增加虚拟数控机床的真实感，并且可以进行典型零件的实验性试切加工，让使用者有一种身临其尽的感觉。尤其是在数控教学和培训过程中，初学数控编程者需要大量的编程练习，并进行实际调试。用试切法来检验数控加工程序显然不合理，而且也难于实现。如果利用仿真技术，这些问题可以轻松得到解决，从而避免编程时人为出错或工艺不合理造成工件报废。

三、数控加工仿真系统在教学中的应用

虚拟数控机床强大的网络功能，可实现远程教育，不仅在局域网上具有双向互动的教学功能，还具有基于互联网进行双向互动的远程教学功能，使用数控加工仿真系统软件进行辅助教学，主要从以下几个方面进行探索与实践：

1．课堂教学中采用灵活教学手段，变学生被动学习为主动学习，恰当运用数控加工仿真系统，充分发挥其课堂教学中的作用。教师应十分重视数控加工仿真系统的在教学中的应用方法，摆正数控加工仿真系统在教学中的位置，既不能完全依赖数控加工仿真系统放弃教师在教学中的引导作用，也不能在教学中教师唱独角戏，采用常规的教学模式而忽视数控加工仿真系统的应用，应该科学地、充分地发挥数控加工仿真系统在教学中的作用。

2．科学安排教学内容，循序渐近，掌握数控编程与操作技巧，在教学过程中教学内容的安排可分模块化教学。(1)基础模块，主要讲解与训练最常用的FANUC数控系统中的数控车床、数控铣床、数控加工中心的编程方法、操作及应用，这一模块是教学重点，必须使学生熟练掌握，灵活应用；(2)提高模块。主要讲解与训练SIEMENS数控系统的三种机床的编程与操作，以帮助学生进一步加强在不同数控系统下对不同数控机床的编程方法的理解与应用能力；(3)拓展模块，如讲解国产数控系统中的华中数控系统和广州数控系统中的数控车床的编程与操作方法，扩大学生的知识面，提高学生对不同操作系统、不同操作面板的编程与操作能力，正确进行教学评价，提高学生的学习意识和自觉性。利用数控加工仿真系统的教学方法、教学手段来提高学生的学习兴趣显得尤为重要。

3．恰当运用数控加工仿真系统，充分发挥其课堂教学中的作用，数控加工仿真系统主要应用于数控编程与操作这一理论教学课程，还可作为数控操作技能训练的辅助工具。在操作方面，由于数控加工仿真系统采用了与数控机床操作系统相同的面板和按键功能，并且使用数控加工仿真系统在操作中即使出现人为的编程或操作失误也不会危及机床和人身安全，反而学生还可以从中吸取大量的经验和数训。将理论与实践有机地结合在一起边讲授边练习，使讲过的知识及时应用于实践中，不但可加深学生对理论知识的理解，而且在模拟操作的同时对数控机床的操作方法上也将具备相当水平的实践基础。

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关键词 编程；软件；matlab；仿真技术；测控系统

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671―7597（2013）031-092-01

现在全世界范围内都在大力发展工业、服务业、航天航空及计算机产业，这些产业和领域也在不断的发展和壮大，但是检测和控制也就显得越来越困难，需要有更加先进的测控系统和测控系统设计。测控系统的设计通常是一个模拟和仿真的过程，通过电子计算机技术及软件编程，提供一个模拟和仿真测控系统工作的平台。20世纪80年代以来，我国测控系统设计开始走上正轨，并且不断学习和吸收国外先进的测控技术，但是随着电子技术和数字信息技术的发展以前的测控系统逐渐不能够适应时代的需求。在测控系统设计过程中需要不断的对系统工作过程进行仿真模拟，不断的进行各种参数的修改和运算，以前测控系统模拟和仿真技术不能够很好的适应设计需求，所以需要有更加先进的仿真平台。

1 matlab及matlab仿真技术

Matlab是一个起源于美国的数学软件，它能够完成各种复杂的运算，还能够用于数据的开发、数据的可视化、数据分析等，这款软件一经开发就迅速被人们所关注并且投入使用，尤其是在测控系统中。Matlab有两个重要部分所组成即，matlab与Simulink，其中matlab主要用于数据的运算和开发等方面，它的原理和基础是矩阵，用矩阵解决各种复杂的数学计算问题，matlab要比C语言和fortran简单和快捷的多，并且吸收了C、C++、JAVA等软件的优点，更为普及。Simulink则为模型建造、数据分析和仿真提供一个环境，Simulink不需要进行许多步骤的书写，使用非常简单和快捷，而且仿真细节到位，能够模仿真实的情况，现在许都领域已经用Simulink软件进行系统仿真和模拟。

matlab仿真技术是基于matlab与Simulink的仿真技术，它能够通过对复杂数据的运算、处理和分析，对模拟对象的工作和工作环境进行仿真，这种技术能够非常精致的模拟每一个细节。matlab仿真技术操作简单、工作效率高，除了有同类别软件一些功能（运算符号），还有矩阵和向量运算方法进行数据处理和分析。matlab仿真技术的可视化功能也是非常强大的，在仿真过程中还能够对图像进行处理，进行动画制作等高级指令。matlab仿真技术的可操作性也非常强，它软件的数据源是可以根据用户自身需要而改变的，对源文件进行替换和修改，在仿真过程中能够更加灵活和便捷。

2 matlab仿真技术在测控系统中的应用

测控系统可以是单一的检测系统或者是控制系统，但是一般情况下检测与控制是相互联系，紧密不分的两部分，文章所指的测控系统包括检测与控制两方面。测控系统自产生以来大致有集中测控系统、DCS测控系统和网络分布式测控系统，无论每一种测控系统，都是为了适应时代的需求而产生与完善的，测控系统在设计过程中需要不断的对各种参数和设备进行调控和更改，这就需要对测控系统进行模拟运转和仿真。

现在的测控系统工作量较大，而且运算复杂、困难，在设计和投入使用前期需要有严格的仿真过程，在计算机技术和软件编程技术快速发展的今天，仿真技术也在不断的创新和突破。matlab仿真技术就是用matlab软件对测控系统的运作进行建模，对其现实中的工作进行仿真，把各方面的数据和设备调配到最佳的工作状态，使整个测控系统的工作效率达到最高，然后系统才能够投入使用。

matlab仿真技术能够通过Simulink预定义库模块即，建造测控系统的库模块，然后通过交互式的图形编辑器组合和管理较为直观的模块视图，再通过软件的一些功能进行代码和程序的生成，就能够达到模型建立的效果。在Simulink测控系统仿真模型库中整个测控系统仿真的流程是：信号的产生与输出、编码、解码、调试、解调，而且可以通过仿真模式对整个测控系统的运转进行仿真。在matlab仿真技术中能够使测控系统在虚拟的工作环境中运转，并且能够对系统各项数据和配置进行无限次的修改，直到满足测控要求之后。matlab仿真技术是基于matlab与Simulink的，通过一些代码和数据的处理、运算，发出一定的指令进行建模，而且它的可视性非常强，能够很直观的进行仿真过程，为测控系统的设计打下坚实的基础。

matlab仿真技术在测控系统中的应用，能够为测控系统的设计提供较为真实的模型和运作环境，并且不断的进行各种数据的调控，为测控系统投入使用高效运作提供依据。

3 结束语

测控系统的发展从简单到复杂，从低效到高效已经有了一定的发展历史和基础，matlab仿真技术在测控系统中的应用更加丰富了仿真系统的设计方案。matlab仿真技术能够为测控系统提供一定的依据，在matlab仿真系统的辅助下，测控系统能够进行不断的优化和创新，使其能够更加实用复杂的工作和工作环境。

参考文献

[1]张德丰，杨文茵.matlab仿真技术与应用[M].清华大学出版社，2012.

[2]孙传友.测控系统原理与设计（第2版）[M].北京航空航天大学出版社，2007.

[3]钟麟，王峰.MATLAB仿真技术与应用教程[M].国防工业出版社，2004.

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关键词：计算机仿真；模糊PID；综述

中图分类号：TP113

为了更好地研究模糊PID控制在电机速度控制中的应用，利用MATLAB仿真软件建立了一个仿真模型。并通过分别执行P控制、PI控制、PID控制和模糊PID控制，对四种控制下的电机运行状态进行仿真。希望通过对四种仿真结果比较和分析进一步掌握不同控制模式在电机速度控制中的应用和计算机仿真的建立与研究方法。

1 相关控制理论的简述

比例、积分、微分控制器基本控制过程就是根据实际运行时出现的误差，并和标准值之间进行比例、微分、积分运算，最后用计算得到的结果控制系统状态。模糊控制是建立在模糊数学基础上的一种过程控制方式，与传统的控制方式的不同之处在于不需要为控制对象建立精确的数学模型。

在传统的PID控制中当系统的误差较大和较小时或者误差的变化率较大或较小时其实对于比例、积分和微分三个参数的要求是略有不同的。比例的系数在系统变化的初期可以大一点，因为可以加快系统的响应速度，但是在后期时就不适宜太大，如果太大就会增加超调量。积分的系数相反，在初期时不适宜设置太大，而在接近稳态的时候可以适当地增大一点。微分的系数由于反映了系统误差的变化情况，所以对于较好的系统其大小也需要适当的调节。为了很好地解决这一问题我们可以将三个参数的大小采用模糊控制的方式进行调节从而得到了模糊自整定PID控制器。

2 在MATLAB中建立模型

在设计的仿真模型中，随机选取了MATLAB的SIMULINK库中的第4种交流永磁同步电机作为模型中的控制对象。先期的PID的基本参数是通过试凑法做的，最终选取的比例系数为5，积分系数为30，微分系数为0.0006。对三个参数进行整定的方法是在基础数值的基础上按照一定的比例进行调节，调节量的大小根据设置的模糊规则进行推理。

3 系统仿真结果

在对系统进行仿真时共对四种控制方式分别进行仿真，即P控制、PI控制、PID控制和模糊PID控制。以便比较不同控制效果。根据实际运行情况，最终选取0～0.9s作为仿真的记录时间。为了能更好地反映系统的性能，在系统运行的初始时设置的负载转矩为0.1N・m，在0.4s的时候将系统的负载专业改变为10N・m。电机的设定转速为300转/分。

3.1 首先对P控制下的系统进行仿真（图略）

通过仿真结果可以得到：主要的缺点在于起始阶段系统出现了比较大的超调最大为每分钟318转，稳定前有多次振荡。负载转矩后，电机的转速一直没能达到设定的每分钟300转，仅为每分钟296转。

3.2 对PI控制进行仿真（图略）

在PI控制的下，最大超调量达到了每分钟320转。不过在增加负载转矩后电机的转速最终稳定在设定转速每分钟300转上下。

3.3 PID控制下的系统仿真结果

通过仿真结果可以看到，在PID控制下电机转速的超调量明显降低，降为约每分钟312.6转，而且没有了振荡现象。不过在负载转矩增加后仅仅是最低转速变为每分钟291转略微好点。

3.4 模糊参数自整定PID仿真结果

将模糊PID的仿真结果和之前的仿真结果比较可以得到：在初始阶段，电机转速的超调量较低不少，将为约每分钟304转明显改善，第1次到达稳态时的时间提高到0.05s左右。增加负载转矩后最低的转速为每分钟292.2转，比之前有所提高，第2次到达稳态的时间有所提前，在0.6s左右。而电机到达最终的稳态后，4个系统中电机的转速都有一定的波动，按顺序分别为每分钟1.2转、1.2转、1转和0.5转。可见模糊PID在这方面的控制效果也是最好的。

4 总结

通过仿真模型的建立，熟悉了借助计算机仿真软件建立工程模型研究实际问题的方法。通过对4个仿真结果的比较，进一步了解了控制器中各个控制参数的作用：P参数的作用是使系统总体上到达设定状态，I参数的作用是消除系统在到达稳态时的误差，D参数的作用主要表现在有效减小系统的超调量。而在引入模糊控制之后通过对3个参数的实时整定，使得系统的性能进一步得到提高。

参考文献：

[1]耿瑞.基于MATLAB的自适应模糊PID控制系统计算机仿真[J].信息技术，2007，1：43-46.

[2]王述彦.基于模糊PID控制器的控制方法研究[J].机械科学与技术，2011，1，30（1）：165-172.

[3]唐闻新.基于模糊控制的永磁同步电机速度控制系统设计[D].合肥工业大学，2011.

作者简介：唐闻新，男，安徽合肥人，实验师，硕士学位。

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【关键词】故障诊断；数控机床；华中世纪星；机床维修

一、引言

数控机床是一种高效自动化机床，它综合了计算机技术、自动化技术、伺服驱动、精密测量和精密机械等各个领域的新的技术成果，是将现代技术和高科技知识集于一体的机、电、液、控技术设备，具有技术密集和知识密集的特点，有较高自动化水平和生产效率。在众多国内数控系统中，武汉华中数控有限公司研发的数控装置以其高性能、低价位并具有自主知识产权的特点，赢得了国家的认可，在机加行业得到广泛应用。

数控机床作为机电一体化高度复杂设备，在使用过程中难免会出现故障，而数控技术的综合性和复杂性使其在发生故障后维修的难度远大于普通设备，如果不能及时地定位排除故障，将制约数控机床的使用率，直接影响正常生产。资料表明，当维修数控机床时，大约80%的时间用于查找数控机床故障，而只有20%的时间用于故障的排除。当企业数控机床品牌、型号选定后，减少故障修理时间是提高数控机床的开动率、给企业创造更多经济效益的有力保证措施。

二、数控机床故障诊断基础

1.数控机床故障诊断原则

（1）先外部后内部

要求数控机床维修人员从外部向内部逐一进行检查排除。

（2）先机械后电气

要求数控机床维修人员在进行电气检查之前，应首先检查数控机床机械是否处于正常状态，如行程开关是否压上超程挡块、气动液压部分是否正常等。

（3）先静后动

要求数控机床维修人员在到达维修现场后，不应急于查找和排除故障，而应先询问操作人员故障发生时的情况，并查阅相关资料。

2.数控机床故障排除的思路

数控系统的型号颇多，产生的故障原因往往比较复杂，但无论哪种系统，它们的构成和控制原理基本相同。因此在数据机床出现故障时，要求维修人员必须有清晰的故障排除思路：

（1）调查故障现场，确认故障现象、故障性质，应充分掌握故障信息，做到“多动脑、慎动手”，避免故障的扩大化。

（2）根据所掌握故障信息明确故障的复杂程度，并列出故障部位的全部疑点。

（3）依据技术资料分析所有可能的故障原因，要求思路开阔，不应将故障局限于数控机床的某一部分，在深入分析的基础上，拟定检查的内容和方法，制订故障排除的方案。

（4）在确定故障排除方案后，利用万用表、示波器、转速表等测量工具，用试验的方法验证并检测故障，逐级定位故障部位，确认出故障的类型。为了准确、快速地定位故障，应遵循故障排除的原则。

（5）故障的排除，通常找到故障原因后，问题会迎刃而解。

（6）养成良好的工作习惯，解决故障后应做好相关资料的整理记录工作，为该机床建立故障档案，以便提高自身的业务水平，方便机床的后续维护和维修。

数控机床在使用中不可避免地要产生各种故障，维修不到位将严重影响数控机床开动率，造成设备闲置和经济损失，这使得掌握数控机床故障诊断技术变得越来越重要。下面以华中世纪星数控系统为例介绍一些机床故障的排除方法。

三、华中世纪星数控机床常见故障诊断与排除实例

世纪星HNC-21系列数控装置采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC机、高性能32位中央处理器配置，7.5寸彩色液晶显示屏和标准机床工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口、远程I/O板接口于一体，支持硬盘、电子盘等程序存储方式以及软驱、DNC以太网等程序交换功能，主要适用于数控车铣床和加工中心的控制。华中世纪星数控机床数控机床故障分类有多种方法，按故障发生与需要维修的位置主要有数控系统不能正常开机故障、急停故障、自动换刀系统故障、主轴系统故障、手持单元故障、进给系统故障等，本文只对几种故障现象做详细介绍。

1.数控系统不能正常开机故障诊断与排除

数控机床要开动起来，首先要保证数控系统能够正常上电，这也是数控机床调试过程中首先要做的。

（1）数控系统电源接口

图1所示为HNC-21数控装置与其它装置单元连接的总体框图，其中XS1为数控系统电源接口，采用DC24V或AC24V作为输入电源。

图2所示为NC通电控制线路图，数控机床进线电源采用三相AC380V电源，经过变压器变为AC220V，再经过开关电源转变为DC24V后，作为数控系统的电源输入电压，SB1为数控机床控制面板上的NC电源关按钮，SB2为NC电源开按钮。

图1 总体框图 图2 NC通电控制线路

（2）数控不能正常开机的原因

1）系统电源不正确。

2）系统程序丢失。

（3）故障排除思路

1）当按下数控机床操作面板上的SB2启动按钮时，机床不能上电，应首先观察KA0指示灯是否得电。

2）如果得电又断电，说明NC通电控制线路24V电源已经接入，原因应是KA0常开触点没有接入控制回路，没有形成自锁回路。

3）如果指示灯没有点亮，则应检查+24V电源是否正确（检查从开关电源输入的24V是否连接到NC通电控制线路）。

4）24V电源正确后，仍不能正常启动且KA0指示灯仍不亮，则应检查开关SB2按钮是否损坏以及SB1和SB2是否接反以及数控系统中转接板连线是否正确。

5）检查XS1是否连接到数控系统以及电压是否正确，如都正常CRT显示屏仍不能正常上电，应检查数控系统中熔断器和显示屏是否损坏。

6）若系统能完成上电，但进不到操作系统界面，则需要重新做系统程序。

2.自动换刀系统故障诊断与排除

（1）刀架控制系统电气线路连接图

该数控机床刀架采用的是四工位车床刀架，刀架电机采用三相交流380V供电，正转时驱动电机正转，反转时刀架自动锁死，为了保证刀架完全锁死，保证刀具的定位精度，在PLC参数中设置了0.5s的反转锁死时间。每把刀具都各有一个霍尔位置检测开关，图3为四工位刀架控制线路图。

图3 四工位刀架控制线路图

（2）刀架换刀故障原因

当开机后系统处于正常工作状态，手动或者自动换刀时，刀架出现不能换刀主要有以下几种原因：

1）强电控制电路故障。

2）接触器控制电路故障。

3）PLC输入/输出故障。

4）刀架机械故障。

（3）故障排除方法思路

刀架故障现象主要有“刀架不动”和“刀架正转不停”两种。

1）刀架不动故障排除思路

①按下换刀启动按钮后，观察继电器指示灯是否点亮以及观察PLC输出点位Y0.6、Y0.7的状态变化，如继电器指示灯不点亮，检查刀架刀位控制模块24V电源控制回路（380V经变压器变220V后，经开关电源变为24V）和PLC程序输出点位（刀架正传Y0.6、反转Y0.7）设置是否正确；如点亮且继电器触点连接正确并吸合，确定继电器没有问题，再看接触器吸合状况。

②接触器不吸合，检查220V电压是否输入以及接触器是否损坏；如吸合说明接触器没问题，则可能是刀架相序接反、刀架锁死以及刀架电机损坏等原因。

③如控制线路连接连线正确，把刀架电机U、V相序互换，如还不能排除故障，说明可能电机卡死或电机损坏。

2）刀架正转不停故障原因及排除采取措施

故障原因 排除故障采取的措施

刀架刀位信号模

块的电源不正确 检查模块的电源是否正常，接线极性是否正确，通常的刀架刀位信号模块应该为DC24V。

PLC刀位信号参数设置错 检查PLC参数设置是否和系统输入一一对应

系统开关量输入

电缆接错或断路 1.检查开关量输入电缆

2.需更换开关量输入电缆

刀架位置检测霍尔元件损坏 需更换刀架刀位信号模块

无刀架反转输出（Y0.7） 1.检查输出端口

2.检查开关量输出电缆

3.检查电路

刀架反转继电器或接触器坏 需更换继电器或接触器

PMC参数设置错 查看正转延时时间、反转延时时间以及换刀超时等时间参数设置是否正确；

机械松动或机械坏 1.检查电机与刀架联接的部分定位销是否有松动

2.需更换刀架

3.急停故障诊断与排除

（1）急停故障原因分析

数控机床正常上电后，打开急停按钮，发现系统处于急停状态，数控系统处于急停状态主要有以下几种原因（如图4所示）：

1）急停回路故障。

2）“软急停”输入端口接线位置错误。

3）PLC中“软急停”点位设置错误。

4）外部输入线缆接错位置。

5）其它部件报警引起的急停。

（2）故障排除方法思路

1）首先按下“超程解除按钮”，如果系统能够复位，说明故障出现在超程限位开关位置，检查行程开关是否压限位挡块以及行程开关内部接线；如系统不能复位，说明故障可能是“急停开关故障”、“KA继电器故障”、“外部24V电源故障”、“软急停输入端口位置错误”、“PLC软急停点位设置错误”、“外部线缆连接错误”。

图4 HNC-21数控装置急停回路

2）外部24V电源故障，根据KA继电器指示灯可判断外部24电源是否接入急停回路。

3）KA继电器故障，打开急停开关，如KA继电器指示灯不亮检查外部电源，指示灯亮检查KA继电器线圈以及急停回路接线是否接在它的常开触点上。

4）急停开关故障，主要检查急停按钮的常闭触点，若未装手持单元或手持单元上无急停按钮，XS8接口中的4和17脚应短接。

5）检查“软急停”输入端口接线位置是否与PLC中“软急停”点位设置一致。

6）对于有报警信息的根据报警信息排除相应故障。

7）外部输入线缆接错位置，如将XS10和XS11对调，XS10中的第一个触点对应位置I0.0为急停回路中X向行程开关的常闭触点；而XS11第一个触点对应位置I2.4为“软急停”，两者互换接入数控系统，将发生急停报警，且按“超程接触按钮”也不能复位。

数控机床是复杂的设备，在诊断与维修时要事先消化技术资料，搜集现场相关信息，做好充足的准备。在此基础上，要遵守故障诊断与维修的原则和步骤，切忌盲目动手；另外应严格按照有关资料如图纸、说明书的规定要求去做，注意资料中的数据，因数据是指导设备维修的重要依据。最后数控机床是机电一体化的高科技产品，在遇到故障时，不能单一考虑是某一方面的故障，要学会根据故障现象，综合分析故障原因，灵活使用自诊断法、备件更换法、机电脱离法等各种诊断方法，这样才能更迅速、有针对性地将故障排除。

作者简介：

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关键词：数字仿真；学和考试模式改革；例引导教学；元化考核方式

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）44-0126-02

一、引言

控制系统计算机仿真是讲授仿真的基本概念、原理、算法和计算机实现的课程，是自动化专业课程体系中重要的专业课。本课程原有教学模式是以课堂讲解为主，上机实验为辅；原有考核模式也是以卷面成绩为主，平时成绩为辅，这让学生形成了一种传统的语言课程学习的机械式方法，且考试方式单一，理论考试多，应用测试少，很难满足以应用为目的的学习。为此，本文结合教学实践改革，采用教与考相结合的方式，注重学习和动手能力的培养。

二、教学模式改革

1.教学内容改革。（1）制定课程教学主线。在教学内容上把握一条主线、两个应用：以自动控制系统仿真基础知识、实现方法、结果分析为依据，始终贯穿控制系统仿真过程；以实践应用和实例应用为目标，通过主线，将理论和实践有机结合。具体如图1所示。（2）调整教学内容。课程内容在Simulink基本仿真的基础上加入一些高级编程，如Simulink和MATLAB交互编程，S函数的用法以及实用的工具，扩展学生仿真的工具和手段，为仿真实际应用做好准备。

2.教学环节改革。（1）实践应用改革。在实践应用中扩充了原有的实验内容，由原来的6个实验改为10个，细化了实验目标，制定了新的实验手册。（2）实例应用改革。在实例部分由简到繁，结合学生目前自动控制原理课程学习的进度和理解程度，选择具有代表性和学生感兴趣的控制系统完成以下实例仿真过程：①电力牵引电机控制；②磁盘驱动读取系统；③海底隧道钻机控制系统；④哈勃太空望远镜指向控制；⑤火星漫游车转向控制；⑥自动平衡秤系统；⑦自动焊接头控制；⑧转子绕线机控制系统。

重点讲解了磁盘驱动读取系统，由简化图逐步深入具体结构，控制指标由粗到细，控制器由简到繁，层层分解，步步深入，从常见PID控制到现代控制理论、智能控制理论。

3.教学方式改革。（1）采用实例引导教学方法，激发学生的应用能力。学生通过学习已掌握了控制理论的基本知识和控制系统的基本设计及分析。为突出仿真的应用意义，在应用一节的讲授环节中加入科研工程实例，利用MATLAB/SIMULINK进行仿真、分析和设计，通过多媒体向学生展示，可以激发学习的兴趣，加强学习的目的性。另外，对每次实验课的题目进行由简到繁的系统性设置，引导学生独立思考，以帮助学生在解决简单问题之后有兴趣解决复杂问题，并锻炼分析问题的能力。（2）利用问卷调查调动学生参与教学的主动性。为及时掌握学生对于教学改革的意见和建议，本学期进行问卷调查2次，共设立20个问题，为发挥学生的主动性以开放式问卷为主，分别从课程的设置、教学目标、教学内容、团队合作能力和沟通能力等方面进行调研，并及时分析、回馈与学生交流。问卷中有代表性的两个问题如下。

①你对这门课教学内容的感兴趣程度，在下表适当的选项中选择（划√，可多选）。

②如果现在需要你和其他同学合作完成研究任务，你希望承担何工作？

A.数据计算（ ） B.理论设计（ ）

C.算法实现（ ） D.结果分析（ ）

其他（请具体写明）

三、考试模式改革

1.考试模式构成。本学期考试成绩按百分制计算，其中大作业（含答辩）（70%），实验（20%），卷面（10%）。卷面作为闭卷考试，时间2小时，按百分制给定，实验成绩由实验报告成绩按百分制给定。大作业分为答辩和纸质作业两部分；具体评分标准为：报告得分90分+答辩/特色加分10分。

2.大作业考核具体步骤。（1）分组。结合问卷调查结果将学生分组，每组4个学生，设组长1名；每组共同完成一道题目，同组4人可按横向也可按纵向划分任务，任务根据问卷调查表并结合个人情况分配，组员协商由组长统一意见。（2）布置大作业内容。每组一题，涉及选题自动控制系统的控制器设计与分析，包括：①MANUEC器人；②NASA的卫星回收机械手；③星际探索的系统；④无人机；⑤天线指向控制系统；⑥机械臂控制系统；⑦热轧机控制系统；⑧液压伺服控制系统。（3）给出作业基本结构和例子。考虑到学生初次完成大作业，不仅给出了大作业的要求内容，同时给出了参考格式，并给出了2份实例作业，供学生进一步参考、了解研究思路和步骤。（4）答辩。为了解学生纸质作业以外的情况，同时也为锻炼学生的学习能力和语言表达能力，针对大作业设立了答辩环节。答辩过程中按划分小组进行，学生制作5～8分钟的PPT，由教师担任答辩委员，并进行提问和现场评价。

四、改革的收获与思考

1.答辩效果的直接回馈。在每个学生和每组答辩结束后都进行了分析和评价，让学生及时了解个人的优点和不足；也知道本组在分工、研究过程中的优势与问题。学生及时了解考试中存在的问题，教师能够与学生进行反馈与一对一的直接交流。

2.新多元化考核模式的推广。所采用的多元化考核方式使学习过程中始终穿插着考核的过程，明显提高了学生对课程学习的重视程度。另外，理论考核在总成绩中比例的减小，实验考核与大作业考核、答辩在总成绩中比例的增加，也明确了学习态度的重要性及实践技能的重要性。

3.推进双语教学。双语教学是我校创建世界一流大学过程中十分重要的一项教学改革措施。通过双语教学，能够较好地帮助学生掌握本学科的专业英语术语以及本专业的最新国际发展动态，开阔学生视野，培养学生探索新知识的兴趣，增强学生进行国际学术交流的能力。

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论文关键词：数控技术　仿真软件　数控教学

论文摘要：初学者在数控实习教学过程中易发生安全事故，造成机床和人身伤害。数控加工仿真系统是基于虚拟现实的仿真软件，是利用计算机来模拟实际的加工过程。采用数控仿真软件教学，不仅降低了运行成本，而且给学生更多的练习机会，在各种仿真过程中熟练掌握数控机床的加工生产技术。训练学生实习操作的技能技巧，有利于数控教学水平的提高。但数控加工仿真系统是一种模拟软件，它不可能完全代替实训。

数控技术自问世以来，给世界各国制造业带来了革命性的变化。现在数控技术已成为制造业，特别是先进制造业的核心，也是体现一个国家综合国力水平的重要标志。企业的制造能力、适应市场能力和竞争能力都是建立在数控技术之上。随着我国制造业的蓬勃发展，需要大量掌握现代化制造技术的人才，特别对一线数控技术工人的需求量非常大，这就要求中等职业学校培养具有高技能的技术人才。但许多中职学校由于条件的限制，只能传授理论知识，而缺乏实践，学生的实际操作能力欠缺。因此，探索出一种投入小、见效快的教学模式势在必行。

一、数控教学中应用数控仿真软件在的优点

要学好一门技术就要经过大量的实习实践，而数控技术更是一门实践性强的课程，良好实习环境是数控教学必不可少的条件。而数控实习设备属于的高科技产品，价格高，一台数控车或数控铣至少在10万左右，而一台数控加工中心要30万左右，多则达数百万。一般中职学校购置数量不多的几台设备让学生实习。从数量上和成本安全性上考虑，都不大适合学生的普及性教学和实训。如果数控机床的实训完全按照实操进行，需购置大量设备来满足学生实习，这样投入大、消耗多、成本高，一般学校难以承受，而使用数控加工仿真系统是解决此不足的主要途径。它既能解决实训设备不足、学生实习时间少的问题，又能解决初学者由于对数控系统及操作面板不熟悉而造成安全问题，提高学生对数控系统操作及控制面板的熟悉度，让学生大胆地通过仿真对所编程序进行验证，使实习的安排达到多样化，提高学生的学习兴趣和编程能力，使数控技术的教学投入少、见效快，是一种经济实用、安全可靠、功能多样的教学辅助工具。

二、在数控教学中的应用数控加工仿真软件方法

在学习数控加工仿真软件前，一般是学生完成了专业基础理论教学（如机械基础，机械制图等）、专业基础实训教学（如钳工，普通车工等）的基础上进行的，仿真教学的目的是充分利用现有的资源，训练学生实习操作的技能技巧。怎样运用好数控加工仿真系统，使其发挥最好效果，具体应做如下几点：

1.在数控教学初期

在教学初期，主要以理论教学为主，学习数控编程的理论知识（如指令格式、编程方法等问题），一般安排15课时左右。但同时在教学中应穿插数控仿真系统的学习，仿真系统主要解决软件的安装及基本的使用问题。可先用多媒体将数控仿真软件对学生进行集中训练，使学生对仿真软件的使用有全面的了解，然后让学生上机练习仿真软件的使用。

2.教学中期

经过初期的系统学习后，学生基本掌握了数控机床面板及数控仿真系统的操作方法，数控教学应将理论与仿真有机结合起来，理论教学以编程方法和工艺为主，而仿真训练主要进行程序的输入、校验等练习，同时让学生了解不同数控系统（如法那克、西门子、广数、华中等）的操作方式，将理论与实践结合起来。

3.教学后期

数控加工仿真软件只是一种模拟教学软件，是对加工过程的模拟，并非真实的加工过程，它不可能完全代替教学，尤其是数控加工实训。在数控教学中，往往由于过分依赖仿真系统，而忽视了机床加工练习。因为仿真系统与实际机床有着本质的区别，仿真系统无法替代学生在机床上加工时的真实感受，特别在切削用量的选择方面。因此，教学后期要合理安排时间，将仿真训练与实际数控机床操作训练有机结合，尽量让学生在机床上进行零件的加工训练，而仿真系统此时只是对程序验证的工具，学生可先在仿真系统上将零件模拟加工出来，然后再上机床实际加工，这样可以保证程序的正确性，减少在加工的过程中因程序问题而造成的安全事故。

总之，把数控仿真软件用于数控教学中，将有利于改进教学方法，提高教学水平。但同时要正确处理仿真与实际操作的关系，不能用仿真软件完全代替数控实习，应合理安排仿真与实际操作的时间。教育是高投入、高产出的行业，如何利用现有的资源和设备，以最少的成本，培养具有现代化数控技术应用和开发能力的新型机电一体化人才，是我们职业教育探索的方向。

参考文献

1.劳动部职业技能开发司.数控车床生产实践.北京:中国劳动保障出版社. 1997

3.劳动和保障部教材办公室.数控加工工艺学.北京:中国劳动保障出版社. 2000