第1章 绪论
1.1 数控仿真实训教学的思路
机床数控技术是 20 世纪 70 年代发展起来的一种机床自动控制技术。20 多年来随着计算机、传感与检测、自动控制及机械制造等技术的不断进步，机床数控技术得到了迅速的发展。数控机床作为典型的机电一体化产品，是高新技术的重要组成部分，采用数控机床提高机械工业的数控化率，已成为当前机械制造技术更新的必由之路。近年来，随着企业数控机床应用率的大幅度提高，数控机床的操作技能培养成为各类职业院校一个急待解决的问题。而数控机床是高技术产品，价格较昂贵，许多院校受场地和资金的限制，无法购置大量的数控机床来供学生实训。另一方面，学生直接在数控机床上进行操作练习，容易因为培训中的误操作而导致设备的损坏，造成严重的经济损失。因此，如何根据各院校的具体情况，在满足数控专业教学和实训需要的同时，做到“少花钱，办大事”，是各类职业院校迫切需要解决的问题。
数控加工仿真系统可以模拟实际设备加工环境及其工作状态，不仅可以应用于制造企业中，对数控加工程序进行快速、精确的仿真，验证数控程序的可靠性，防止干涉和碰撞等情况的发生，而且还可以用做数控技术操作技能的教学培训，既可以使受训人员达到实物操作训练的目的，又可以大幅减少昂贵设备的投入，具有很高的应用价值。
因此，学校可通过数控加工仿真系统的大量运用，使虚拟设备与真实数控设备有机结合，建设高标准、高技术含量的数控网络教学实训系统，使学校可以按循序渐进、由浅入深的认知规律，对学生进行数控手工编程→零件产品造型和计算机自动编程→数控加工仿真系统操作→生产型数控机床操作训练→数控工艺员培训或数控操作工职业技能等级考证培训，更好地培养适应社会需求的数控专业人才。
数控仿真系统的运用，将是职业院校进行实验室建设，改革实验教学的一个新的发展方向。
1.1.1 数控加工仿真技术简介
在数控加工过程中，为检查数控程序的正确性，传统上采用试切的方法，但这种方法费工费料，代价昂贵，延长了产品生产周期。后来又采用轨迹显示法，即用计算机控制铅笔绘图器，以笔代替刀具，以纸代替毛坯来仿真刀具运动轨迹的二维图形。这种方法可以显示二轴加工轨迹，也可以检查一些大的错误，但其运动仅限于平面，局限性很大。为此，人们一直在研究能逐步代替试切的仿真方法，并在试切环境的模型化、仿真计算和图形显示等方面取得了重要的进展。在这种情况下，数控加工的计算机仿真技术应运而生。
仿真技术是复杂系统研究和设计的一种新型和有效的工具。所谓数控加工仿真，是指采用计算机图形学的手段对加工走刀和零件切削过程进行模拟，具有快速、仿真度高、成本低等优点。它采用可视化技术，通过仿真和建模软件，模拟实际的加工过程，在计算机屏幕上将铣、车、钻、镗等加工方法的加工路线描绘出来，并能提供错误信息的反馈，使工程技术人员能预先看到制造过程，及时发现生产过程中的不足，有效预测数控加工过程和切削过程的可靠性及高效性，此外，还可以对一些意外情况进行控制。数控加工仿真代替了试切等传统的走刀轨迹的检验方法，大大提高了数控机床的有效工时和使用寿命，因此在制造业得到了越来越广泛的应用。
数控加工仿真系统可由两个模块组成：
（1）仿真环境。由机床、工件、夹具、刀具库构成。
（2）仿真过程。包括几何仿真和力学仿真两个部分。几何仿真将刀具与零件视为刚体，不考虑切削参数、切削力等其他物理因素的影响，只仿真刀具、工件几何体的运动来验证NC程序的正确性；切削过程的力学仿真属于物理仿真范畴，需要考虑精度分析等影响加工质量的因素，它通过仿真切削过程的动态力学特性来预测刀具破损、刀具振动、控制切削参数，从而优化切削过程。
对于数控加工仿真系统的实现，目前较流行的有四种方案：
（1）基于VC++和openGL技术开发。
（2）基于VC++与现有造型软件结合的开发。
（3）基于VRML技术的开发。
（4）基于现有 CAD/CAM 软件的二次开发。其中第一种方案和第二种方案都需要开发人员编写大量代码；第三种方案的优点是可以开发出基于网络的仿真系统，缺点是对于机床的加工仿真尚需大量的编程工作，而且缺乏相应的技术基础；第四种方案是利用基于特征的通用机械CAD/CAM软件系统，提供功能强大的二次开发模块。例如，UG、Pro/Engineer、CATIA等著名的大型CAD/CAM软件就提供了MS VC++的开发方法和接口，SolidWorks提供了基于 COM 和 OLE 技术的二次开发接口。采用以上软件系统作为仿真系统的图形显示平台，开发者无须考虑环境光源、材质等影响真实感的因素，大大降低了编程的难度和强度；工件毛坯直接由设计过程调用，具有完全的真实形状，仿真结果直观易懂；仿真图形易于控制，具有旋转、放大、剖切和加工过程记录等特点，在航天航空、汽车制造、模具加工、通用机械等领域得到广泛的应用。
1.1.2 数控仿真软件的教学应用
数控仿真系统可以模拟实际设备加工环境及其工作状态，数控加工仿真技术为验证数控程序的可靠性、防止干涉和碰撞的发生及预测加工过程提供了强有力的工具。
针对目前 PC 的普及，以及在数控机床实验机上教学的诸多不便，结合数控加工技术教学实践，将基于 PC 平台的数控加工仿真教学系统，用于数控操作人才的培训和教学。在培训和教学过程中，数控机床的模拟操作通过计算机屏幕上的仿真操作面板进行，而零件切削过程可在机床仿真模型上用三维动画演示，仿真加工和操作几乎与实际机床的真实情况一样。
目前，应用较为广泛的数控仿真系统主要有上海宇龙的“数控加工仿真系统”和德国“MTS 数控编程仿真系统”。这类软件可以用来学习数控机床的编程与操作，具有“以软代硬”来熟悉编程与操作、减少废品和撞机等优点，是一种现代化教学和实训的好方法。随着CNC 仿真软件的发展，软件的功能越来越强大，不但能仿真切削加工，而且能测量虚拟工件；还可以对工件的加工工艺和加工质量进行分析，并能通过 RS232 等通信接口，直接控制数控机床的加工。
1.上海宇龙“数控加工仿真系统”
上海宇龙软件工程有限公司开发的“数控加工仿真系统”，可以实现对数控铣床、数控车床、加工中心加工全过程的仿真，具有基于联网或局域网等进行双向互动的远程教育功能，数据传送可以采用卫星、宽带（ADSL、ISDN、有线 CABLE 等）或窄带联网（MODEM）等方式进行。该系统支持毛坯定义，夹具、刀具定义与选用，零件基准测量和设置，数控程序输入、编辑和调试，加工仿真以及各种错误检测功能。
该系统具有较高的可靠性、安全性和数据完整性，具有易学、易用、易操作、易维护等特点。整个系统分成四个模块，每一个模块中包含不同功能，每个模块功能都与相应的功能键连接。状态栏能够显示正在执行的程序代码情况、实时机床状态参数反馈及在线提示等。根据机床加工的特点和实际机床工作流程，系统采用如图1.1所示的结构，包括用户界面模块、程序编辑模块、程序处理模块、模拟加工模块。
图1.1 数控加工仿真教学系统组成结构
（1）用户界面模块。用于设立数控加工环境，主要包括三维显示的数控加工环境、数控系统仿真面板。如图1.2所示为数控仿真系统中的FANUC 0i机床面板，在该面板上既包括数控系统的显示屏及功能键，也有机床操作部分的按钮及旋钮，通过该面板可将机床的加工过程逼真地显示在计算机屏幕上。面板可在NC程序的驱动下，用三维动画仿真显示加工过程，画面可放大或缩小，还可以从任意角度观察加工过程。
图1.2 FANUC 0I机床面板
（2）程序编辑模块。用于数控程序的输入、修改及显示编辑。NC 程序的读取如同生产实际一样，采用面板手工输入和程序文件读入两种方式。
（3）程序处理模块。通过对NC代码的理解、检查代码语法语意的正确性，经过译码、刀补计算、进给速度处理，得到刀具中心轨迹和其他所需数据，用于模拟加工。
（4）模拟加工模块。具有自动加工和手动加工等功能，系统通过对处理后NC程序的离散和插补，直接驱动数控系统显示屏或三维动画仿真。在模拟加工过程中，数控系统显示屏按实际加工状态，可工作在图形模拟或数字状态两种方式下。
“数控加工仿真系统”4.3版本包括了目前国内常用数控系统的仿真，如表1-1所示。
表1-1 国内常用数控系统及操作面板
续表
2.MTS数控仿真系统
从德国引进的MTS数控仿真系统有Top Turn、Top Mill和Top Cam三个模块，可以实现以下几个方面的主要功能：
（1）交互式编程功能。
（2）数控系统后置处理功能。
（3）数据库储存工艺数据功能。
（4）对刀功能。
（5）建立工艺档案功能。
（6）仿真模拟功能。
（7）加工质量分析功能。