浅谈数控加工仿真系统在数控技术专业教学中的重要作用

宣城市信息工程学校  林永美

【摘  要】当前，以数控技术为代表的现代加工技术在国民经济中得到了广泛应用，我国的经济发展对现代技术人才的需求越来越高。跟传统的机械加工专业教学相比较，数控专业教学存在很多的困难，本文通过数控加工仿真系统在数控专业课中的应用及作者对仿真软件的实践和认识，论述了数控加工仿真系统在数控教学中的实际作用，希以此丰富教学手段，提高教学质量，加快数控技术人才的培养速度。

【关键词】数控加工仿真系统  数控技术  专业  教学  作用

随着计算机技术等各种科学技术在制造业中的广泛应用，形成了先进的制造技术，这也日益引起世界各国的重视，它是提高企业国际竞争力和创新能力的根本途径，而先进制造技术又是以数控技术为主要标志的。我国在“机械工业振兴纲要”中将应用数控技术的“数控机床”列为基础机械。而据教育部等部委等不久前发布的数控技术应用等专业领域的人才需求状况可知，我国蓝领层数控人才需求明显增加。蓝领层数控技术人才是指在生产岗位上承担数控机床具体操作的技术工人，在企业数控技术岗位中占70.2%，是目前需求量最大的数控技术工人。教育部关于紧缺人才的报告称，部分企业已经大规模引进了高职毕业生从事数控机床的操作，可以预见，企业对蓝领层的数控技术工人有很大的需求，而对他们的知识和能力要求会越来越高。我们国家数控技能型人才的紧缺，使我国职业教育面临重大考验。如何发挥职业教育的优势，加快培养出社会急需的数控专业技术人才， 是职业技术学校当前的重要任务之一。

一、数控技术应用专业在教学中存在的问题

数控技术包含数控编程技术与实际加工两个过程，其中数控加工编程课程是一门以应用为目标的综合性、实践性课程，是一门介于数控基本理论与数控实际运用之间的课程。数控加工编程课程中很多内容是与实际的机床操作有密切关系的，撇开数控机床的操作与实践，孤立的去讲授数控编程的各类代码，将很难达到理想的教学效果。在讲解数控编程时，首先必须让学生了解数控机床加工的全过程，包括从程序的编写、输入、相关参数的设置、机床操作方法及常用操作按键的作用、零件加工过程等，因为很多指令是与加工过程有关的；其次，授课过程中如果一味的讲解各种指令的功能，而不通过程序来理解，将会陷入枯燥、乏味，进而难以理解的地步；第三，很多加工指令如果仅凭口头说明，学生难以理解，如工件坐标系建立指令G92、G54～G59、G50、G00 与G01 在走直线时的区别、某些固定循环指令、M00 和M01 的工用等。

二、数控加工仿真系统介绍

从工程的角度来看，仿真就是通过对系统模型的实验去研究一个已有的或设计中的系统。分析复杂的动态对象，仿真是一种有效的方法，可以减少风险，缩短设计和制造的周期，并节约投资。计算机仿真就是借助计算机，利用系统模型对实际系统进行实验研究的过程。数控加工仿真利用计算机来模拟实际的加工过程，是验证数控加工程序的可靠性和预测切削过程的有力工具，以减少工件的试切，提高生产效率。

数控加工仿真系统具备对数控机床操作全过程和加工运行全环境仿真的功能，将加工过程用三维图形或者二维图形的方式演示出来。可以进行数控编程的教学，能够完成整个加工操作过程的教学。使原来需要在数控设备上才能完成的大部分教学功能可以在这个虚拟制造环境中实现。

当前，国内可见到的数控仿真软件较多，有以辅助程序编制和运动轨迹校验型的，其以实际应用为目标，常常包含有程序传输功能，如CIMCOEdit、NCSentry、MetaCut等等。还有虚拟现实型的，能够虚拟仿真出类同于真实三维数控加工的环境，如数控机床的程序输入、编辑和调试等，数控机床的操作过程，数控零件的切削加工、测量等内容，这类软件有浙大辰光、上海宇龙的数控加工仿真系统、南京斯沃数控仿真软件（SSCNC）、南京宇航数控仿真软件（YHCNC）、天傲TNS等等。它们都能全面的仿真数控加工的过程，包括机床设定( 支持多种数控系统)、定义毛坯、刀具准备、基准测量、 G代码处理、面板操作等；配置要求低，只需要仿真软件和要求不是很高的微机，并与多种计算机操作系统兼容；操作的安全性很高，不会因为学生的错误操作而造成人生伤害，更不会损坏机床；不需要原材料，投入资金少，占地小，不会造成资源的浪费；利用网络可以搭建交流的平台，为师生的交互提供了方便等。

例如上海宇龙数控加工仿真系统中，虽然软件中的数控机床是一台模拟的机床，但对于机床的外形和操作面板及操作按钮是依照真实的数控机床，对机床的一些操作也和真实的机床基本相同，它可以实现对数控车床、数控铣床和数控加工中心加仿真，其中包括毛坯定义、夹具刀具定义与选用，零件基准测量和设工零件全过程的置，数控程序输入、编辑和调试，拥有FANUC数控系统、SIEMENS数控系统、华中数控系统、广州数控系统等多种数控系统，具有多系统、多机床、多零件的加工仿真模拟功能。

三、引入数控加工仿真系统对数控应用专业教学的作用

1、 利用数控加工仿真系统可以弥补设备和师资的不足，提高教学效果。

数控机床实习不比钳工或车工的实习，它的设备投入是很大的，如果要使每个学生有充足的实习时间的话，可能投入要上百万，上千万，这对于一个普通的中等职业技术学校而言显然难以承受的。但如果我们在学生实践操作之前，先利用仿真软件进行模拟操作，就可以做到给学生充分的实习机会，节省了操作的时间，缩短了实习的周期。由于大部分的实训活动可以在仿真系统中实现，使用仿真软件将大大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，从而可以加快对学生的培训速度。而且学生对于机床操作的熟练程度将大大提高，为真正的实际操作也做好了充分的准备，实习效果也将大大提高。

2、 利用数控加工仿真系统能有效的同步实现理论教学与实践教学，教师授课更方便，学生学习也方便。

和其它专业课不同，数控专业是非常抽象的机械专业学科，它最注重的是实践性。教学中，如果教师仅仅在课堂上讲解，而没有相应的实践环节，学生会难以理解，所以有许多教学是需要教师进行示范的，教师在机床上对学生进行示范时，很难保证所有的学生能够听清、看清，教学效果往往不太理想。凡是涉及数控编程和操作的内容，如工件坐标和机床坐标、G指令、M指令等都可以实现同步教学，使抽象内容形象化，提高了教学质量。比如对刀过程，其实是很容易的事情，但如果用传统的教学方法，仅在课堂上纸上谈兵，大多数学生都难以理解，如果利用仿真软件一边演示一边教学，通过车刀和工件的运动学生就很容易理解，而且还能自己亲手操作来加深认识，理论和实践也能兼顾了。数控加工仿真系统的互动教学功能还可以使教师可以以电视的方式在每个学生的屏幕上演示其教学内容，使所有的学生均能清楚地观看并进行模仿，同时教师也可以在自己屏幕上看到每个学生的操作情况，实时了解教学情况并对学生进行指导。

3、 利用数控加工仿真系统能极好的调动学生的学习积极性。

对于职技校的学生来讲，由于学生各方面的基本素质普遍比较差，而数控专业课又是一门抽象性很强的学科，加上教学过程的枯燥乏味，很容易让学生产生厌学的情绪，教学效果也不理想。而数控加工仿真系统以其和实际机床相同的用户界面和它的可操作性，很大程度上激发了学生的学习积极性，再开展教学就容易多了。如果结合现场观摩教学，效果会更加好。更重要的是仿真系统的软件很容易普及，只要有电脑学生就可以在家里自学，在一定程度上培养了他们的刻苦钻研和创新精神。

4、 利用数控加工仿真系统，可在电脑上完成所编程序的检验，减少实际操作出错的概率，安全性高，更便于学生学习。

在实际操作时，我们一般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，由于图形模拟也只能观看零件的大致轮廓，对于程序中的一些细小处的错误判断不出。所以在实际操作前，学生可以在数控加工仿真系统上输入程序，将校验的步骤放在计算机上完成，观察零件的加工情况，最后将正确的程序输入到数控机床中，这样既可节省时间，又提高了加工中的安全性。由于数控加工仿真系统不存在安全问题，不会因为学生的错误操作而损坏机床，更不会造成人身伤害，学生可以大胆地、独立地进行学习和练习。软件中不仅具有对学生编制的数控程序进行自动检测、具体指出错误原因的功能，还具有在真实设备上无法实现的三维测量功能。这些功能使得学生可以进行自我学习，自我检测加工零件几何形状的精度，大大降低了教师的工作强度。

5、 利用数控加工仿真系统还可以实现网络教学和远程培训。

随着社会对技能人才的需求量的增大，职业学校的功能不再仅仅培养在校学生，它还担负着进行社会劳动力的培训任务，这对职业学校的硬件条件也提出了更高的要求。利用仿真软件和网络搭建的平台，进行远程的教育将成为一种新的教育教学模式，它打破了地域和时间的限制，加大培训人员的数量，缩短了培训的周期。这种方法在很多大专院校已经开始运用，并取得了很好的效果。今后我们可以尝试着用到我们职业学校的数控培训当中来。

四、运用数控加工仿真系统的注意事项

然而，我们应该看到，和真实的数控机床相比，数控加工仿真系统中的各类机床只能做到基本相同。首先，数控加工仿真系统是基于虚拟现实的仿真软件，系统中的机床和实际机床是有很多区别的。以上海宇龙的仿真软件来说，它的操作面板和系统和实习机床是相同的，但在仿真加工时也存在很多问题，包括走刀路径不明显，切削深度和刀具要求不够实际，对刀时不能设置刀偏，不能对产品质量进行检验等；而且仿真软件的使用，会在一定程度上使学生放松对产品质量和生产安全的认识。因此仿真软件使用只能作为缩短实习时间，提高实习效率的一种辅助手段，而不能完全抛开实际机床的实习内容，必须适当的安排实习时间，通过实际操作来纠正以上的不足。而且有不少功能在仿真软件上还体现不出来。如fanuc系统的直接图纸编程功能，siemens系统的蓝图编程功能，华中系统的G71凹槽粗车循环等，很容易使学生认为实际机床不具备这些功能。

其次，数控加工仿真系统只是加工过程的模拟并非真实加工过程，它无法代替真实切削加工。因此，学生在利用数控加工仿真系统进行编程与操作练习时，往往容易忽视切削用量的选择、刀具的选用、零件的装夹等方面，一旦到了实际生产中便可能出现打刀现象或影响实际零件的加工质量、降低生产效率等问题。

另外，由于数控加工仿真系统不会出现任何事故，使学生容易放松对安全生产的要求，而对于在练习时出现的撞刀等现象也毫不在意，习惯一旦养成，会在实际生产中造成重大损失。

由于上述原因，在使用数控加工仿真系统教学时，应注意以下事项：

1、 合理安排数控加工仿真软件学习的阶段。

我校的数控加工专业的学生，数控仿真教学一般安排在普通车床等设备学习完后，数控操作的初学阶段，这样学生具备一定的加工基础，学习起来较容易，而且教师利用仿真软件进行初期培训的效果比较好，同时也可避免初学者易出现的事故。

2、 严格按实际操作的要求进行。

虽然是在计算机上进行仿真加工，但教师一定要要求学生按照实际操作加工中的要求来做，如正确装夹零件，合理选用刀具及切削用量；对刀的步骤和动作也要规范，让学生在学习的初期就养成正确的习惯。另外，应尽量避免使用计算机的键盘而采用鼠标点击仿真软件上系统面板，使学生尽快熟悉面板上各键的位置，等到实际操作时就能很快适应。

3、 及时详细说明软件与机床不符之处。

对于软件中和机床的不同之处，教师应及时给学生说明，并根据机床的实际情况对学生详细讲解，以免使学生产生误解，影响到将来在机床上的编程与操作。

4、 分配好仿真软件学习和机床操作练习的时间比例。

根据总的实习时间，合理分配好软件练习和机床操作的时间，特别是当实习条件较好时，上机操作的时间应占较大比例，因为数控加工仿真系统的优势体现在入门基础培训上，学生实际操作技能的提高主要还是要依靠上机实际操作练习。

经过数控仿真系统在教学中的使用，效果还是很明显的。一方面给学校减少了资金的投入，充分利用了有限资源，而且也提高了学生的学习兴趣和动手能力。这也说明了在数控教学中利用仿真系统进行辅助教学的可行性。我们相信在不断的尝试和研究下，能够使数控加工仿真系统在数控技术应用专业教学中发挥出更大的作用。

数控技术作为先进的制造技术是时代进步的产物，而教育也应该适应时代的进步，这就要求我们不断的探索和尝试新的教学方法和理念，只有这样才能培养出更多更好的数控技术人才，为我们的现代化建设服务，也只有这样才能振兴我们的机械加工行业！

参考文献：

1. 唐向阳《数控技术与应用》中国科技出版社1997.

2. 黄筱调 赵松年《机电一体化技术基础及应用》机械工业出版社1994.

3. 李钊 浅谈数控仿真软件在数控实习教学中的应用. 赤峰学院学报 2007.

4. 王海根 程国标 数控加工技术课程实践教学的探索[J] 实验技术与管理 2008.2.

5. 宇龙软件《数控加工仿真系统》上海宇龙软件工程有限公司