（机械制造及其自动化专业论文）基于集成考试系统的数控教学平台的研究与开发.pdf

中文摘要 本文以c j k 6 1 4 0 h 数控车床为基础，根据其所采用的数控系统，构建了一个 在w i n d o w s 操作系统平台上运行的模拟该机床完整操作过程的仿真操作软件， 实现了在普通微机上进行数控程序编辑、机床操作、参数设置及加工仿真等一 系列模拟操作的要求。在此基础上，利用h t m lh e l pw o r k s h o p 、m i c r o s o f t f r o n t p a g e 、f l a s h 及v i s u a lb a s i c6 0 、a s p 、a c e s s 2 0 0 4 开发出了一个集成 考试系统的在线辅助( 帮助) 数控教学平台，从而构建一个集教学、培训于一 体，使教与学有机结合，实现教材、教师、设备三位一体的网络化数控教学平 台。 本文共分为五部分：第一部分从数控机床、数控技术教学、数控人才需求 及计算机仿真技术的应用现状及发展前景阐述了课题的研究意义并引出了论文 的研究内容；第二部分介绍了数控教学平台的总体结构；第三部分构建了数控 加工仿真系统的功能结构，包括数控加工仿真的需求分析，数控仿真系统设计 的基本原则，数控仿真系统的功能描述，总体结构设计，关键问题的解决方案， 仿真流程；第四部分介绍了教学辅助( 帮助) 系统，包括内容，制作及集成； 最后一部分通过对考试系统的功能模块分析，系统地阐述了计算机考试系统的 实现方式。 该系统既可用于对真实机床的模拟操作，作为实际加工前的预检验手段， 评估判定数控程序的正确程度；又可用于数控理论教学及教学效果评价，为教 师和学生提供一个良好的学习环境。 关键词：数控机床，仿真系统，教学平台，计算机考试系统 a b s t r a c t b a s e do nc j k 6 1 4 0 hn u m e r i c a l c o n l r o l l a t h ea n dt h en cs y s t e mi n s t a l l e do ni t 。 am a c h i n et o o ls i m u l a t i o ns o f t w a r ei nw i n d o w ss y s t e mw a sc o n s t r u c t e d t h e s o f t w a r ec a l lf u l 丘l ls u c ho p e r a t i n gf u n c t i o n s 船f o l l o w s ：e d i t i n gn cp r o g r a m s m a c h i n eo p e r a t i o n ，m a c h i n es e t t i n g sa n dm a n u f a c t u r i n gs i m u l a t i o n ，e t c b e s i d e s ，a w e b b a s e dn ce d u c a t i o np l a t f o r mw a sb u i ri n c l u d i n gt e a c h i n ga n dt r a i n i n g f u n c t i o n sa n dc o m b i n i n gb o o k s ，i n s t r u c t o r sa n dd e v i c e st o g e t h e ri na ni n t e g r a t i o n e n v i r o n m e n t , t h r o u g hr e a l i z i n ga ni n t e g r a t e dt e s ts y s t e ma n dan c t e a c h i n ga i d e d s y s t e m ( w h i c hd e v e l o p e dw i t hh n 订lh e l pw o r k s h o p ，m i c r o s o f tf r o n t p a g e ，f l a s h ， v i s u a lb a s i c6 0 ，a n da s pa c c e s s2 0 0 4 ) t h i sd i s s e r t a t i o nc o n s i s t so ff i v ec h a p t e r s ：1 n l em a i nr e s e a r c hw o r ki s c a r e f u l l yr e p o r t e df r o mt h ep o i n t so ft h ea p p l i c a ：c i o na n dp r o s p e c to ft h e n c t e c h n o l o g yn c c o n t r o l l e dm a c h i n ea n dc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ；2 t h e g e n e r a lf r a m e w o r ko ft h en ce d u c a t i o np l a t f o r mw a si n t r o d u c e d ；3 n l cw h o l e s t r u c t u r eo ft h en cs i m u l a t i o np l a t f o r mi ss u r v e y e di nt h ea s p e c t so ft h ec o n c e p t i o n a n da p p e a r a n c eo fn cs i m u l a t i o n ，t h ed e s i g n i n gp r i n c i p l e sa n dt h ef u n c t i o n d e p i c t i o n ，g e n e r a lf r a n l ed e s i g n ，t h es o l u t i o nt ot h ek e yp r o b l e m s ，a n dt h es i m u l a t i n g p r o g r a m m i n g ；4 t h ec o n t e x td e s i g na n db u i l d i n gw o r ko ft h et e a c h i n gr e d e ds y s t e m i ss u m m a r i z e d ；5 t h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rt e s ts y s t e mi sr e s p e c t i v e l ya n a l y s e si n e v e r yf u n c t i o nm o d u l e si n c l u d e di n n l es y s t e mc a nb ea p p l i e di no p e r a t i o nt r a i n i n gt os i m u l a t ei nt h er e a lm a c h i n e t o o l s ，t h ep r e 二c h e c kb e f o r er e a lm a n u f a c t u r e ，e v a l u a t i n gt h en cc o d e s ，a n da l s o a s s e s s i n gt h et h e o r e t i c a lt e a c h i n ge f f e c t s i to f f e r saw e l le n v i r o n m e n tf o rb o t h t e a c h e r sa n ds t u d e n t s k e yw o r d s ：n cm a c h i n e ，s i m u l a t i o ns y s t e m ，t e a c h i n gp l a t f o r m ，c o m p u t e rt e s t s y s t e m i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：刎壬、灵签字日期：埘年6 月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 剀孓灵 签字日期：埘年占月日 ：铆孽 导师签名：丫f 1k 签字吼矿年月7 日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 1 1 1 数控机床的产生和发展 数字控制机床( n u m e r ic a l l yc o n t r o l l e dm a c h i n et 0 0 1 ) 简称数控( n c ) ， 是近代发展起来的一种自动控制技术，是用数字信息实现自动控制机床运转的 一种方法。它把机床的加工程序和运动变量( 如坐标方向、位移量、轴的转向 和转速等) ，以数字形式预先记录在控制介质( 如拨码开关、磁带等) 上，通过 数控装置自动地控制机床运动，同时具有完成自动换刀、自动测量、自动润滑、 冷却等功能川。 数控机床发展到今天，完全依赖于数控系统的发展。自1 9 4 6 年在美国诞生了 世界上第一台电子计算机。1 9 5 2 年，计算机技术应用到了机床上，在麻省理工学 院( m i t ) 诞生了第一台数控机床。从此，数控机床的发展日新月异，到今天已经 历经了两个阶段和六代：1 9 5 2 - - 1 9 7 0 年为数控( n c ) 阶段，这一阶段划分为三代， 即第一代电子管( 1 9 5 2 年) ；第二代晶体管( 1 9 5 9 年) ；第三代小规模集成电路( 1 9 6 5 年) 。自1 9 7 0 年起，小型计算机用于数控，数控技术进入计算机数控( c n c ) 阶段， 这是第四代数控；1 9 7 4 年进入第五代数控，其特征为微处理器用于数控：2 0 世纪 9 0 年代开始后基于p c 的数控( p c n c ) 开始得到迅速发展。经过几年的发展，数控 系统从性能到可靠性都得到了根本性的提高 2 】1 3 1 。 1 1 2 数控机床的应用 1 9 7 1 年微处理器芯片问世，1 9 7 4 年开始用于数控，因而数控在工业发达国家 得到迅速发展。1 9 8 0 年与1 9 7 0 年相比，日本的数控机床增加了1 7 8 倍，美国增加 了5 9 倍，苏联增加了5 6 倍，西德增加了4 倍。世界数控机床年均增长率为15 。 各种机械产品迅速更新换代、日益多样化，而数控机床正好能适应这种新的不断 变化的需要，其经济效益显著： 1 缩短新产品试制和生产周期，节约大量工装，易于组织多品种生产，使 企业能对市场需要迅速做出响应。如制作协和号飞机时，由于采用数控加工，使 工装的设计和制造周期减少了7 5 。 2 生产效率比普通机床高3 5 倍，多的可达8 1 0 倍。 第一章绪论 3 减少人为误差，提高加工质量，零件互换性好。 4 能加工那些用传统方法很难或不能加工的大型复杂零件。如飞机上的整 体壁板，火箭上的复合叶轮、机头罩等。 经过半个多世纪的发展，数控机床已经形成了高、中、低档俱全，涵盖各种 功能的不同产品系列。在过去的几十年中较好地促进了生产力的发展。 近十年来，数控机床的发展很快。世界数控机床总产量增加了十倍。而且随 着计算机技术的发展，运算速度的提高，硬件的集成化和软件的丰富，国际上数 控装置的水平和功能不断提高、完善，现已进入成熟应用阶段。目前世界上几个 著名的数控装置生产厂家，如日本法纳克( f a n u c ) ，德国西门子( s i e m e n s ) 和美国 a b 公司的产品都向系列化、模块化、高性能方向发展1 4 。 1 1 3 数控人才需求分析 科学技术的高速发展，加速了制造业的变革。随着数控技术的广泛应用，普 通机床逐渐被高效率、高精度的数控机床所代替，形成了推动国民经济发展的巨 大生产力。先进工业国家已普遍使用数控机床，其数控化率已达2 5 。据统计， n 2 0 0 5 年，我国的数控机床年产量将达到3 万台，数控机床的普及率也将大为提 高，因此数控技术的应用将是我国机械制造业发展的重要任务。但目前我国机床 的数控化率还达不到3 ，其原因是多方面的，而数控人才的匮乏无疑是主要原 因之一。这充分说明我们的职业技术教育和培训还不能适应发展的需要，必须加 大数控人才培养的力度，满足社会需求。 5 】【6 】 目前，市场对数控人才的需求有以下三个层次，所需掌握的知识结构也各不 同： 1 金领层( 数控通才) 精通数控编程员、数控操作技工和数控维护、维修人员所需掌握的综合知识， 并在实际工作中积累了大量实际经验，知识面广，能自行完成数控系统的选型、 数控机床机械结构设计和电气系统的设计、安装、调试和维修，独立完成机床的 数控化改造。适合于担任企业的技术负责人或机床厂数控机床产品开发的机电设 计主管。数控通才应具有较高的专业理论水平和丰富的实践经验，适合本科、高 职学院组织培养，且经过特殊的现场实训和名师指导，促其成才。 2 灰领层 数控编程员：掌握数控加工工艺知识和数控机床的操作，掌握复杂模具的设 计和制造专业知识，熟练掌握二维c a d c a m 软件如u g 、p r o e 等，熟练掌握数控手 2 第一章绪论 3 减少人为误差，提高加工质量，零件互换性好。 4 能加工那些用传统方法很难或不能加工的大型复杂零件。如飞机上的整 体壁板，火箭上的复合叶轮、机头罩等。 经过半个多世纪的发展，数控机床已经形成了高、中、低档俱全，涵盖各种 功能的不同产品系列。在过去的几十年中较好地促进了生产力的发展。 近十年来，数控机床的擅展很快。世界数控机床总产量增加了十倍。而且随 着计算机技术的发展，运算速度的提高，硬件的集成化和软件的丰富，国际上数 控装置的水平和功能不断提高、完善，现已进入成熟应用阶段。日前世界上几个 著名的数控装置生产厂家，如日本法纳克( f a n u c ) ，德国西f 子( s i e m e n s ) s 1 美国 a b 公司的产品都向系列化、模块化、高性能方向发展1 4 。 1 1 ，3 数控人才需求分析 科学技术的高速发展，加速了制造业的变革。随着数控技术的广泛应用，普 通机床逐渐被高效率、高精度的数控机床所代替，形成了推动国民经济发展的巨 大生产力。先进工业国家已普遍使用数控机床，其数控化率己达2 5 。据统计， u 2 0 0 5 年，我国的数控机床年产量将达到3 万台，数控机床的普及率也将大为提 高，因此数控技术的应用将是我国机械制造业发展的重要任务。但目前我国机床 的数控化率还达不到3 ，其原因是多方面的，而数控人才的匮乏无疑是主耍原 因之一。这充分说明我们的职业技术教育和培训还不能适应发展的需要，必须加 大数控人才培养的力度，满足社会需求。1 5 1 1 6 目前，市场对数控人才的需求有以下三个层次，所需掌握的知识结构也各不 同： l 金领层( 数控通才) 精通数控编程员、数控操作技工和数控维护、维修人员所需掌握的综合知识， 并在实际工作中积累了大量实际经验，知识面广，能自行完成数控系统的选型、 数控机床机械结构设计和电气系统的设计、安装、调试和维修，独立完成机床的 数控化改造。适合于担任企业的技术负责人或机床厂数控机床产品开发的机电设 计主管。数控通才应具有较高的专业理论水平和丰富的实践经验，适合本科、高 职学院组织培养，且经过特殊的现场实训和名师指导促其成才。 2 灰领层 数控编程员：掌握数控加工工艺知识和数控机床的操作，掌握复杂模具的设 计和制造专业知识，熟练掌握二维c a d c a m 软件如u g 、p r o e 等，熟练掌握数控手 计和制造专业知识，熟练掌握二维c a d c a 瞰件如u g 、p r o e 等，熟练掌握数控手 2 第一章绪论 工和自动编程技术。数控编程员应具有较强的软件应用能力。适合高职、本科学 院组织培养。适合作为工厂设计处和工艺处的数控编程员。此类人员需求量大， 尤其在模具行业非常受欢迎，待遇也较高。 ( 2 ) 数控机床维护人员：熟悉各种数控系统的特点、软硬件结构，掌握数控 机床的操作与编程，能进行p l c 和参数设置。清楚数控机床的机械结构和机电联 调。精通数控机床的机械和电气维修。适合作为工厂设备处工程技术人员。此类 人员需求量相对少一些，但培养此类人员非常不易，知识结构要求很广，适应与 数控相关的工作能力强，需要大量实际经验的积累，目前非常缺乏，其待遇也较 高。适合具有数控培训基地的高职学校组织培养。 3 蓝领层 数控机床操作技工：精通机械加工和数控加工：工艺知识，熟练掌握数控 机床的操作和手工编程，了解自动编程和数控机床的简单维修。此类人员市场需 求量大，适合作为车间的数控机床操作技工。但由于其知识较单一，其工资待遇 不太高。主要由职业院校组织培养。 调研显示，数控技术三个层次人才需求如图1 - 1 所示： 图1 - t 数控人才比例 蓝领层数控技术人才是指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7 0 2 ，是目前需求量最大的数控技术工人；而承担数控编程的工艺 人员和数控机床维护、维修人员在企业数控技术岗位中占2 5 ，其中数控编程技 术工艺人员占1 2 ，6 ，数控机床维护维修人员占1 2 4 ，随着企业进口大量的设备， 数控人才需求将明显增加。 从数控技术人才需求的层次结构发展看，目前蓝领层工人需求数量最大， 不同层次人才所需知识与能力结构不同，因而培养方式不同。需求量最大的蓝 领层可依靠企业自身力量从普通机床操作工中培养，但由于普通机床操作工知 识水平普遍较低，接受新知识较慢，且影响正常生产，国内绝大多数企业主要 靠各类职业教育来培养，通过“批量”的培养规模，以数控培训基地为依托， 进行系统化的数控技术教育，加大实践环节的教学，可以大大改善目前国内数 3 第一章绪论 控应用人才匮乏的局面m 。 1 1 4 数控教学中存在的问题及解决办法 虽然我国各类职业院校加大了培养数控人才的力度，但始终不能满足我国数 控人才的需求，主要有三方面原因： 1 课程设置和教学内容不能满足企业需求 ( 1 ) 我国机电类专业的课程设置近几年虽有所改进，但教学内容仍较陈旧。 学生所学到的知识技能与企业的要求尚存在差距。例如，数控加工刀具和工艺的 教学还较薄弱。部分学校因实训条件所限，仍以理论讲授为主，企业急需的数控 机床的编程、操作、维护人员的培训效果较差。 ( 2 ) 在实践技能培训方面，很多院校把实训重点放在数控机床简单操作上， 而对数控加工工艺( 如工艺路线选择、刀具选择、切削用量设置等) 、模具设计、 c a d c a m 与数控自动编程、数控机床机电设计与联调技术、数控机床的维护、维 修等专业技术能力训练不够。 ( 3 ) 现有数控技术教育专业教材形态单一、内容陈旧、实践性差。适合数 控系统原理、数控机床机电控制技术、数控机床故障诊断与维护维修和数控实训 等课程的教材非常有限，严重脱离生产实际。 2 职业学校数控专业师资数量不足，素质不高 数控专业师资，特别是同时具备相应理论知识和丰富实践经验的数控专业师 资严重不足。尤其缺乏熟悉企业生产实际，并能够承担数控教学工作的“双师( 教 师、工程师) ”专业教师，严重制约着现代数控技术人才培养水平的提高。 3 数控实训设备条件差，数量严重不足，且不配套 近年来，受数控人才需求增长的拉动，各职业院校均建有不同规模的数控实 训基地，有的是规模大、设备种类多的实训中心，也有设备种类和数量相对较少 的实验室。各院校为了与企业尽可能保持一致，以达到实训效果，在实训硬件选 型方面逐步趋向全部采用工业用数控机床和加工中心，而且实训基地往往以加工 设备配备进口数控系统为主，由于每台数控设备非常昂贵，学校购置的设备数量 有限，每个学生的独立动手实际操作机会很少，实训效果并不好。这种安排，不 能适应普及性的教学实验，只能给学生作“演示实验”。数控技术是实践性很强的 综含技术，没有实践体验很难获得良好的教学效果【8 l 【9 。因此，创建一种数控机 床的多功能教学系统，在脱离实际生产环境的情况下，实现对学员数控机床操作 4 第一章绪论 和维护能力的培养是解决当前数控技术应用方面人才紧缺的有效途径。 本课题正是基于上述问题，构建一个集教学、培训于一体，使教与学有机结 合，实现教材、教师、设备三位一体的数控教学平台。 1 2 数控仿真教学平台的研究状况 目前，国内外对数控机床仿真系统的研究己取得较大进展，如南京宇航、 上海宇龙一广州红地、广州超软、北京菲克等数控机床仿真系统，在很多学校 ( 特别是职业学校) 应用，对提高数控教学质量起到一定的促进作用。但多数 数控机床仿真系统未包括教学辅助系统、教学交互系统及考试系统，因此，只 能完成数控机床仿真，功能单一，影响了数控教学质量的进一步提高。个别软 件，如上海宇龙软件工程有限公司开发的数控加工仿真系统，具有一定的教学 交互及考试功能，但功能较简单，人机交互性较差，不能实现实时在线帮助， 达不到理想教学效果。为此，本课题提出建立一个集成考试系统的在线帮助数 控教学平台系统，以数控技术基本原理展示、数控机床模拟操作、数控编程实 验和数控加工过程仿真为主要内容的数控仿真教学平台，并可以通过计算机考 试实时检验对数控知识的掌握情况。 1 3 本课题的研究内容 1 3 1 数控机床仿真系统 根据宝鸡机床股份有限公司生产c j k 6 1 4 0 h 机床和实际所采用的f a n u c 数控系统开发出一套以w i n d o w s 操作系统为运行平台的仿真操作系统。该系统 可完全实现对数控机床全部操作功能的仿真。 1 3 2 在线帮助系统 利用m i c r o s o f tf r o n t p a g e 、f l a s h 、h t m lh e l pw o r k s h o p 等软件，开发 一个与数控仿真系统集成的教学帮助系统，可以有效地解决数控教学中的理论 与实践脱节、信息量小、相关知识接口不顺畅等问题，有利于提高数控教学质 量。 5 第一章绪论 1 3 3 计算机考试系统 使用微软公司的v i s u a lb a s i c6 0 、a s p 、a c e s s 2 0 0 4 开发了在w i n d o w s 操 作系统平台上运行的计算机考试系统，用于检验培训人员对数控知识的掌握情 况，实现了无纸化考试。 1 4 本章小结 本章综述了数控技术的发展，指出数控技术的广泛应用急需大量的应具备 数控基本理论知识、熟练的编程、操作及维修的人才，分析了当前社会对数控 人才的需求，提出当前数控教学中存在的诸多问题，引出本课题研究内容：构 建一个教与学有机结合的集成在线帮助的数控仿真教学系统，并运用v b 6 0 设 计了一个计算机考试系统，以检验培训人员对该数控知识的掌握情况。 6 第二章数控教学平台的总体结构 2 1 引言 第二章数控教学平台的总体结构 数控机床作为现代化加工设备，需要操作者既具有较扎实的数控技术知识， 又具有较熟练的操作技能。由于客观条件的限制，传统的教育手段和方法都无法 培养出满足社会需求的数控技术应用方面的人才【l0 1 ，迫切需要构建有个集教 学、培训于一体，使教与学有机结合，实现教材、教师、设备三位一体的网络化 数控教学平台。建立数控教学平台应满足以下要求： 1 准确性 数控机床仿真系统要能准确地反映数控机床的结构特点、零部件的拓扑关系 以及关键零部件的几何尺寸和相对位置；要能准确地反映数控机床的运动特性， 零部件的相对运动关系、运动范围，执行零部件的运动结果；实现仿真系统的有 关操作同真实数控机床的操作相一致。 2 功效性 除了满足数控机床仿真外，数控教学平台还应具有教学辅助、教学交互、考 试等功能，从而实现教学、培训及教学效果评价一体化。 2 2 数控教学平台的结构分析 为满足数控教学的需要，使学生受到全面的数控技术应用方面的教育，一方 面要有模拟职业环境的实训基地，使学生能够体验到较真实的生产氛围，但由于 资金有限，数控设备不足，学生在数控机床上动手操作的机会较少，且存在安全 隐患，因此，单一的实训基地并不能完全解决数控技术教育问题。根据我国职业 教育的现状，利用数控仿真系统，是解决数控设备数量少的有效途径。另一方面 在数控机床操作过程中，操作者可能随时要求在线帮助，这就需要给数控仿真系 统集成个教学辅助( 帮助) 系统。此外，为解决数控技术方面的理论知识的传 授及检验数控教学效果，需要有一个能够完成评价教学效果的考试系统。因此， 一个完整的数控教学平台应该由数控仿真系统、教学辅助( 帮助) 系统及计算机 考试系统组成。 数控教学平台的总体结构如下： 7 第二章数控教学平台的总体结构 机 床 操 作 数控教学平台 数控加工仿真系统功能结构li 教学在线帮助系统 il 计算机考试系统 程 序 管 理 参 数 设 置 图 形 仿 真 程 序 检 错 目 录 索 引 搜 索 上 下 文 相 关 帮 助 帮 助 上 下 文 图2 - i数控教学平台的总体结构 2 2 1 数控加工仿真系统 教 师 管 理 子 系 统 学 生 考 试 子 系 统 远 程 查 询 系 统 根据宝鸡机床股份有限公司生产的c j k 6 1 4 0 h 所采用的数控系统开发出一 套以w i n d o w s 操作系统为运行平台的仿真操作软件。该软件可完全实现对数控 机床全部操作功能的仿真操作，同时充分利用计算机的优势增加一些方便仿真操 作的辅助功能如程序检错功能等。通过在微机上运行该软件便可实现对数控机床 的模拟操作，编程训练及加工仿真。这部分内容主要包括仿真操作软件的界面设 计和功能代码的实现两个部分。界面设计主要指与数控系统相对应的状态窗体及 按钮控件的设计；功能代码的实现是指编写实现各按钮功能，转换显示窗体状态 及其他与数控系统操作功能相对应的仿真操作的源代码。 该系统包含五个子模块，如图2 1 所示：程序管理模块、参数设置模块、机 床操作模块、图形仿真模块、程序检错模块。程序检错模块用来验证n c 代码语 法、词法的正确性，并能将错误信息进行反馈，帮助编程者掌握n c 代码的使用 规则，可作为g 代码程序编程训练使用。机床操作模块模拟真实数控机床的全部 操作，直观获取模拟操作过程中各种加工参数的变化信息。图形仿真模块能观察 仿真过程中刀具轨迹的变化，从而验证g 代码编程的正确性【l ”。 2 2 2 教学在线帮助系统 利用h t m lh e l pw o r k s h o p 、f l a s h 5 0 和m i c r o s o f tf r o n t p a g e 软件开发一个数 8 第二章数控教学平台的总体结构 控教学平台的多媒体帮助系统，其功能是展示数控技术的基本概念、原理，数控 编程的基本知识，机庶控制操作的基本方法，给学习者提供一个交互式的学习平 台。该系统与机床的仿真面板集成于一体，可随时通过目录、上下文相关帮助、 帮助上下文等方式学习，也可输入关键字利用索引或搜索查找所需的知识点。同 时，该帮助系统可独立运行，类似于课件，适合在多媒体教室集中演示讲解，获 取理论知识，直观形象地观察刀具动态仿真过程，还可以作为在线帮助系统进行 网络访问。 22 3 计算机考试系统 利用v i s u a lb a s ie 6 o 、a s p 、a c c e s s 2 0 0 4 开发了一个数控教学平台的计算 机考试系统，主要解决数控教学中教学效果的检验问题。考试系统具有如下功能： ( 1 ) 用户管理本系统的用户分为3 类：学生类用户、教师类用户和管理 员用户。 ( 2 ) 试卷管理试卷管理主要包括试卷类型、创建试卷、浏览修改试卷、 题库管理和试卷批阅。 ( 3 ) 开始考试t 学生登录、答题、交卷保存。 ( 4 ) 收卷：教师收卷，将学生机上的文件收到教师机上。 ( 5 ) 查询成绩：查询某个学生的成绩或打印成绩单。 ( 6 ) 远程查询系统：远程查询系统与本地查询系统功能基本类似，考生可 以上网查询考试成绩。 2 3 本章小结 本章分析了建立数控教学平台应满足的基本要求，介绍了数控教学平台的总 体结构，并对数控教学平台体系的构成进行了阐述。 9 第三章数控仿真系统的总体结构 3 1 引言 第三章数控加工仿真系统的功能结构 数控机床仿真操作系统可以脱离真实的车间生产环境，在一个相对优越和安 全的条件下，实现对真实机床的模拟操作。对于一些斥巨资引进的先进数控机床 设备的企业和学校，可以使用仿真操作系统来培训机床操作和管理的技术人员， 以确保设备运转的安全，减少由于盲目操作而带来的损失。此外，数控机床的仿 真操作系统在实现与真实机床通信的情况下，可以作为实际加工前的预检测手 段。在数控加工前将程序送入仿真系统，经处理分析后模拟出刀具的轨迹路线从 而评估判定程序的正确性，及时解决实际加工中可能出现的问题和重新考虑程序 运行时反映出的干扰因素，使得操作者及时改进加工程序和调整机床参数，以保 证实际加工过程“。 3 2 数控加工仿真系统控制面板设计 f a n u c o i 系统的控制面板有四部分组成：c r t 显示器、m d i 键盘、操作面板和 手脉。根据此系统控制面板的情况，我们用计算机显示器三分之二的面积仿真数 图3 - 1 控制面板 1 0 第三章数控仿真系统的总体结构 控系统的控制面板。见图3 一l ，图中分为四个区：c r t 显示器：m d i 键盘； 操作面板与控制箱；手轮。 本系统设计的仿真控制面板与实际的控制面板基本上是相同，这样给操作者 在使用时带来很大的方便。同时，为了使仿真系统的真实感更强，系统在设计按 键、指示灯和c r t 显示器时，力求与实际情况相同。例如，机床回零的指示灯在 机床回零前是暗绿色，当机床沿某一坐标轴回零后，相应的指示灯变成亮绿色， 表示指示灯亮起。另外，当某一按键被按下时，这一按键将有凸凹变化，运动感 强，同时也由赔色变成亮色，有开关灯的效果，与实际的数控系统是一致的。 计算机显示器左侧三分之区域用于显示虚拟机床，这样在直接观察仿真效 果的同时，便于操作。另外，为了方便观察仿真情况，虚拟机床显示区可扩大一 倍。这时，显示器右侧保留图4 - l 中的区和区，在需要时，可动态显示区。 通过这样的设计，使仿真效果更佳。 3 3 系统需求分析和功能描述 3 3 1 系统需求分析 1 数字化定义。 建立机床、刀具、夹具和零件的数字化模型，即几何建模，能够建立工艺系 统的几何模型与机床的运动建模。 2 动态显示整个加工过程。 以三维动画技术实现整个加工过程的可视化，并且能从各个角度进行实时观 察，以便直接发现加工过程中的问题。 3 虚拟数控系统设计。 利用虚拟数控系统可实现数控加工真实感训练，并能熟悉该数控系统的操作 过程。 4 n c 代码检验 加工零件的形状来检验n c 代码能否完成预定加工要求。 5 干涉与碰撞检查。 在加工过程中，各个运动部件是否会发生碰撞，夹具、零件、机床之间的潜 在干涉，以及机床行程的限制等等。 6 工艺参数优化。 在译码过程中，通过建立工艺参数经验库和有关算法来对工艺参数进行检 验，并提出其优化值。 3 3 2 系统功能描述 基于上述的需求分析，对数控加工仿真过程仿真系统功能规定如下： 1 实感的虚拟数控系统的操作与实际的数控系统的主要功能完全一致a 2 在译码过程中，对n c 程序进行检验，以发现其中的语法错误，并对工艺 参数进行优化； 3 加工过程仿真由n c 代码驱动，即采用零件加工的n c 代码生成作为加工 过程仿真系统驱动数据的n c 坐标信息文件； 4 实现加工过程三维仿真动态显示加工过程，视角范围可放大缩小，视觉 角度可任意变化； 5 动态仿真显示的对象包括数控机床、被加工零件、刀具、加工工作台、 夹具等； 6 对加工过程中可能发生的碰撞情况进行实时检测，并及时提出警告。 3 4 数控仿真系统结构设计 3 4 1 系统结构设计的依据 要开发数控加工过程仿真系统，首先需要设计和建立一个数控加工过程仿真 系统的总体结构，用来表达数控加工系统和数控加工过程。但是由于数控加工系 统和数控加工过程的复杂性，在设计和建立数控加工过程仿真系统的总体结构 时，不可能考虑所有与它们相关的因素。设计和建立数控加工过程仿真系统总体 结构的依据是制造业对数控加工过程仿真的功能需求。因此，下面是设计和建立 数控加工过程仿真系统总体结构的基本原则： 1 准确性 准确地表达数控加工系统和数控加工过程的功能和特点； 2 有效性 在保证数控加工系统和数控加工过程的功能和特点的前提下，简化系统结 构，使得设计和建立的系统可靠而有效 3 实用性 要满足实际工作中对数控加工过程仿真提出的要求，使设计和实现的数控加 工过程仿真系统具有实用价值： 4 可扩展性 随着科学技术的发展，实际工作中对数控加工过程的要求会越来越高，所以， 1 2 第三章数控仿真系统的总体结构 这里设计和建立的数控加工过程仿真系统要能方便地扩展，以适应新的需求。 3 4 2 系统的结构设计 数控加工的过程主要是数控机床在c n c 程序的驱动下带动刀具对毛坯进行 切削加工从而形成零件的过程。要对数控加工过程进行仿真，必须要有加工对象 和被加工对象。加工对象包括数控机床、刀具和夹具等设备：被加工对象包括要 加工的零件和相应的c n c 程序。根据数控加工过程仿真的功能需求分析可知，要 实现对数控加工过程的仿真，首先要建立加工设备的几何模型，包括：机床各零 部件的几何模型、机床整体设备的几何模型、被加工工件的几何模型、夹具的几 何模型；其次是建立加工设备的运动模型；然后建立加工过程仿真系统所用的刀 具模型【1 3 1 【1 4 】。 加工过程仿真系统的总体结构如图3 - 2 所示，它的主体是加工过程仿真模 型，是在工艺系统实体模型和数控加工程序的输入下建立起来的。其主要功能模 块如下： ( 1 ) 几何建模： 描述零件、机床( 包括工作台、托盘、换刀机构等) 、夹具、刀具所组成的 工艺系统实体。 ( 2 ) 运动模型： 描述加工运动和辅助运动。 ( 3 ) 数控程序翻译： 仿真系统读入数控程序，进行语法分析，翻译成内部数据结构，驱动仿真机 床，进行加工过程仿真。 ( 4 ) 碰撞干涉检查： 检查刀具与工件的干涉，刀具、夹具、机床、工件之间的运动碰撞等。 ( 5 ) 材料切除： 考虑工件由毛坯成为零件过程中形状、尺寸等的变化。 ( 6 ) 加工动画： 进行二维或三维实体动画仿真显示。 ( 7 ) 加工过程仿真结果输出： 输出仿真结果，进行分析，以便处理。 1 3 图3 _ 2 加工过程仿真系统的总体结构 如果要在某一已定义好的数控机床上对某一被加工零件的加工过程进行仿 真，则要完成以下的工作： ( 1 ) 对被加工零件进行装夹： ( 2 ) 在刀架上装上所需刀具： ( 3 ) 对n c 程序进行翻译，以驱动数控设备进行加工。 最后是实现对数控加工过程的仿真，主要包括： ( 1 ) 动态显示加工过程： ( 2 ) 加工刀具与其它设备的碰撞检测； ( 3 ) c n c 程序的检验与优化， 1 4 第三章数控仿真系统的总体结构 3 4 3 系统中各模块的设计 下面就数控加工过程仿真系统的总体结构中的各模块进行总体设计。 i 机床定义 完成机床设备模型的模块组装定义，并对其加工坐标轴的运动进行定义，从 而为数控机床设备模块建立了完整的几何及逻辑上的定义，为加工任务的定义作 好准备。因此，在机床定义模块中包含有几何模型建立和运动模型建立两部分。 图3 - 3 为机床定义的结构图。 圈3 - 3 机床定义的结构 2 刀具和夹具的定义和管理 可以对大量加工用的刀具和夹具的各种信息( 几何参数、标识、类型、物理 参数等) 进行定义和管理，它能够实现添加、删除、浏览、检索等功能13 1 。对于 某类型的刀具，其基本形状是一定的，当定义了它的几何参数后，便可以生成 相应的三维实体几何信息。因此，在刀具定义和管理模块中包含有刀具三维信息 的定义和修改模块、查询模块、实体显示模块和存储模块。于是，可以得到刀具 定义与管理的结构图，如图3 4 所示。 图3 - 4 刀具的定义和管理结构 1 5 第三章数控仿真系统的总体结构 3 加工任务的设置 包括装刀( 刀架预置) ，毛坯及夹具的装夹，零偏的设置，从而形成加工项 目的相应环境。加工任务设置模块中包括上述相应的三大模块，其结构图如图 3 5 所示。 恻3 - 5 加工任务设置结构 4 加工过程仿真 读取加i i 件的n c 程序进行分析处理，并根据n c 程序对加工模型中刀架上 的刀具进行检查，然后根据n c 程序的解释结果进行加工过程仿真，形成动画。 在仿真过程中进一步检验干涉碰撞情况，对出现干涉碰撞处的n c 代码作记录， 形成仿真报告文件，供用户修改n c 程序参考。图3 - 6 给出了加工过程仿真的结 构图。 图3 - 6 加工过程仿真结构 1 6 第三章数控仿真系统的总体结构 3 5 数控加工仿真系统中的关键技术 数控加工过程仿真系统中的关键技术包括以下几个方面： 1 加工设备建模技术 方面要准确地表达加工设备的特征，包括几何特征和运动特征，另一方面 要使模型能满足仿真功能和性能要求，如碰撞检测、加工过程的实时显示等。加 工设备是一个十分复杂的系统，所以，建立加工设备模型和使用加工设备模型都 是需要深入研究的问题。 2 刀具的定义、管理和加载 刀具在机械加工中占有及其重要的位置，尤其是在数控机床和c i 硒系统中， 刀具的管理和加载就更为重要。 3 c n c 程序的检查和优化 这是数控加工过程仿真系统的目标之一，检验c n c 程序的正确性、合理性和 有效性以及对c n c 程序进行优化是一项难度很大的问题。因此，研究工作的每一 步进展都将使c n c 程序的检验和优化技术向高效实用化迈出一步。 4 加工过程中的碰撞检测技术 干涉碰撞检验是加工过程仿真系统的一个重要功能。完善的仿真系统不仅要 检查刀具与工件的干涉与碰撞，而且应能检查刀具与夹具、机床工作台及其它运 动部件之间的干涉与碰撞，特别是机械手换刀、工作台转位时，更要注意干涉与 碰撞。干涉是指两个元件在相对运动时，它们的空间有干涉：碰撞是指两个元件 在相对运动时，由于空间有干涉而产生碰撞，从而造成刀具、工件、机床、夹具 等的损坏，是绝对不允许的。 5 c n c 仿真技术 当仿真完成并且数控程序得到校验、确实保证正确无误之后，数控代码可通过r s 2 3 2 c 串口直接从计算机传输到数控机床上，随后可在机床上高教、高质量地完成零件的加工。要 实现这一功能，关系到多进程并发和同步控制技术，进程之间的通讯技术【”l 。 3 6 数控加工仿真的基本流程 本文所开发的数控加工仿真系统是基于n c 代码驱动的三维仿真系统，要求 为用户提供与操作实际数控机床相同的加工效果，以培训用户的操作技能，同时 提供n c 代码的正确性和有效性检验，以及加工过程中的碰撞检验，其仿真的基 本流程如图3 7 所示。 第三章数控仿真系统的总体结构 3 7 本章小结 图3 7 数控仿真的基本流程 本章介绍了数控加工仿真系统的控制面板设计，根据数控加工过程仿真系统 的功能需求和数控加工设计及数控加工过程的特点设计和建立了数控加工过程 仿真系统的总体结构。然后对系统中各模块进行了设计，并提出了需要研究的理 论方法和关键技术。 1 8 第四章在线帮助系统 4 1 引言 第四章在线帮助系统 职业学校特别是高等职业技术学院培养的数控技术应用人才应既具备扎实 的数控技术理论知识，又要有熟练的数控机床操作技能，其中理论知识是基础 和前提。分析传统的教学过程，可以得出这样的结论：只讲不练( 教师满堂灌 式纯理论教学) 或只练不讲( 师傅带徒弟式的纯实践教学) 都无法培养出满足 社会需求的数控技术应用人才：分析学生的学习过程及学生心理，单调、枯燥 的教学手段和方法，容易使学生产生厌学情绪。多媒体数控教学平台可从根本 上解决传统教学的种种弊端，使教学过程由静态变动态，由单向变多向；教学 内容由单调枯燥变为丰富多彩，理论和实践的有机结合，使数控教学效果得到 最大限度的提高。数控教学平台除完成学生实际操作的模拟训练外，还要解决 有关数控理论及相关方面知识的传授及随时提供在线帮助等问题吲【2 3 】。 4 2 教学辅助( 帮助) 系统的内容 教学辅助( 帮助) 系统，在内容上除操作数控机床所必须的操作手册内容 外，还要尽可能地将有关数控技术方面及相关方面的知识集成进去；在形式上 除必要的文字外，还应有具体的动态演示功能。教学辅助( 帮助) 系统，可以 使学生方便地学到很多理论知识，同时，指导学生正确操作数控机床，较好地 解决数控理论与实践的有机结合问题。 数控教学平台的教学辅助( 帮助) 系统，主要包含以下内容： 1 数控技术基础：概述、数控机床结构、数控加工工艺、相关知识链接( 通 用机床、机床夹具设计、刀具等) 。 2 数控编程：概述、指令体系、指令代码、相关知识链接( 几种常用数控 系统指令代码) 。 3 数控机床操作：概述、操作面板、开机、主功能等、相关知识链接( 几 种常用数控系统操作系统) 。 4 仿真动画演示：f a n u c 系统、西门子系统、t d n c 系统指令的仿真动画演 示。 1 9 第四章在线帮助系统 4 3 帮助系统h t m lh e l p 帮助系统是应用软件不可缺少的一部分。它能帮助用户了解软件功能、掌握 使用方法并解决使用中遇到的疑难问题。因此制作帮助系统是应用程序设计中的 一个重要环节。 传统的帮助系统通常称作w i nh e l p 。从w i n d o w