（机械制造及其自动化专业论文）集成在线帮助的数控仿真教学平台的研究和设计.pdf

摘要 本文以c a k 6 1 3 6 b 数控车床为基础，根据所采用的k n d 数控系统， 使用微软公司的v i s u a lb a s i c6 0 ，开发了在w i n d o w s 操作系统平台上运 行的模拟k n d 数控系统完整操作过程的仿真软件，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、图形仿真及程序检错的模拟 操作。利用h t m 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 及f l a s h 软件， 丌发了一个在线帮助系统，集成于仿真软件，实现了教与学有机结合的 集成在线帮助的数控仿真多媒体教学平台。并利用该平台构建了一个数 控仿真多媒体实验室。 本文共分为五部分：第一部分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数控人才，分析了社会对数控人爿的需求情况， 提出当前数控教学中存在诸多问题，引出课题：开发集成在线帮助的数 控仿真教学平台。第二部分分析了数控教学组织形式，指出传统的“黑 板+ 粉笔”教学模式无法培养出数控应用型人才，提出了多媒体教学与网 络教学的新形式，构建了数控仿真教学平台，提出了总体设计框架，分 析了系统的功能。第三部分介绍了数控仿真的种类、形式、研究现状， 以v b 6 0 软件为工具，根据数控机床的k i n d 数控系统采用“界面总体 设计，功能单独实现”的模块化设计方案进行总体设计，分析了各模块 的功能，设计了功能结构框图，分析了设计步骤与方法，提出了关键问 题的解决方案，指出了系统功能的可扩充性。第四部分利用m i c r o s o f t f 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 软件，制作了一个与数控仿真 系统集成一体的在线帮助系统。最后一部分利用开发的数控仿真教学系 统构建了一个数控仿真多媒体实验室，分析了其功能，总结了运行状况。 该仿真教学系统既可用于数控教学，为教师和学生提供一个良好的 学习环境，也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性。 关键词：数控机床仿真系统帮助系统教学平台 a b s t r a c t b a s e do nt h ec a k 6 1 3 6 bn cm a c h i n ea n di t sk n d s y s t e m as e to f o p e r a t i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r eb a s e do nv i s u a lb a s i c6 0u s e df o rt h i s k n dn cm a c h i n eh a s b e e nd e s i g n e d ，w h i c hc a nr e a l i z ep r o g r a me d i t i n g ， p a r a m e t e rs e t t i n g ，m a c h i n eo p e r a t i n g ，p r o c e s ss i m u l a t i o n a tt h es a m e t i m e ，b yt h et o o l so fh t m 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 ea n d f l a s h ，a no n l i n eh e l ps y s t e mb a s e do nc n cs i m u l a t i o nh a sb e e n d e s i g n e d t h u s ，c n cs i m u l a t i o nt e a c h i n gp l a t f o r mw i t ho n l i n eh e l p s y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e dw h i c hc a nb eu s e df o rt e a c h i n ga n dt r a i n i n g w i t ht h eh e l po ft e a c h i n gp l a t f o r mb a s e do nc n cs i m u l a t i o n ，c n c t e a c h i n gm u l t i m e d i as i m u l a t i o nl a bh a s b e e nd e v e l o p e d t h i sp a p e ri sc o m p o s e do ff i v ep a r t s t h er e s e a r c ho fc n ct e c h n i q u e t h a ti n d i c a t e st h eg r e a tn e e d so ft h ep e r s o n sw h om a s t e rt h et e c h n i q u e o fc n c ，a n dt h er e s e a r c ho ft e a c h i n gp l a t f o r mw i t ho n l i n eh e l ps y s t e m b a s e do nn cs i m u l a t i o na r ei n t r o d u c e di nt h ef i r s tp a r t t h es e c o n dp a r t p r e s e n t st h ec n ct e a c h i n gf r a m e w o r k ，p o i n t so u tt h a tt h et r a d i t i o n a l t e a c h i n gm o d eo f b l a c k b o a r dp l u sc h a l k c a nn o tc u l t i v a t et h ep e r s o n s w h oc a nm a s t e rt h et e c h n i q u eo fc n c ，b r i n g sf o r w a r dt h en e wf o r m so f m u l t i m e d i aa n dn e t w o r kt e a c h i n g ，d e s i g n st h et e a c h i n gp l a t f o r mb a s e d o nn cs i m u l a t i o n ，p u t sf o r w a r dt h ef r a m eo ft h ec o l l e c t i v i t y ，a n a l y s e s t h ef u n c t i o no ft h es y s t e m t h ev a r i e t y ，t h ef o r ma n dt h ep r e s e n ts t u d y s t a t u si nq u oo ft h en cs i m u l a t i o na r ep r e s e n t e di nt h et h i r dp a r t a n d t h e d e s i g n b a s e do nk n dn cm a c h i n ea n dt h em e t h o do f m o d u l a r i z a t i o no fi n t e r f a c e sd e s i g na saw h o l ea n df u n c t i o n si m p l e m e n t i n d e p e n d e n t l y ， u s e dt h es o f w a r eo fv b 6 0 i sa l s oi n t r o d u c e d f u r t h e r m o r e ，i tb r i n g so u tt h e f u n c t i o no fe v e r ym o d u l e ，t h et o t a l c o n s t r u c t i o no fc n cs i m u l a t i o ns y s t e m t h ep r o c e s sa n dt h em e a n so f t h ed e s i g n ，t h es o l u t i o no fk e yp r o b l e m s ，a n dt h ee x p a n s i b i l i t yo ft h e s y s t e mf u n c t i o n s t h ef o u r t hp a r ti n t r o d u c e st h eo n l i n eh e l ps y s t e m u s e dt h et e c h n i q u e so ff l a s h ，m i c r o s o f tf r o n t p a g ea n dh t m lh e l p w o r k s h o p t h e l a s t p a r t i n d i c a t e st h ec n ct e a c h i n gm u l t i - m e d i a s i m u l a t i o nl a ba c h i e v e db yt h et e a c h i n gp l a t f o r mb a s e do nn c s i m u l a t i o n ，a n a l y s e si t sf u n c t i o n sa n ds u m m a r i z e si t so p e r a t i n g c o n d i t i o n t h es y s t e mc a nb eu s e df o rb o t hs i m u l a t i n go p e r a t i o na sak i n do f i n s p e c t i o ni na d v a n c eb e f o r er e a lc u t t i n gp r o c e s s i n ga n dc n c t h e o r e t i c a lt e a c h i n gt oo f f e rag o o ds t u d ye n v i r o n m e n tf o rt e a c h e r sa n d s t u d e n t s k e yw o r d s ： c n cm a c h i n et o o l ，s i m u l a t i o n s y s t e m ，h e l ps y s t e m ， t e a c h i n gp l a t f o r m 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，也不包含为获得叁壅盘堂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 起未礼 签字f 期：2 d o 阜年j 2 月2 0f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨凄盘鲎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、缩印或扫拙等复制手段保存、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：赵禾彳l j 导师签名 签字f 1 期：2 0 0 4 年2 月2 0 同 签字r 期z 一舻，乙月乙一同 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 1 1 1 数控技术的发展概况 数控技术是现代制造技术的核心，数控技术的发展与应用、数控机床 的制造能力、拥有量及装备水平，是衡量一个国家工业现代化和综合国力 的重要标志，是国民经济发展和国防尖端建设的实力标志和根基。 随着我国经济的发展和科技的进步，国内各行各业对机床工具行业提 出了更高的要求，数控化、智能化、自动化、集成化越来越成为机床工具 产品发展的主流，特别是数控机床的市场需求呈逐年递增的趋势，迫切需 要数控技术的使用型、应用型和研究型人才，这就对数控人才的培养提出 了更高的要求忙j 。 一、数控技术的发展历程 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f 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h n “。 二、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1 5 。各种机械产品迅速更新换代、日益多样化，而数控机 床一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 第一章绪论 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。 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 5 1 。 三、数控技术发展迫切需要数控技术人才 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 。我国机床拥有量达4 0 0 万台，而其数控化率不到2 0 。值得注意 的是，在我国现有的有限数量的数控机床( 大部分为进e l 产品) 中，还有很 多未能充分利用。 从数控产品的特征来看，在其开发、生产、销售到使用与维护的整个 过程中，都与数控技术密切相关，在各个环节需要有不同业务规格的数控 人才参与j 。 1 数控产品的开发人才 数控技术研究和开发是在高新技术背景下进行的，这就需要一大批具 有数控基本知识和能力的高素质人才去促进研究开发的突破。我国目前虽 然已有几十家数控系统开发公司，但除了五、六家公司形成自主产业外， 大多步履维艰。即使是初步形成规模的数控系统公司，其产品也只能在二 流机床厂使用。现在数控系统主要使用的是同本的f a n u c 、德国西门予 f s i e m e n s ) 和美国a b 公司的产品等。造成这种局面的原因很多，一个主要 原因是缺乏高素质的数控人才。数控技术产业竞争，实际上是数控丌发人 第一章绪论 才的竞争。 2 数控产品的试验与检验人才 任何产品生产组装完成盾，都需要经严格的试验才能出厂。数控产品 是高科技密集型产品，不能靠传统的度、量、衡来检验，必须由专门的技 术人员用专用工具、设备经过复杂的过程才能完成。我国约有几十家数控 系统研究单位，上百家机床厂生产数控机床和相关数控设备，因此，对数 控的试验与检测人才需求量很大。 3 数控产品的销售与售后服务人员。 4 数控设备的操作与维修人才。 数控设备技术含量高、价格昂贵，如何最大限度发挥数控设备的经济 效益，这是用户单位十分关心的问题。如果购买后，因为操作不当或维修 不及时，势必给企业带来很大的损失。从国外的情况看，设备的维护和小 故障的维修都是由操作者完成，这对操作者的要求也相应提高了，如果不 通过专业的教育和培训是难以胜任的。数控技术是集机、电、液、光、计 算机、自动控制技术为一体的综合技术，我国迫切需要数控技术的使用型、 应用型和研究型人才。在国外，高等学校和职业学校都有完善的数控教学 和实验设施体系，并有专业公司生产提供的各种教学培训装置。在我国， 由于数控机床价格昂贵，不可能在教学中普遍使用，因而我国的数控技术 教学往往只限于课堂教学，缺乏必需的实践教学环节，培养出的数控人才 很难适应岗位的需要m j 。 1 1 2 数控人才需求分析 数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础；数控技 术的应用是提高制造业的产品质量和劳动生产率必不可少的重要手段。数 控机床是国防工业现代化的重要战略装备，是关系到国家战略地位和体现 国家综合国力水平的重要标志。 加人世贸组织后，中国正在逐步变成“世界制造中心”。为了增强竞争 能力，中国制造业开始广泛使用先进的数控技术。同时，劳动力市场出现 数控技术应用型人才的严重短缺，媒体不断呼叹“高薪难聘高素质的数控 技工”。数控人才的严重短缺成为全社会普遍关注的热点问题。教育部统 计资料表明，未来几年，我国数控技术方面的人才缺口达6 0 万人。教育 部、社会保障与劳动部等六部委联合启动了紧缺人才培养工程，全国共有 9 0 所学校参与其中。作为四大紧缺人才之一，数控技术应用方面的人才的 匮乏，已成为制约我国制造业发展的主要因素。 第一章绪论 调研显示，数控技术三个层次人才需求如图1 1 所示： 圈1 1 数控人才比例 1 蓝领层 数控操作技工：需要掌握机械加工和数控加工工艺知识，熟练掌握数 控机床的操作，了解自动编程和数控机床的简单维护维修。适合中职学校 组织培养。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。 2 灰领层 ( 1 ) 数控编程员：需要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，熟练掌握三维c a d c a m 软件，如 u g 、p r o e 等，熟练掌握数控手工和自动编程技术：适合中职、高职以及 本科学校组织培养。适合作为工厂设计处和工艺处的数控编程员。 ( 2 ) 数控机床维护、维修人员：需要掌握数控机床的机械结构和机电 联调，掌握数控机床的操作与编程，熟悉各种数控系统的特点、软硬件结 构、p l c 和参数设置；精通数控机床的机械和电气的调试和维修。适合高 职和中职学校组织培养。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，需要大 量实际经验的积累，目前非常缺乏。 3 金领层( 数控通才) 具备并精通数控操作技工、数控编程员和数控维护、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，知识面很广；精通 数控机床的机械结构设计和数控系统的电气设计，掌握数控机床的机电联 调；能自行完成数控系统的选型、数控机床电气系统的设计、安装、调试 4 第一章绪论 和维修；能独立完成机床的数控化改造，是企业( 特别是民营企业) 的抢 手人才。适合本科、高职学校组织培养。但必须提供特殊的实训措施和名 师指导等手段，促其成才。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。 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，但相对比例将会有所下降，对其知识和能力要求会越来越高，灰领层 数控人才需求的相对比例将会增加。垒领层数控技术人才的需求更加迫 切。 不同层次人习所需知识与能力结构不同，因而培养方式不同。需求量 晟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，且影响下常生产，国内 绝大多数企业主耍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控应用人才匮乏的局面。 1 1 3 数控教学中存在的主要问题 虽然我国各类职业学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，主要有三方而原因： 一、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q k 急需数控机床的编程、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。 二、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 数控专业帅资，特别是同时具备相应理论知识和丰富实践经验的数控 第一章绪论 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。 三、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，也有设各种类和 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合技术，没有实践体 验很难获得良好的教学效果。这就要求必须采用一种更适合学生理解接 受的教学形式，集多媒体、交互、在线帮助于一体的数控仿真系统，帮助 学生掌握数控技术理论知识的同时，检验编程的正确性，观察刀具轨迹的 加工过程。 基于上述问题，本课题构建了一个集教学、培训于一体，使教与学有 机结合的集成在线帮助的数控仿真教学系统，并运用该教学系统构建了一 个多媒体数控仿真实验室。 1 2 本课题的研究内容 1 2 1 数控机床仿真系统 根据沈阳数控股份有限公司生产的c a k 6 1 3 6 b 所采用的k n d 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 2 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 、v b 6 0 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。 第一章绪论 1 2 3 多媒体数控仿真实验室 利用开发的数控仿真系统建设一个多媒体数控仿真实验室，充分利用 现代多媒体教学的趣味性、形象性，激发学生的学习兴趣，提高数控教学 质量【7 l 。 1 3 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诸多问题，引出本课题研 究内容：构建个教与学有机结合的集成在线帮助的数控仿真教学系统， 并运用该系统构建个多媒体数控仿真实验室。 第二章数控仿真教学平台的总体设计 2 1 引言 第二章数控仿真教学平台的总体设计 随着数控技术的发展，社会对数控人才的需求量很大，而传统的“黑 板+ 粉笔”教学模式无法培养出动手能力强、理论知识扎实的数控应用型 人才。为此，分析数控教学的形式，提出改进教学的方法，研究开发数控 仿真教学系统。 2 2 数控教学形式 2 2 1 数控教学传统形式 教学的组织形式是关于教学活动应怎样组织，教学的时问和空问怎样 有效地加以控制和利用的问题。它并不是一成不变的。历史上曾出现的教 学组织形式有：个别教学、班级教学、设计教学法和道尔顿制等。此外， 教学的辅助组织形式有现场教学、个别指导等 引。 当前，数控教学的组织形式也主要是以班级授课制为主，以现场教学、 个别指导为辅。在数控技术的课堂教学中，除了要传授该专业应具备的机 械、电子、电气、液压、气动及计算机等相应基础知识之外，还要加强数 控专业课程的教学，应把数控原理、数控编程、数控机床作为三门主干课 程来体现其专业性 3 9 1 。 在数控课堂教学中，学生对以下问题反映比较普遍： 1 数控技术基本概念多、g 代码零散繁多，学习比较枯燥、乏味。 2 流程图多、算法多，板书费时。 3 完成某一功能的编程实现方法多样。 4 教学过程中的程序运行结果是教师用语言进行描述，学生没有一 个直观的了解一j 。 由于以上问题的存在，单纯利用传统“黑板十粉笔”的教学方式进行数 控课程的教学，教学效果很差，培养不出合格的数控人才。为提高教学效 果，必须对传统的教学方式进行改革f 1 。】。 2 2 2 数控教学的新形式 一、多媒体教学 第二章数控仿真教学平台的总体设计 利用多媒体技术教学是一种现代化的新型教学模式，它主要通过文 字、声音、图形、图像、动画、视频等方式对学生的感官形成多种刺激， 使教学内容生动活泼，激发学生的学习积极性，有效地突破教学中的重点、 难点，提高学习效率【l0 1 。与传统的“黑板十粉笔”教学方式相比，应用多媒 体进行数控教学的优势在于： 1 可以把理论教学与实践教学有机结合起来 在传统的数控教学模式中，因教学手段落后，往往很难将理论与实践 有机结台起来。而运用多媒体技术可以实现数控仿真实验，通过图形、图 像、声音、动画等多媒体形式，借助教学软件仿真数控实验全过程，学生 可以随时在电脑上“重温”实验过程。这样不但节省实验经费，而且不受时 间、空间的限制。教师在多媒体课堂进行教学时，可边讲解理论知识边演 示实验步骤；而学生在多媒体课堂中，既能学到必需、够用的数控理论知 识，又能掌握数控操作技能，做到省时、省力、省财。 2 可以充分发挥学生的主体作用 提倡主体性教育，是适应素质教育的现实需要，也是当前教育改革的 必然趋势。多媒体教学把电视机所具有的被动视听功能与计算机主动交互 功能有机结合，产生出新的图文并茂、丰富多彩的人机交互方式。在这种 交互式学习环境中，学生可按自己的学习基础选择适合自己水平的数控理 论学习和数控操作练习模式。这种交互式的教学过程充分激发学生的学习 兴趣，使学生产生强烈的学习欲望，从而形成良好的学习动机，主动地参 与数控教学活动，转变以教师为中心为以学生为中心的教学模式【l “。 3 可以更好地体现因材施教的原则 因材施教的根本目的在于充分发挥人的潜能，提高人的憨体素质，不 同资质的学生都能得到充分发展。由于学生的生活环境、经验水平、知识 能力与思维方式的不同，在理解数控教学内容，特别是在数控编程方面存 在着必然的差异。传统的数控教学忽略了学生的个体差异，对全体学生是 一个标准、一种模式，很难实现因材施教的原则，一方面抑制学生的智力 发展，另一方面使后进生感到学习吃力，很难达到教学目标的要求。利用 多媒体教学可以有效地对教学信息进行组织管理，使不同学生得到不同的 发展，从而促进人的个性的发展1 1 “。 二、网络教学 网络教学，就是在线学习或网络化学习，即在教育领域建立互联网平 台，学员通过个人计算机上网，利用网络进行学习的一种全新的学习方式。 第二章数控仿真教学平台的总体设计 这种学习方式离不丌由多媒体网络学习资源、网上学习社区及网络技术平 台构成的全新的网络学习环境。 在网络教学平台上除了丰富的多媒体学习资源外，还有针对性很强的 各种助学活动】。 其表现形式有以下几种： 1 网上答疑室 2 视频直播答疑 3 双向视频答疑 4 文本答疑、讨论1 1 5 1 网络教育实现了交互式合作学习、个性化学习 16 1 。 为了克服传统“黑板十粉笔”的教学方式，发挥多媒体教学、网络教 学的优势，提高数控课程教学效果，研究开发了数控仿真多媒体教学系统 i ”】 2 3 数控仿真教学系统的研究现状 目前，国内外对数控机床仿真教学系统的研究已取得较大进展，如南 京宇航、上海宇龙、广州红地、广州超软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促进作用。但多数 数控机床仿真系统与学校原有的数控机床往往不配套，且人机交互性较 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 立一个集成在线帮助系统，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。 2 4 数控仿真教学平台的总体结构 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，一方面要有模拟工厂环境的实训基地，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，利用数控仿真系统教学，是解 决数控设备数量少、提高教学效果的有效途径。另一方面在数控机床操作 过程中，操作者可能要求在线帮助，以解决随时遇到的理论问题，这就需 要给数控仿真系统集成一个教学帮助系统。因此，数控仿真教学平台由数 控仿真系统、在线帮助系统组成。 沈阳数控股份有限公司生产的c a k 6 1 3 6 b 所采用的k n d 数控系统数 第二章数控仿真教学平台的总体设计 控仿真教学平台的总体结构如图2 1 所示： 2 5 系统的功能分析 图2 - 1 仿真教学平台的总体结构 2 5 1 机床仿真操作系统 根据沈阳数控股份有限公司生产的c a k 6 1 3 6 b 所采用的k n d 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t f 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 第二章数控仿真教学平台的总体设计 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18 1 。 2 5 2 在线帮助系统 充分利用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，机床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。 2 6 小结 本章分析了数控教学组织形式，指出传统的“黑板+ 粉笔”教学模式 无法培养出数控应用型人才，提出了多媒体教学与网络教学的新形式。为 提高数控课程教学效果，构建了数控仿真教学平台，提出了由数控仿真操 作系统、在线帮助系统组成的总体设计框架，分析了各系统的功能。 第三章数控仿真操作系统的构建 3 1 引言 第三章数控仿真操作系统的构建 数控机床加工零件是靠数控指令程序控制完成的。为确保数控程序的 丁f 确性，防止加工过程中干涉和碰撞的发生，在实际生产中，常采用试切 的方法和轨迹显示法，但都具有相当大的局限性。为此，人们一直在研究 计算机仿真方法，目前正向提高模型的精确度、仿真计算实时化和改善图 形显示的真实感等方向发展。同时，在数控培训时，计算机仿真也可以发 挥它方便、占用场地小、安全、真实感强的特点，从而培养出更多合格优 秀的数控人才。 3 1 1 数控仿真的种类 数控仿真是指用计算机来仿真数控加工过程，可归纳为以下几个方 面： 1 刀具中心的运动轨迹仿真 此种仿真可在后置处理前进行，主要用于检查工艺过程中加工顺序的 合理安排、刀具路径的优化、刀具与被加工工件轮廓的干涉等。例如，铣 削加工时，刀具半径应小于被切轮廓的最大曲率半径等。若在后置处理后 进行，则除上述作用外，还可检查数控编程的正确性，显示加工过程，使 操作者方便地了解和监视加工状况，这在有冷却液的封闭加工状念时是十 分必要的。这种仿真一般采用动面显示的方法，该方法比较成熟且有效， 应用普遍。 2 刀具、夹具、机床、工件间运动千涉( 碰撞) 仿真 工艺系统由刀具、夹具、机床和工件四个环节组成，在机床上加工， 有换刀和转位等运动，因此在加工时，应检查它们之间的干涉情况。由于 加工是一种动态过程，刀具、夹具、枧床、工件之间的相互位置是变化的， 工件从毛坯开始经若干工序加工，在形状和尺寸上均有变化，因此要进行 动态仿真。这种仿真多采用三维实体几何模型仿真，并且要在工艺系统各 组成环节均已确定的情况下进行，难度较大。 3 质量分析仿真 第三章数控仿真操作系统的构建 此种仿真带有专题性质，是针对某些质量问题进行预检查，如在加工 前，用计算机检查零件轮廓尺寸与位置精度是否与设计要求一致，表面粗 糙度能否达到要求，若不能，应采取何种措施。 4 t 艺过程布局仿真 对一些复杂的关键零件，常采用多台机床组成的流水生产线或柔性制 造系统进行加工，这时可进行时间定额分析、生产节拍计算、机床配置和 布局等仿真。 目前在计算机集成制造系统中，多在加工中心上进行加工，加工仿真 主要是刀具运动轨迹及工艺系统各组成环节间的运动干涉仿真，前者称为 刀位仿真，在后置处理前进行；后者称为加工过程仿真，在已有加工程序， 己确定机床、夹具、刀具等情况下进行。 3 1 2 数控仿真的形式 根据目的和要求，可进行不同形式的仿真，现有的数控仿真有二维动 画显示仿真和三维实体几何仿真。 1 二维动画显示仿真 特点是二维的，与二维工件图纸一样，简单方便，但由于加工多是三 维的，必有一视图不清楚，这时要用两个二维视图实现。由于二维动画显 示易行，因此应用广泛。在求算平面刀位轨迹、优化刀具运动轨迹时较有 效；对一些三维仿真可分解为二维仿真来实现。 2 三维实体几何仿真 三维实体几何仿真较理想，效果好，是目前研究热点和发展趋势。但 开发难度大、运算工作量大。主要表现为以下几个方面： ( 1 ) 工件、刀具、机床、夹具都要进行三维实体造型，建模复杂。 ( 2 ) 加工过程是一动态过程，且往往是连续加工，进行动态连续过 程描述难度较大。在将毛坯加工成零件的过程中，其形状和尺寸会随工序 而变化，从而增加了仿真难度【2 叭。 3 1 3 数控仿真的研究现状 目前，仿真和建模技术已成为制造系统设计、分析和运行的重要工具， 同时作为生产计划、作业调度的辅助决策工具也得到越来越广泛的应用。 第三章数控仿真操作系统的构建 目前有许多商品化c a d c a m 软件系统，如：i d e a s 、u g 、p r o e 、 s i o r a h n c 等系统中，开发了以二维图形或三维图形为基础的图形数控 编程工具和刀具轨迹生成工具，具备零件加工过程的计算机仿真功能。例 如u g l 0 4 以上版本提供了强大的刀具轨迹模拟功能，检验走刀路径，发 现加工中的不合理，如少切和过切等。另外，p r o e 也提供了类似的数控 加工仿真模块。这类软件开发成本高，不易推广使用。 国内在这一领域的研究工作开展的较晚，目前有华中理工大学开发的 应用于c a d 中心曲面造型系统中的数控铣削加工切削仿真系统，哈尔滨 工业大学丌发的三轴数控铣削仿真系统，天津大学的回转类零件的 c a d c a m 集成系统等。对数控车削加工仿真的研究还不多见，且多为二 维图形显示，具有较大的局限性。在数控加工过程仿真方面，李悦对数控 加工过程三维仿真技术进行了研究1 2 ，徐震对基于虚拟设计的模块化数控 机床仿真系统进行了研究 2 2 1 ，王国锋对基于虚拟现实技术的数控车削智能 仿真理论与方法进行了研究【23 1 ，弓占勇对数控机床结构模态分析与铣削力 仿真方法进行了研究【2 4 1 ，曹文杰研究了基于刀具数据库的数控车削仿真系 统【25 1 。 为了提高加工过程仿真系统的性能，科研人员在理论方法和相关技术 上作了大量的研究，集中在以下几方面： 一、仿真系统总体结构设计 早期的仿真系统是基于线框模型的图形仿真系统。毛坯和刀具的线框 模型，以及由于刀具的运动而产生的轨迹都显示在计算机屏幕上。这种系 统不能清晰地表示出加工过程的情况。随着计算机速度和可视化技术的发 展，后来出现了基于实体模型的加工过程仿真，加工过程仿真系统不仅应 该对切削刀具和工件仿真，还应该考虑其加工环境。在c i m s 加工过程仿 真中，还应该考虑与控制系统通讯的问题。 在国内，数控加工过程仿真的研究还处于初级阶段，所以首先急需设 计出数控加工过程仿真系统的总体结构，确定研究方向，加强关键技术的 研究，以满足制造业对数控加工过程仿真的需求。 二、数控机床( 或加工中心) 等机械设备的几何建模 机械设备的几何建模包括零件的几何建模和设备的几何建模。在单个 零件的几何建模方面，一般以c s g 表示和b - r c p 表示或者是两者的混合 表示为基础的建模方法为主。建模方法有简洁易行的平扫法、回转法，还 第三章数控仿真操作系统的构建 有特征造型法和参数化造型方法。在机械设备的建模方面，一般采用两种 方法来表示装配体中组成元件之间的相互关系。一类是直接存储元件之间 相互位置信息，如存储齐次变换矩阵等。其缺点是交互式输入各元件的齐 次变换矩阵很困难，而且容易出错。第二类方法是只存储装配体组合元件 之间的配合、连接等装配信息，确定元件相互位置的齐次变换矩阵是由这 些信息计算出来的。这种方法的缺点是利用配合关系计算组成元件的齐次 变换矩阵需要解大量见余方程。因此，在建立设备的几何模型方面，需要 解决的问题是要求装配的交互过程简单易行，另一方面要求装配过程的内 部求解快速有效。但是对数控机床的几何表达模型的研究还很少。数控机 床有它自己的结构特点和运动特点，数控机床的几何表达模型既要能准确 有效地表达出数控机床的几何特点，又要能适应加工过程中的快速显示， 还要便于描述机床的运动，建立它的运动模型。 三、数控机床( 或加工中心) 的运动学建模 在计算机辅助建模方面，以齐次变换法应用最为普遍。其中求解运动 方程的方法有几何法、数值法和解析法三种。数值法的求解效率较低且难 以处理机构退化的情况，几何法只局限于特殊的机构位形，而解析法又要 求解三角方程，一般需要人的直觉知识去指导求解。而数控机床的运动表 现在它的数控轴的运动以及刀架、主轴和托盘的运动，它们的运动有其固 有的规律，而且它们都是在n c 指令控制下的运动。 四、刀具管理和规划 在机械加工过程中，刀具起着重要的作用，也是主要的研究对象之一。 在生产规划阶段，特别是对于c i m s 加工系统或f m s 系统的问题对整个生 产方案就有较大的影响。对于刀具的管理，目前已有一些研究，研究内容 主要集中在刀具库存储管理、刀具标准化、刀具的加工设置。在加工过程 中，对刀具的最优加工条件，刀具流和刀具的磨损监控等问题，人们也提 出了一些模型、理论和方法。阐述了f m c 控制系统中的刀具库管理方法， 该方法使f m c 控制系统在刀具流方面能够容易地满足f m s 和c i m s 的要 求。虽然有关刀具的问题涉及的因素往往很复杂，但针对一些具体情况提 出的理论和方法往往是很有效的。 五、运动物体的碰撞千涉检验 运动物体的几何碰撞干涉检验算法的研究在图形学、运动物体仿真和 规划以及制造系统的编程与控制中占据重要地位。由于任何碰撞干涉检验 i r 第三章数控仿真操作系统的构建 都是通过表示物体的模型进行的，因此，干涉检验算法一般可根