虚拟仿真技术在数控专业中的应用分析
摘 要：本文就虚拟仿真技术在数控专业中的应用进行分析。虚拟仿真技术有效地弥补了传统教学的不足。借助虚拟仿真系统，既可以完成复杂理论的教学，使抽象、难懂的理论变得具体、形象，更可以应用于实操教学，使实操教学适当地摆脱对机床设备的依赖，拓展教学的时间和空间，让学生更容易掌握实操技能。
关键词：虚拟仿真技术 数控 应用
数控专业综合性和实践性强，涉及机床结构、编程与操作、数控原理等课程，涵盖了计算机技术、电力电子技术、自动控制技术、精密机械等多种學科。数控系统种类繁多，规格也各不相同。学校的设备一般受场地和资金所限，种类不多，学生实操的时间较短，知识一般较片面，对全面掌握相关的操作技能有较大的影响。近年以来，虚拟仿真技术获得了较快的发展，出现了各种各样与数控教学需求对接的虚拟仿真系统，恰当地选择和应用这些虚拟仿真系统，可以较好地解决数控专业教学工作中存在的各种问题，收到较为理想的教学效果。
一、虚拟仿真系统的作用
具体到数控来说，就是利用计算机图形技术、网络技术、人工智能等数控设备的工作环境和工作过程。目前，世界各国都在加工过仿真方面做出了各种努力，如美国的马里兰大学开发出了虚拟数控机床仿真器来对数控操作人员进行培训；同济大学和清华大学也开发出了国产的数控加工仿真动画系统。将虚拟仿真技术应用于数控专业当中，主要具有以下作用。
一是真实显示三维数控机床和操作面板，在虚拟仿真系统当中，可以真实地模拟出零件加工过程，通过三维动画展示切削详细场景。在该环境当中，可以完成基准对刀、手动对刀和零件切削操作，可以利用千分尺、卡尺等完成测量操作，甚至还可以根据零件图纸进行手工编程或CAD/CAM设计。
二是涵盖各类常见的数控操作系统，可以满足日常教学和适应不同数控系统的学习需要。
三是在虚拟仿真系统当中，可以完成回参考点、点动、快速移动、手动输入、编程、程序输入、进给倍率调节、模式选择等。可以说只要是实际机床上需要进行的操作，都可以在虚拟仿真系统当中实现。
四是在虚拟仿真系统当中，用户可以自由选择机床规格，自己确定工件毛坯的大小，自己选择刀具的形状和尺寸。可以对加工后的成品质量进行检测，加工完成之后，用户可以完成工件的三维测量，并检测零件表面的粗糙度，实现切削参数的验证。
当然，以上作用并不能在单一的系统当中全部达到，实际应用过程中需要灵活地进行选择和使用。整体来看，这些虚拟仿真系统都属于几何范畴的仿真，刀具和零件都被当成了刚体处理，没有考虑切削参数、切削力等物理因素的影响，单纯翻译的数控程序、刀具位置数据和刀架运动，没有实现真正的物理仿真。
二、虚拟仿真系统在数控教学中的应用
1.在理论教学中的应用
数控指令格式是严谨的，通过ISO代码所定义出来的轨迹与日常的感性认识并不相同，这给记忆造成了困难，借助虚拟仿真系统则可以将两者的不同真实地表现出来。如在FANUC OI系统当中，G02（G03）指令的功能就是使刀具沿圆弧从起点移动到终点，其中G02是顺时针插补，而G03是逆时针插补。由于插补时需要涉及两个方向、三个平面和多个参数，学生难以记清楚。借助虚拟仿真软件CIMCOEdit输入相关的程序代码，而后执行模拟功能，就可以在虚拟仿真窗口里直接看到刀具的运行情况，更改参数值还可以看到轨迹的变化，这将有助于学生正确理解编程之后刀具的运行轨迹，并能使学生通过该程序不断修正自己的程序设计，迅速提高手工编程能力。
2.在软件编程中的应用
CAD/CAM软件和自动编程是数控专业的基本技能之一，也是重要的教学内容。UG、PRO/e、CAXA等软件可以实现CAD/CAM的功能，其中的CAM模块还具有刀位点的计算、轨迹编辑、工艺文档生成等诸多功能，适用于各种复杂零件的粗、精加工。借助该软件，操作者可以按照加工表面形状、零件结构和加工精度要求，合理地选择加工类型。操作中，可以根据需要在图形方式下完成刀具路径的编辑和演示，对运动轨迹进行分析，模拟零件的真实加工过程，检测参数设置的准确性。
3.在实操教学中的应用
数控专业是典型的应用类专业，具有明显的岗位需求和职业能力需求特色，重视实践技能的训练。目前，越来越多的学校加大了数控设备的购置力度，校内实训条件有了较好的改善，但仍远远不能满足教学和实践的需要，实际教学中仍然需要“黑板上开机床，练习本上学编程”，学生的学习重理论而轻实践的现象没有得到根本上的改变，一旦上机操作危险性可想而知。由于学校数控机床数量少，实训时一名教师往往需要同时指导十多名学生进行操作，实训车间内环境嘈杂，如此多的学生围着同一台机床观摩学习，有的学生根本就看不到老师如何操作的，其教学效果可想而知了。与普通机床相比，数控机床的结构更为复杂和紧凑，过多的学生同时围绕同一台机床观摩，必然难以清楚地看到机床的工作机构和工作状态。在真正上机操作之前，借助虚拟住址系统，在计算机上完成模拟操作可以使技能训练达到事半而功倍的教学效果。现在国内已经出现了大量的数控加工仿真教学软件，如宇龙、宇航、斯沃等等。这些教学软件可以完成数控机床操作的全过程仿真呈现。
三、虚拟仿真实操具有三大优势
1.成本低
购置一台教学用的数控铣床价格为10万元人民币左右，两台机床所需要的费用就可以装配一个标准较高的、拥有40台高配电脑的新机房。基本上可以实现一人一机，保证学生都能熟悉设备，都有充足的时间来运行机床。由于一套仿真软件当中就包含了多种数控系统，教学时教师可以根据需要选择授课所需系统，学生则可以通过自学掌握其他的数控系统，有助于学生的自主探究能力、实践能力和创新能力的提高。
2.效果好
受实训空间限制，在操作真实机床时，学生难以观察到老师操作的细节过程，如如何对刀、如何设置工件坐标系等，在手轮模式、手动模式、增量模式的讲解过程中还要涉及试切、寻边器的使用等很多内容，知识点多且细碎，一定程度上影响了学生的学习效果，难以完成独立操作。使用虚拟仿真系统进行实操教学，既可以通过多媒体教室，使学生在自己的电脑上观看老师的操作过程，也可以将整个过程录制下来通过大屏幕播放，所有的学生都能清楚地看到详细的操作。在学生进行练习时，教师也可以通过自己的电脑监控学生的操作细节，实时了解学生的掌握情况，实时地给予反馈和指导。
3.安全性好
从实践来看，真实的数控操作对学生的操作技巧和熟练程度都有很高的要求，否则就容易出现安全事故。而虚拟仿真系统则大不相同，遇有操作失误，系统会及时报警，并提示错误的位置，这就可以避免安全事故的发生，有效地保障学生的人身安全。当学生在虚拟仿真系统当中经过重复练习，达到一定的熟练程度之后，再进行真实的机床操作，就会减少错误的发生，更好地保证学生的人身安全和设备安全。
综合运用好虚拟仿真系统，增强学生的学习自主性，再结合数控机床的系统实操训练，更便于学生理解和掌握，更容易更安全地掌握机床的各项操作技能，大胆地进行实践探索和实践创新。这些都将为培养实用型、创新型人才提供保障。
参考文献：
[1]孙慧.宇龙数控虚拟仿真在SIEMENS810D铣削系统中的应用[J].包头职业技术学院学报，2014，（15）.
[2]周文.虚拟仿真技术在中职数控教学中的应用[J].计算机光盘软件与应用，2013（8）.
（作者单位：茂名技师学院）