数控教学系统研究现状与存在问题

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【摘要】本文分析了目前国内外数控教学系统研究概况以及目前国内数控技术及数控教学系统的现状，针对其不足提出了基于WEB的数控机床教学系统。

【关键词】教学系统；WEB；数控机床

1.前言

数控技术是制造业实现自动化、高效集成生产的基础，也是提高劳动生产率和产品研制周期的重要手段；制造装备的大规模数控化，使企业急需一大批数控编程、数控设备操作以及维修人员，而传统的机床培训设备存在集成度低、培训效率低等问题，已经不能满足不断增长的数控培训需求，网络辅助教学应运而生。

2.国内外数控加工仿真的研究现状

国际上关于数控加工仿真的研究是从七十年代开始的，其目标都是试图将数控加工过程以图形方式直观形象地表现出来，从而检查加工程序中的错误，即所谓的图形仿真验证。

早期多数CAD/CAM采用了一种比较简单的方法，即用线框图来实现数控加工仿真和验证。在实际验证时，刀具轨迹通过显示刀位点之间的矢量来进行模拟，刀具的线框图也能显示出来，再加上所加工的线框显示，刀具所加工的部位和加工方式都可以比较清楚地反映出来。但是，一旦零件比较复杂，表示零件和刀具轨迹的线框图就会互相重叠，难以辨认工件的实际形状和刀具的加工轨迹。使得检查工作变得十分困难，甚至完全不可能[1]。

正因为这样，后来的研究大多采用实体模型表示法。实体造型中最常用的方法有：边界表示法（B-Rep）、体素构造法（CSG）、混合建模法（Hybrid Model）和空间单元表示法[2]。

在实现数控加工仿真的方法中，最基本的就是应用实体造型中的布尔运算。这一技术的实质是通过执行工件模型与代表刀具运动的扫描体序列模型之间的直接（物空间）布尔差操作来完成仿真加工过程[3]。这种方法最大的缺点是它的计算量过于复杂，几乎不能投入实际应用。

因此许多人开始使用离散实体模型的方法来改进仿真执行的速度。又根据离散方法的不同，产生了物空间布尔运算（Object Space Boolean Operations）和象空间布尔运算（Image Space Boolean Operations）两种布尔操作手段。

但是，这种方法的运算量还是相当大的，依然不能保证实时的仿真效果。通过将实体离散在象空间进行布尔操作，可以比较明显的改进NC仿真的效率。该方法使用z-buffer消隐思想，将实体按象空间的像素离散为z-buffer结构。这样计算被简化为视线与代表实体的图像空间的表面的求交。沿着每一条视线，布尔运算可以在一维空间进行。所以具有比较快的运算速度。

数控仿真软件主要分成两种，一种是集成到CAD/CAM软件中的，如国外的Pro-E、Ideas、Mastercam等软件和国内的北航海尔软件公司的CAXA、天津大学[4]的“回转体零件的CAD＼CAM系统”等都集成了加工轨迹仿真的功能；另外一种是独立的数控加工仿真软件，如华中理工大学数控技术研究所[5]的“NC铣削加工切削过程仿真系统”；哈尔滨工业大学[6]的“基于微机的三轴数控铣削仿真系统”等。这些软件借助于强大的三维造型功能，采用实体造型的方法实现了数控加工过程的仿真。

总体来讲，以上仿真软件的共同特点是专业技术性强，集成化程度高，集CAD/CAM于一体，但价格昂贵；虽然融合了刀具轨迹的三维、二维仿真技术，但并不适用于数控编程和机床操作人员的培训。

3.数控教育与培训的发展现状

目前，数控技术人才来自两种渠道，其一是由高等院校、中职学校的数控专业培养具有一定学历的人才；其二是社会上有关培训机构及院校开办的各种中短期的数控培训班培训的人才。然而，虽然我国各高校、高职、中职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，主要原因如下：

（1）我国经济快速发展，逐步成为世界制造中心

进入新的世纪以后，随着我国综合国力的进一步增强，我国经济全面与国际接轨，并正在成为全球制造业的中心，这必然对掌握现代信息化制造技术的技术人才、特别是对大量的一线技术工人形成了巨大的需求。

（2）教学体系结构不能满足数控用人单位的需求

很多学校把实训重点放在数控机床操作方面。事实上，数控机床是一种先进的自动化设备，其操作非常简单。用人单位真正需要的人才应该具备精通数控加工工艺（如工艺路线选择、刀具选择、切削用量设置等）、模具设计、CAD/CAM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、维修技术等工程素质。

（3）数控教材更新缓慢，数控师资力量有待进一步提高

目前，可供数控系统原理、数控机床机电控制技术、数控机床故障诊断与维护和数控人才实训等课程选用的教材还有限。而且，许多现有数控教材内容比较陈旧，结构上也存在一定的缺陷，根本不适合用于培训企业急需的高水平实用人才。现在各学校的数控教师主要是从事各高校机械或机电专业毕业的本科生或硕士研究生。这些教师具有一定的基本理论知识，但数控实践能力欠缺。

（4）数控实训设备的数量不足，设备种类少

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培训基地。各院校为了与企业尽可能保持一致，以达到培训效果，在培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，而且培训基地往往以加工设备配备进口数控系统为主，由于数控设备昂贵，学校购置数量有限，没有实践体验很难获得良好的教学效果。因此，对于数控培训我们要用专门的数控培训设备。这样既可以减少经费开支又能够实现对学员数控机床操作和维护能力的培养。

4.数控教学系统的不足

目前，在国内制造企业里使用得比较多的数控系统有西门子系列、FANUC系统，所以国内数控培训系统开发商主要也是针对这两种数控系统进行产品开发。自从发明了数控机床以后，与其相生相伴的数控机床培训系统大致经历了三个发展阶段：直接利用加工机床培训（传统）、利用数控机床培训平台培训（主流）、利用网络化数控机床培训平台培训（方向）。结合现有数控培训平台的现状，现将其不足之处总结如下：