数控模拟仿真软件在数控专业教学中的应用

                               史鸿鹄 

（河南省南阳工业学校   河南  南阳   473035）

【摘要】: 数控机床故障诊断与维修维护课程是数控技术专业主干课, 由于这门课理论性、实践性很强, 如采用传统教学方法, 教学内容很难为学生所接受。在数控机床故障诊断和数控机床原理等课程教学中, 应用一些行业相关的数控模拟仿真软件，如我校前期购置的南京斯沃数控仿真软件, 可更加直观、形象的展现一些机床内部的结构、工作原理等，有利于改善目前该课程教学实践环节效果不理想、效率低的现象, 并且有利于加强学生对数控结构的认识, 并提高数控机床的操作能力。

【关键词】: 数控; 仿真; 教学

数控机床是一套价格相对昂贵的设备, 数控实训基地建设投资较大, 同时, 学生直接在数控机床上进行系统操作练习, 容易因为误操作发生安全事故或损坏设备。而运用数控仿真操作软件辅助教学不仅有利于调动学生积极性, 还可以给每个学生提供动手操作机会, 从而达到预期教学目的。下边以我校前期购置的南京斯沃数控仿真软件为例，来加以说明。

1斯沃仿真操作软件原理和基本组成

斯沃数控机床维修仿真操作软件采用计算机仿真技术, 对数控机床机械、电气的装配、调试等过程进行模拟,操作员可以反复在电脑前身临其境地进行操作练习,是一种经济、可靠、有效的培训工具。软件产品按照国家机械类标准开发, 适用于数控技术、机电一体化等专业中数控机床电器控制、数控机床装备设计、数控机床故障诊断与维修、数控机床原理等课程的课堂教学及实践环节的应用。

系统以S iemens系统为开发模型, 结合三维仿真技术、信息技术、系统技术及其应用有关的专业技术,展示数控铣床的机构、原理及操作方法。同时采用较为先进的OpenGL 图形编程技术, 保证了系统运行性能。

2斯沃仿真操作软件的使用

2.1机床结构模块组成及应用

在机床结构模块中, 斯沃软件介绍了Siemens802C 铣床的机床机械结构、进给伺服系统、主轴传动系统、丝杠总成系统, 系统采用三维虚拟方式表达各系统部件以及它们之间的位置关系。

下面以主轴整体结构为例介绍机床结构模块的作用及使用方法。

图1. 主轴整体结构显示

图1为主轴整体结构显示图, 包括拉杆、编码器、主轴电机、皮带轮、轴承系统、打刀缸等几大组成部分,显示可以局部分别显示, 并且通过显示栏下面的控制小框实现局部显示或整体显示, 因此在教学工作中可以分别向学生讲述主轴结构中每个组成零件的局部结构细节,在机构中所处的位置, 并且对主要的部分进行了详细的讲解, 便于学生的认知及自学。          

结构图表达方式可以分为正常显示和透明显示两种形式, 此功能使图形的显示更加明了, 教师可以根据教学需要使图形表达更加符合教学要求。软件中对于安装机床的难点, 例如主轴安装图(图2), 进行详细分析, 清楚地表达了主轴安装的要素及安装部件, 提高了教学效果。此外操作模块中还具有框选、缩放、平移、旋转等基本功能, 能够全方位、多角度地展示机床的结构和零件的具体形状。机床结构模块在数控机床装备、机械制造技术等相关课程CA I(计算机辅助教学)中可以起到重要的作用: 在主轴传动系统、进给伺服系统、丝杠总成系统等

章节, 平面图形复杂难懂, 机构运动通常为多维, 因此在教学过程中不易在黑板和多媒体中展示各个系统的工作过程。机床结构模块可以解决教学中的以上难点, 并且软件中的图像录制功能可以在教学中起到良好的效果。

图2. 主轴安装图

2.2 电气模块的功能及应用

斯沃数控机床维修仿真操作软件中机床电气模块内容十分丰富, 软件提供了电气原理介绍、电器元件布局、电器元件接线布局、系统参数调试、变频器参数调试、伺服驱动器参数调试等多项功能, 满足了机床电气课程的基本要求。其中电器元件布局、电器元件连接、系统参数调试、变频器参数调试、伺服驱动器参数调试模拟了实际参数设置的过程和效果。

下面以普通电器元件布局实验为例介绍电气模块的应用方法。

普通电器元件布局实验是机床电气控制过程中的基本实现, 但由于数控机床设备较为昂贵, 连线复杂,在实际过程中通常没有学生的操作环节, 多以教师的演示为主, 因此难以达到满意的实验效果。而电气模块的电器元件布局实验, 可以通过软件实现电器的布局、连线以及电机运转的过程。

软件主要包括放置元件、连线、通电三个过程, 放置的元件包括多种型号的继电器、断路器、熔断器、接触器、电源、伺服驱动、变频器等, 元件种类齐全, 可以满足教学的需求。

 连线为模拟连线, 根据已知电气原理图, 可以通过不同的颜色表现实验中的各个模块。(见图3)通电过程与实际数控机床上电步骤保持一致, 软件展示了数控系统的连接过程, 通过模拟连接可以掌握真实的连接过程。

图3. 元器件选择

2. 3 电器模块使用实例

下面以冷却实验为例介绍电器模块的使用及功能。

( 1)电路图设计。

图4. 主电路

( 2 ) 实验元器件。实验元器件主要包括SIEMENS802C 铣床系统、交流接触器T1C10901、冷却电机DB - 12A、变压器GA85、端子排L1、S1、低压断路器DZ108- 20- D0.4、DZ47- 63- C6、DZ47- 63- C1、总电源开关HR - 31、开关电源S - 201 - 24、灭弧器3TX1- 31A03、继电器模块XA - 350、接地端子。

( 3)接线。首先要熟悉电气原理图, 找到和主轴实验相关联的接线部分。接线步骤主要如下:

1)总电源开关三相380V 到端子排L1 (上端进,下端出, 端子位置参照电气图), 从端子排到低压断路器DZ108- 20- D0.4(上端进, 下端出, 电气图里代号QF3) , 从低压断路器到交流接触器的1L1、3L2、5L3(上端进, 下端出) , 从交流接触器的2T1、4T2、6T3到端子排S1(上端进, 下端出, 端子位置参照电气图) , 从端子排到冷却电机。

2)总电源开关三相380V 到端子排L1 (上端进,下端出), 端子排到变压器变压到220V (非控制元器件的电压为220V ) , 两相220V (任意两相, 取U、W 两相)到端子排S1(位置根据电气原理图) , 端子排上U相到断路器DZ47- 63 - C6(上端进, 下端出, 电气图里代号为FU1) , 从断路器到开关电源的L端子, 端子排上W 相直接到开关电源的N端子, 两个开关电源并联, 其中一个开关电源只给系统供电源。

3)系统供电: 一个开关电源的24V 端子到系统的电源输入端子P24, 开关电源的COM 端子到系统的电源输入端子M。

4)另外一个开关电源的24V 端子到端子排S1(位置参照电气图) , 端子排到继电器模块的电源端子24V, 开关电源的COM 端子排S1(位置参照电气图) ,端子排到继电器模块的电源端子0V。

5)系统的X100和继电器模块的SO1信号端子相连接, 系统的X101和继电器模块的SO2 信号端子相连接, X200和继电器模块的SI信号端子相连接。

(4)参数设置。参数设置主要包括, 系统开机调试时, 主要参数的零位置; 接口定义, 输出为低电平有效设置; 冷却有效和主轴有效设置; 开机进给倍率设置和开机主轴倍率设置; 此外还包括单极性模拟主轴和配备倍率开关等基本设置。

通过本实验不仅可以识别元器件, 同时可以了解接线方式及系统参数总调。

3斯沃仿真操作软件的特点及不足

3.1产品的特点

(1)系统展示了数控机床的面板操作, 在真实操作之前通过计算机模拟操作数控系统面板, 可以节省实训的时间和成本, 提高实训效率。

(2)系统采用二维与三维结合的方式展示了数控铣床各零部件的结构和工作原理、电气原理、数控系统操作, 既提高了教学效率, 又可节省购买实物模型的费用。

(3)系统数据通过实验测试取得结果, 并经过理论分析, 确保系统的准确性和真实性。

 3.2产品的不足之处

(1)在数控机床模块缺少车床结构及传动原理,导致整个系统在教学中存在一定的缺陷。

(2)数控系统较为单一, 对于较为流行的FANAC系统以及国内较著名的广数( GSK )、华中世纪星(HNC)等系统没有进行开发和仿真。

参考文献

[1] 金初云, 姚建飞. 仿真软件在数控教学中的应用[ J] . 浙江交通职业技术学院学报, 2006( 3): 41- 44.

[2] 李河水, 袁建新. 机械数控加工仿真软件的教学应用[ J].南方农机, 2007( 1): 36- 37.

[3] 周国荣, 徐  伟. 数控加工仿真技术的研究[ J]. 机械研究与应用, 2004( 10) : 27- 28.

[4] 王海根, 蒋杨永, 王绍让. 数控仿真软件在数控实验中的应用[ J] . 机械与电子, 2005( 5): 66- 68.

[5] 徐  伟, 苏  丹. 数控机床仿真实训[M ]. 北京: 电子工业出版社, 2004.