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數(shù)控模擬仿真軟件在數(shù)控專業(yè)教學中的應用

                               史鴻鵠 

（河南省南陽工業(yè)學校   河南  南陽   473035）

【摘要】: 數(shù)控機床故障診斷與維修維護課程是數(shù)控技術專業(yè)主干課, 由于這門課理論性、實踐性很強, 如采用傳統(tǒng)教學方法, 教學內容很難為學生所接受。在數(shù)控機床故障診斷和數(shù)控機床原理等課程教學中, 應用一些行業(yè)相關的數(shù)控模擬仿真軟件，如我校前期購置的南京斯沃數(shù)控仿真軟件, 可更加直觀、形象的展現(xiàn)一些機床內部的結構、工作原理等，有利于改善目前該課程教學實踐環(huán)節(jié)效果不理想、效率低的現(xiàn)象, 并且有利于加強學生對數(shù)控結構的認識, 并提高數(shù)控機床的操作能力。

【關鍵詞】: 數(shù)控; 仿真; 教學

數(shù)控機床是一套價格相對昂貴的設備, 數(shù)控實訓基地建設投資較大, 同時, 學生直接在數(shù)控機床上進行系統(tǒng)操作練習, 容易因為誤操作發(fā)生安全事故或損壞設備。而運用數(shù)控仿真操作軟件輔助教學不僅有利于調動學生積極性, 還可以給每個學生提供動手操作機會, 從而達到預期教學目的。下邊以我校前期購置的南京斯沃數(shù)控仿真軟件為例，來加以說明。

1斯沃仿真操作軟件原理和基本組成

斯沃數(shù)控機床維修仿真操作軟件采用計算機仿真技術, 對數(shù)控機床機械、電氣的裝配、調試等過程進行模擬,操作員可以反復在電腦前身臨其境地進行操作練習,是一種經(jīng)濟、可靠、有效的培訓工具。軟件產品按照國家機械類標準開發(fā), 適用于數(shù)控技術、機電一體化等專業(yè)中數(shù)控機床電器控制、數(shù)控機床裝備設計、數(shù)控機床故障診斷與維修、數(shù)控機床原理等課程的課堂教學及實踐環(huán)節(jié)的應用。

系統(tǒng)以S iemens系統(tǒng)為開發(fā)模型, 結合三維仿真技術、信息技術、系統(tǒng)技術及其應用有關的專業(yè)技術,展示數(shù)控銑床的機構、原理及操作方法。同時采用較為先進的OpenGL 圖形編程技術, 保證了系統(tǒng)運行性能。

2斯沃仿真操作軟件的使用

2.1機床結構模塊組成及應用

在機床結構模塊中, 斯沃軟件介紹了Siemens802C 銑床的機床機械結構、進給伺服系統(tǒng)、主軸傳動系統(tǒng)、絲杠總成系統(tǒng), 系統(tǒng)采用三維虛擬方式表達各系統(tǒng)部件以及它們之間的位置關系。

下面以主軸整體結構為例介紹機床結構模塊的作用及使用方法。

圖1. 主軸整體結構顯示

圖1為主軸整體結構顯示圖, 包括拉桿、編碼器、主軸電機、皮帶輪、軸承系統(tǒng)、打刀缸等幾大組成部分,顯示可以局部分別顯示, 并且通過顯示欄下面的控制小框實現(xiàn)局部顯示或整體顯示, 因此在教學工作中可以分別向學生講述主軸結構中每個組成零件的局部結構細節(jié),在機構中所處的位置, 并且對主要的部分進行了詳細的講解, 便于學生的認知及自學。          

結構圖表達方式可以分為正常顯示和透明顯示兩種形式, 此功能使圖形的顯示更加明了, 教師可以根據(jù)教學需要使圖形表達更加符合教學要求。軟件中對于安裝機床的難點, 例如主軸安裝圖(圖2), 進行詳細分析, 清楚地表達了主軸安裝的要素及安裝部件, 提高了教學效果。此外操作模塊中還具有框選、縮放、平移、旋轉等基本功能, 能夠全方位、多角度地展示機床的結構和零件的具體形狀。機床結構模塊在數(shù)控機床裝備、機械制造技術等相關課程CA I(計算機輔助教學)中可以起到重要的作用: 在主軸傳動系統(tǒng)、進給伺服系統(tǒng)、絲杠總成系統(tǒng)等

章節(jié), 平面圖形復雜難懂, 機構運動通常為多維, 因此在教學過程中不易在黑板和多媒體中展示各個系統(tǒng)的工作過程。機床結構模塊可以解決教學中的以上難點, 并且軟件中的圖像錄制功能可以在教學中起到良好的效果。

圖2. 主軸安裝圖

2.2 電氣模塊的功能及應用

斯沃數(shù)控機床維修仿真操作軟件中機床電氣模塊內容十分豐富, 軟件提供了電氣原理介紹、電器元件布局、電器元件接線布局、系統(tǒng)參數(shù)調試、變頻器參數(shù)調試、伺服驅動器參數(shù)調試等多項功能, 滿足了機床電氣課程的基本要求。其中電器元件布局、電器元件連接、系統(tǒng)參數(shù)調試、變頻器參數(shù)調試、伺服驅動器參數(shù)調試模擬了實際參數(shù)設置的過程和效果。

下面以普通電器元件布局實驗為例介紹電氣模塊的應用方法。

普通電器元件布局實驗是機床電氣控制過程中的基本實現(xiàn), 但由于數(shù)控機床設備較為昂貴, 連線復雜,在實際過程中通常沒有學生的操作環(huán)節(jié), 多以教師的演示為主, 因此難以達到滿意的實驗效果。而電氣模塊的電器元件布局實驗, 可以通過軟件實現(xiàn)電器的布局、連線以及電機運轉的過程。

軟件主要包括放置元件、連線、通電三個過程, 放置的元件包括多種型號的繼電器、斷路器、熔斷器、接觸器、電源、伺服驅動、變頻器等, 元件種類齊全, 可以滿足教學的需求。

 連線為模擬連線, 根據(jù)已知電氣原理圖, 可以通過不同的顏色表現(xiàn)實驗中的各個模塊。(見圖3)通電過程與實際數(shù)控機床上電步驟保持一致, 軟件展示了數(shù)控系統(tǒng)的連接過程, 通過模擬連接可以掌握真實的連接過程。

圖3. 元器件選擇

2. 3 電器模塊使用實例

下面以冷卻實驗為例介紹電器模塊的使用及功能。

( 1)電路圖設計。

圖4. 主電路

( 2 ) 實驗元器件。實驗元器件主要包括SIEMENS802C 銑床系統(tǒng)、交流接觸器T1C10901、冷卻電機DB - 12A、變壓器GA85、端子排L1、S1、低壓斷路器DZ108- 20- D0.4、DZ47- 63- C6、DZ47- 63- C1、總電源開關HR - 31、開關電源S - 201 - 24、滅弧器3TX1- 31A03、繼電器模塊XA - 350、接地端子。

( 3)接線。首先要熟悉電氣原理圖, 找到和主軸實驗相關聯(lián)的接線部分。接線步驟主要如下:

1)總電源開關三相380V 到端子排L1 (上端進,下端出, 端子位置參照電氣圖), 從端子排到低壓斷路器DZ108- 20- D0.4(上端進, 下端出, 電氣圖里代號QF3) , 從低壓斷路器到交流接觸器的1L1、3L2、5L3(上端進, 下端出) , 從交流接觸器的2T1、4T2、6T3到端子排S1(上端進, 下端出, 端子位置參照電氣圖) , 從端子排到冷卻電機。

2)總電源開關三相380V 到端子排L1 (上端進,下端出), 端子排到變壓器變壓到220V (非控制元器件的電壓為220V ) , 兩相220V (任意兩相, 取U、W 兩相)到端子排S1(位置根據(jù)電氣原理圖) , 端子排上U相到斷路器DZ47- 63 - C6(上端進, 下端出, 電氣圖里代號為FU1) , 從斷路器到開關電源的L端子, 端子排上W 相直接到開關電源的N端子, 兩個開關電源并聯(lián), 其中一個開關電源只給系統(tǒng)供電源。

3)系統(tǒng)供電: 一個開關電源的24V 端子到系統(tǒng)的電源輸入端子P24, 開關電源的COM 端子到系統(tǒng)的電源輸入端子M。

4)另外一個開關電源的24V 端子到端子排S1(位置參照電氣圖) , 端子排到繼電器模塊的電源端子24V, 開關電源的COM 端子排S1(位置參照電氣圖) ,端子排到繼電器模塊的電源端子0V。

5)系統(tǒng)的X100和繼電器模塊的SO1信號端子相連接, 系統(tǒng)的X101和繼電器模塊的SO2 信號端子相連接, X200和繼電器模塊的SI信號端子相連接。

(4)參數(shù)設置。參數(shù)設置主要包括, 系統(tǒng)開機調試時, 主要參數(shù)的零位置; 接口定義, 輸出為低電平有效設置; 冷卻有效和主軸有效設置; 開機進給倍率設置和開機主軸倍率設置; 此外還包括單極性模擬主軸和配備倍率開關等基本設置。

通過本實驗不僅可以識別元器件, 同時可以了解接線方式及系統(tǒng)參數(shù)總調。

3斯沃仿真操作軟件的特點及不足

3.1產品的特點

(1)系統(tǒng)展示了數(shù)控機床的面板操作, 在真實操作之前通過計算機模擬操作數(shù)控系統(tǒng)面板, 可以節(jié)省實訓的時間和成本, 提高實訓效率。

(2)系統(tǒng)采用二維與三維結合的方式展示了數(shù)控銑床各零部件的結構和工作原理、電氣原理、數(shù)控系統(tǒng)操作, 既提高了教學效率, 又可節(jié)省購買實物模型的費用。

(3)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過實驗測試取得結果, 并經(jīng)過理論分析, 確保系統(tǒng)的準確性和真實性。

 3.2產品的不足之處

(1)在數(shù)控機床模塊缺少車床結構及傳動原理,導致整個系統(tǒng)在教學中存在一定的缺陷。

(2)數(shù)控系統(tǒng)較為單一, 對于較為流行的FANAC系統(tǒng)以及國內較著名的廣數(shù)( GSK )、華中世紀星(HNC)等系統(tǒng)沒有進行開發(fā)和仿真。

參考文獻

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