數(shù)控模擬仿真軟件在數(shù)控專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

                               史鴻鵠 

（河南省南陽工業(yè)學(xué)校   河南  南陽   473035）

【摘要】: 數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修維護(hù)課程是數(shù)控技術(shù)專業(yè)主干課, 由于這門課理論性、實(shí)踐性很強(qiáng), 如采用傳統(tǒng)教學(xué)方法, 教學(xué)內(nèi)容很難為學(xué)生所接受。在數(shù)控機(jī)床故障診斷和數(shù)控機(jī)床原理等課程教學(xué)中, 應(yīng)用一些行業(yè)相關(guān)的數(shù)控模擬仿真軟件，如我校前期購置的南京斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件, 可更加直觀、形象的展現(xiàn)一些機(jī)床內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、工作原理等，有利于改善目前該課程教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)效果不理想、效率低的現(xiàn)象, 并且有利于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)數(shù)控結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí), 并提高數(shù)控機(jī)床的操作能力。

【關(guān)鍵詞】: 數(shù)控; 仿真; 教學(xué)

數(shù)控機(jī)床是一套價(jià)格相對(duì)昂貴的設(shè)備, 數(shù)控實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)投資較大, 同時(shí), 學(xué)生直接在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行系統(tǒng)操作練習(xí), 容易因?yàn)檎`操作發(fā)生安全事故或損壞設(shè)備。而運(yùn)用數(shù)控仿真操作軟件輔助教學(xué)不僅有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性, 還可以給每個(gè)學(xué)生提供動(dòng)手操作機(jī)會(huì), 從而達(dá)到預(yù)期教學(xué)目的。下邊以我校前期購置的南京斯沃?jǐn)?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?jǐn)?shù)控機(jī)床維修仿真操作軟件采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù), 對(duì)數(shù)控機(jī)床機(jī)械、電氣的裝配、調(diào)試等過程進(jìn)行模擬,操作員可以反復(fù)在電腦前身臨其境地進(jìn)行操作練習(xí),是一種經(jīng)濟(jì)、可靠、有效的培訓(xùn)工具。軟件產(chǎn)品按照國家機(jī)械類標(biāo)準(zhǔn)開發(fā), 適用于數(shù)控技術(shù)、機(jī)電一體化等專業(yè)中數(shù)控機(jī)床電器控制、數(shù)控機(jī)床裝備設(shè)計(jì)、數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修、數(shù)控機(jī)床原理等課程的課堂教學(xué)及實(shí)踐環(huán)節(jié)的應(yīng)用。

系統(tǒng)以S iemens系統(tǒng)為開發(fā)模型, 結(jié)合三維仿真技術(shù)、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用有關(guān)的專業(yè)技術(shù),展示數(shù)控銑床的機(jī)構(gòu)、原理及操作方法。同時(shí)采用較為先進(jìn)的OpenGL 圖形編程技術(shù), 保證了系統(tǒng)運(yùn)行性能。

2斯沃仿真操作軟件的使用

2.1機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊組成及應(yīng)用

在機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊中, 斯沃軟件介紹了Siemens802C 銑床的機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)、進(jìn)給伺服系統(tǒng)、主軸傳動(dòng)系統(tǒng)、絲杠總成系統(tǒng), 系統(tǒng)采用三維虛擬方式表達(dá)各系統(tǒng)部件以及它們之間的位置關(guān)系。

下面以主軸整體結(jié)構(gòu)為例介紹機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊的作用及使用方法。

圖1. 主軸整體結(jié)構(gòu)顯示

圖1為主軸整體結(jié)構(gòu)顯示圖, 包括拉桿、編碼器、主軸電機(jī)、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?qū)崿F(xiàn)局部顯示或整體顯示, 因此在教學(xué)工作中可以分別向?qū)W生講述主軸結(jié)構(gòu)中每個(gè)組成零件的局部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),在機(jī)構(gòu)中所處的位置, 并且對(duì)主要的部分進(jìn)行了詳細(xì)的講解, 便于學(xué)生的認(rèn)知及自學(xué)。          

結(jié)構(gòu)圖表達(dá)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(xué)需要使圖形表達(dá)更加符合教學(xué)要求。軟件中對(duì)于安裝機(jī)床的難點(diǎn), 例如主軸安裝圖(圖2), 進(jìn)行詳細(xì)分析, 清楚地表達(dá)了主軸安裝的要素及安裝部件, 提高了教學(xué)效果。此外操作模塊中還具有框選、縮放、平移、旋轉(zhuǎn)等基本功能, 能夠全方位、多角度地展示機(jī)床的結(jié)構(gòu)和零件的具體形狀。機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊在數(shù)控機(jī)床裝備、機(jī)械制造技術(shù)等相關(guān)課程CA I(計(jì)算機(jī)輔助教學(xué))中可以起到重要的作用: 在主軸傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給伺服系統(tǒng)、絲杠總成系統(tǒng)等

章節(jié), 平面圖形復(fù)雜難懂, 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)通常為多維, 因此在教學(xué)過程中不易在黑板和多媒體中展示各個(gè)系統(tǒng)的工作過程。機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊可以解決教學(xué)中的以上難點(diǎn), 并且軟件中的圖像錄制功能可以在教學(xué)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(yīng)用

斯沃?jǐn)?shù)控機(jī)床維修仿真操作軟件中機(jī)床電氣模塊內(nèi)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(diào)試、變頻器參數(shù)調(diào)試、伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)調(diào)試等多項(xiàng)功能, 滿足了機(jī)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(diào)試、變頻器參數(shù)調(diào)試、伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)調(diào)試模擬了實(shí)際參數(shù)設(shè)置的過程和效果。

下面以普通電器元件布局實(shí)驗(yàn)為例介紹電氣模塊的應(yīng)用方法。

普通電器元件布局實(shí)驗(yàn)是機(jī)床電氣控制過程中的基本實(shí)現(xiàn), 但由于數(shù)控機(jī)床設(shè)備較為昂貴, 連線復(fù)雜,在實(shí)際過程中通常沒有學(xué)生的操作環(huán)節(jié), 多以教師的演示為主, 因此難以達(dá)到滿意的實(shí)驗(yàn)效果。而電氣模塊的電器元件布局實(shí)驗(yàn), 可以通過軟件實(shí)現(xiàn)電器的布局、連線以及電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程。

軟件主要包括放置元件、連線、通電三個(gè)過程, 放置的元件包括多種型號(hào)的繼電器、斷路器、熔斷器、接觸器、電源、伺服驅(qū)動(dòng)、變頻器等, 元件種類齊全, 可以滿足教學(xué)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(shí)驗(yàn)中的各個(gè)模塊。(見圖3)通電過程與實(shí)際數(shù)控機(jī)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(shí)的連接過程。

圖3. 元器件選擇

2. 3 電器模塊使用實(shí)例

下面以冷卻實(shí)驗(yàn)為例介紹電器模塊的使用及功能。

( 1)電路圖設(shè)計(jì)。

圖4. 主電路

( 2 ) 實(shí)驗(yàn)元器件。實(shí)驗(yàn)元器件主要包括SIEMENS802C 銑床系統(tǒng)、交流接觸器T1C10901、冷卻電機(jī)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(guān)HR - 31、開關(guān)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(shí)驗(yàn)相關(guān)聯(lián)的接線部分。接線步驟主要如下:

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

2)總電源開關(guān)三相380V 到端子排L1 (上端進(jìn),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(jìn), 下端出, 電氣圖里代號(hào)為FU1) , 從斷路器到開關(guān)電源的L端子, 端子排上W 相直接到開關(guān)電源的N端子, 兩個(gè)開關(guān)電源并聯(lián), 其中一個(gè)開關(guān)電源只給系統(tǒng)供電源。

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

4)另外一個(gè)開關(guān)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(guān)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(hào)端子相連接, 系統(tǒng)的X101和繼電器模塊的SO2 信號(hào)端子相連接, X200和繼電器模塊的SI信號(hào)端子相連接。

(4)參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置主要包括, 系統(tǒng)開機(jī)調(diào)試時(shí), 主要參數(shù)的零位置; 接口定義, 輸出為低電平有效設(shè)置; 冷卻有效和主軸有效設(shè)置; 開機(jī)進(jìn)給倍率設(shè)置和開機(jī)主軸倍率設(shè)置; 此外還包括單極性模擬主軸和配備倍率開關(guān)等基本設(shè)置。

通過本實(shí)驗(yàn)不僅可以識(shí)別元器件, 同時(shí)可以了解接線方式及系統(tǒng)參數(shù)總調(diào)。

3斯沃仿真操作軟件的特點(diǎn)及不足

3.1產(chǎn)品的特點(diǎn)

(1)系統(tǒng)展示了數(shù)控機(jī)床的面板操作, 在真實(shí)操作之前通過計(jì)算機(jī)模擬操作數(shù)控系統(tǒng)面板, 可以節(jié)省實(shí)訓(xùn)的時(shí)間和成本, 提高實(shí)訓(xùn)效率。

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

(3)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試取得結(jié)果, 并經(jīng)過理論分析, 確保系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。

 3.2產(chǎn)品的不足之處

(1)在數(shù)控機(jī)床模塊缺少車床結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)原理,導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)在教學(xué)中存在一定的缺陷。

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

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