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數(shù)控機(jī)床仿真在數(shù)控教學(xué)中的應(yīng)用

中國(guó)投影網(wǎng)行業(yè)資訊　2009-4-22 11:45:05　編輯：悅悅　[ 大中小 ]

隨著數(shù)控加工在機(jī)械制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，數(shù)控操作者的大量培訓(xùn)便成為迫切的問(wèn)題。在傳統(tǒng)的操作培訓(xùn)中，數(shù)控編程和操作的有效培訓(xùn)必須在實(shí)際機(jī)床上進(jìn)行，這既占用了設(shè)備加工時(shí)間，又具有風(fēng)險(xiǎn)，培訓(xùn)中的誤操作經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致昂貴設(shè)備的損壞。
　　
隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，尤其是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和理念的發(fā)展，產(chǎn)生了可以模擬實(shí)際設(shè)備加工環(huán)境及其工作狀態(tài)的計(jì)算機(jī)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。它用計(jì)算機(jī)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行培訓(xùn)，不僅可迅速提高操作者的素質(zhì)，而且安全可靠、費(fèi)用低。
　　
與科學(xué)幻想相似，想象力和技術(shù)的相互結(jié)合造就了虛擬現(xiàn)實(shí)。培根在13世紀(jì)寫(xiě)的沒(méi)有馬的轎車和配備動(dòng)力的機(jī)械的科幻故事就是這類結(jié)合的早期見(jiàn)證，凡爾納在19世紀(jì)寫(xiě)了火箭和潛水艇的預(yù)言性科幻小說(shuō)，特別是一些科幻作家們已做出的各種利用虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念的設(shè)想正在逐步變成了具體化。上世紀(jì)內(nèi)所建樹(shù)的幾個(gè)技術(shù)性里程碑使得虛擬現(xiàn)實(shí)成為可能，電話、無(wú)線電、電視、半導(dǎo)體三極管和集成電路(微處理器芯片)和液晶顯示器。尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展。一些早期的仿真嘗試(例如第一臺(tái)飛行模擬器、立體電影、電視游戲等)都已成為當(dāng)今虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的先驅(qū)。當(dāng)然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展歷程與電子學(xué)以及計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展是分不開(kāi)的。
　　
目前在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有少數(shù)高等院校將計(jì)算機(jī)仿真初步運(yùn)用于數(shù)控操作人才培訓(xùn)的教學(xué)之中，也產(chǎn)生了各種仿真教學(xué)系統(tǒng)。這些教學(xué)系統(tǒng)既能單機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，又能在線運(yùn)行。獨(dú)立運(yùn)行即機(jī)床模型方式，其培訓(xùn)設(shè)施只需一臺(tái)微機(jī)，數(shù)控機(jī)床的模擬操作在顯示屏顯示的仿真面板上進(jìn)行，而零件切削過(guò)程由機(jī)床模型三維動(dòng)畫(huà)演示，用這種方式進(jìn)行初步培訓(xùn)是經(jīng)濟(jì)有效的；在線運(yùn)行即機(jī)床工作方式，這種方式下教學(xué)系統(tǒng)將與實(shí)際機(jī)床連接，由硬件實(shí)現(xiàn)零件切削過(guò)程，這時(shí)除了操作者是用仿真面板操作外，其它則與實(shí)際機(jī)床的真實(shí)情況一樣，簡(jiǎn)單來(lái)講就是利用計(jì)算機(jī)和其他的專用硬件軟件去產(chǎn)生一種真實(shí)場(chǎng)景的仿真，參與者可以通過(guò)與仿真場(chǎng)景的交互來(lái)體驗(yàn)一種接近于真實(shí)的場(chǎng)景的感覺(jué)。因此能進(jìn)一步培訓(xùn)操作者的實(shí)際工作技能。
　　
數(shù)控仿真系統(tǒng)的核心是虛擬數(shù)控機(jī)床，而虛擬數(shù)控機(jī)床又是虛擬制造技術(shù)中的一個(gè)執(zhí)行單元，它不僅在數(shù)控加工過(guò)程中為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了可制造性的分析，而且在數(shù)控系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)中，為各類學(xué)校和企業(yè)技術(shù)人員提供了完善的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)。該類系統(tǒng)完全模擬零件的切削過(guò)程，能檢驗(yàn)數(shù)控指令正確與否，提供一套功能齊全的調(diào)試、編輯、修改和跟蹤執(zhí)行等功能。
　　
1 虛擬數(shù)控系統(tǒng)功能
　　虛擬數(shù)控機(jī)床實(shí)際上是虛擬環(huán)境中數(shù)控機(jī)床的模型。與真實(shí)機(jī)床相比，虛擬數(shù)控機(jī)床應(yīng)具有以下功能：
　　·虛擬數(shù)控機(jī)床應(yīng)具有與真實(shí)機(jī)床完全相同的結(jié)構(gòu)。虛擬數(shù)控機(jī)床能模仿真實(shí)機(jī)床的任何功能而不致因?yàn)椴捎媚撤N近似替代而導(dǎo)致某種結(jié)構(gòu)和信息的失真或丟失.并應(yīng)與真實(shí)機(jī)床有完全相同的界面風(fēng)格，為技術(shù)人員的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)提供保證。
　　·虛擬數(shù)控機(jī)床強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，為遠(yuǎn)程教育提供可能。
　　·完善的圖形和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口。用戶既能在真實(shí)的環(huán)境中運(yùn)行虛擬機(jī)床，又能觀察它的各種遠(yuǎn)行參數(shù)，并能與其他CAD／CAM軟件接口。
　2平臺(tái)的購(gòu)建
　　虛擬數(shù)控機(jī)床是如何實(shí)現(xiàn)這些功能的呢？它一般是通過(guò)以下的構(gòu)建平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
　�、貼c解釋平臺(tái) NC解釋平臺(tái)包括NC解釋器和NC驗(yàn)證器。任務(wù)分配數(shù)據(jù)庫(kù)從任務(wù)調(diào)度中接受數(shù)控代碼并將其翻譯為虛擬機(jī)床的部件、刀具等運(yùn)動(dòng)的信息，并將其通過(guò)計(jì)算模塊來(lái)模擬機(jī)床的響應(yīng)，NC解釋器能夠被自由地配置從而能夠模擬任何一種數(shù)控機(jī)床的CNC控制器。
　�、贜C驗(yàn)證器，能夠驗(yàn)證NC代碼的語(yǔ)法正確性。
　�、鄣毒邘�(kù)刀具庫(kù)應(yīng)包括一臺(tái)數(shù)控機(jī)床所需的刀具，并能自由配置刀具庫(kù)中的刀具號(hào).從而能模擬任何一種數(shù)控機(jī)床的換刀形式。
　�、芊抡嫫脚_(tái) 仿真平臺(tái)包括刀具軌跡仿真、切削力仿真，加工精度仿真、三維動(dòng)畫(huà)仿真、加工工時(shí)統(tǒng)計(jì)分析，仿真平臺(tái)是虛擬數(shù)控機(jī)床的核心技術(shù)。操作者可以在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行機(jī)床運(yùn)動(dòng)和切削過(guò)程等的仿真，從中獲得相關(guān)的加工數(shù)據(jù)。如進(jìn)給軸的位移量、換刀狀態(tài)、主軸轉(zhuǎn)速、加速度、進(jìn)給量、加工時(shí)間等。通過(guò)加工過(guò)程的仿真，了解所設(shè)計(jì)工件的可加工性，驗(yàn)證NC代碼的正確性以及評(píng)價(jià)和優(yōu)化加工過(guò)程，并通過(guò)在線修改NC代碼來(lái)優(yōu)化NC代碼。
　�、萦�(jì)算平臺(tái) 計(jì)算平臺(tái)用來(lái)完成虛擬數(shù)控機(jī)床中各種計(jì)算，如根據(jù)NC代碼計(jì)算加工零件新的幾何形狀，根據(jù)刀具的材料、運(yùn)行時(shí)間、零件的材料性質(zhì)和潤(rùn)滑介質(zhì)的性質(zhì)計(jì)算刀具的補(bǔ)償量和熱補(bǔ)償量。這些計(jì)算結(jié)果是虛擬數(shù)控機(jī)床在應(yīng)用于虛擬制造過(guò)程中的加工方案評(píng)價(jià)以及可制造性分析所必須的。
　�、拊O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái) 虛擬數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)平臺(tái)是一個(gè)面向?qū)ο蟮臄?shù)控軟件庫(kù)及其開(kāi)發(fā)環(huán)境。通過(guò)對(duì)數(shù)控軟件的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化研究和其它CAD／CAM軟件的數(shù)據(jù)交換，并對(duì)典型的零件進(jìn)行封裝，設(shè)計(jì)成具有穩(wěn)定、通用接口的可重用的軟件。
　　⑦操作運(yùn)行平臺(tái)和監(jiān)控平臺(tái) 在虛擬環(huán)境中完全實(shí)現(xiàn)真實(shí)機(jī)床的操作，讓使用者完全感受到真實(shí)機(jī)床的運(yùn)行特性。在這些基礎(chǔ)上的監(jiān)控硬件和軟件，用來(lái)控制簡(jiǎn)易機(jī)床.增加虛擬數(shù)控機(jī)床的真實(shí)感.并且可以進(jìn)行典型零件的實(shí)驗(yàn)性試切加工，讓使用者有一種身臨其盡的感覺(jué)。尤其是在數(shù)控教學(xué)和培訓(xùn)過(guò)程中，初學(xué)數(shù)控編程者需要大量的編程練習(xí)，并進(jìn)行實(shí)際調(diào)試。用試切法來(lái)檢驗(yàn)數(shù)控加工程序顯然不合理，而且也難于實(shí)現(xiàn)。如果利用仿真技術(shù)，這些問(wèn)題可以輕松得到解決，從而避免編程時(shí)人為出錯(cuò)或工藝不合理造成工件報(bào)廢。
　　
3 總結(jié)
　　鑒于虛擬數(shù)控機(jī)床具備的功能，針對(duì)目前我單位數(shù)控教學(xué)課程和參加數(shù)控實(shí)習(xí)學(xué)生人數(shù)的增多，及數(shù)控設(shè)備較為精密、昂貴的特點(diǎn)。把數(shù)控加工仿真軟件引入教學(xué)之中，用于數(shù)控機(jī)床操作與編程培訓(xùn)，這樣既可以避免因誤操作造成價(jià)格昂貴的數(shù)控機(jī)床的損壞，又可以使操作人員在對(duì)仿真數(shù)控機(jī)床操作過(guò)程中產(chǎn)生臨場(chǎng)感和真實(shí)感。而且能夠讓同學(xué)們更快地熟悉和了解數(shù)控加工的工作過(guò)程，并且掌握每種數(shù)控機(jī)床的基本操作。更大的好處是在實(shí)現(xiàn)了同樣效果的情況下將加工出錯(cuò)及事故發(fā)生率降低到了最小程度。
　　我單位目前的硬件設(shè)施基本具備，包括微機(jī)房、局域網(wǎng)和各類數(shù)控機(jī)床等。不久的將來(lái)在校園網(wǎng)接通之后，這種教學(xué)方式確實(shí)很有可能成為現(xiàn)實(shí)。尤其是在北航工程訓(xùn)練中心開(kāi)設(shè)遠(yuǎn)程教育課程之后，相信這種教學(xué)方式必將成為一種必要的教學(xué)手段。

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　　數(shù)虎（Digital Tiger）圖像科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱數(shù)虎圖像），成立于2001年3月，是目前中國(guó)最專業(yè)的數(shù)字體驗(yàn)綜合服務(wù)提供商之一，也是中國(guó)最早從事虛擬互動(dòng)演示的制作服務(wù)型企業(yè)之一。近年來(lái)，數(shù)虎圖像秉承一切圍繞用戶價(jià)值為中心的經(jīng)營(yíng)理念，始終處于穩(wěn)健、高速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

　　利用圖形圖像技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，不斷滿足并提升人們對(duì)數(shù)字體驗(yàn)服務(wù)的需求是數(shù)虎圖像長(zhǎng)期肩負(fù)的使命。

　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展正深刻地影響和改變?nèi)藗兊挠^看習(xí)慣和溝通方式；它為用戶提供了一個(gè)更高效便捷的溝通平臺(tái)和體驗(yàn)手段，在人們生活中實(shí)踐著各種視覺(jué)觀賞、模擬演示、互動(dòng)體驗(yàn)等多種可視化需求及社會(huì)價(jià)值；數(shù)字化體驗(yàn)技術(shù)正以前所未有的速度改變著人們的商務(wù)活動(dòng)和生活方式，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用前景，數(shù)虎圖像正為創(chuàng)造一個(gè)更大尺寸、更加逼真、更為廣闊的虛擬互動(dòng)的可視化世界而努力。

　　目前，數(shù)虎圖像以“為用戶提供一站式數(shù)字體驗(yàn)服務(wù)”作為自己的戰(zhàn)略目標(biāo)，并基于此完成了產(chǎn)業(yè)布局，融合三維動(dòng)畫(huà)、虛擬現(xiàn)實(shí)、立體影像等數(shù)字技術(shù)，結(jié)合互動(dòng)娛樂(lè)、顯示設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)等終端設(shè)備；整合不同技術(shù)，互相滲透、彼此依托、相輔相成的構(gòu)建了國(guó)內(nèi)最全面最專業(yè)的可視化及互動(dòng)體驗(yàn)服務(wù)模式；我們的服務(wù)價(jià)值都將在這個(gè)體系里得到最大的延伸和放大。

　　在滿足地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商、建筑設(shè)計(jì)等用戶展示體驗(yàn)與輔助營(yíng)銷的需求方面，數(shù)虎圖像擁有虛擬漫游演示制作、互動(dòng)體驗(yàn)制作、數(shù)字樣板間以及虛擬樓盤(pán)等多項(xiàng)服務(wù)。

　　在滿足城市規(guī)劃、城市數(shù)字化等用戶成果演示與可視化輔助管理的需求方面，公司擁有規(guī)劃虛擬演示制作、數(shù)字城市演示制作、城市數(shù)字化平臺(tái)搭建等服務(wù)。

　　在滿足科博館、高端展示群體、立體視像展示和數(shù)字互動(dòng)體驗(yàn)的需求方面，公司推出的環(huán)幕立體投影系統(tǒng)已成為科博館的標(biāo)配演示平臺(tái)，將我們的互動(dòng)娛樂(lè)、影片播放、互動(dòng)體驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)一體化；借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，公司不斷推進(jìn)科博館建設(shè)虛擬化和數(shù)字化的發(fā)展。

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　　滿足商家個(gè)性展示和互動(dòng)娛樂(lè)需求方面，公司擁有非常成功的互動(dòng)娛樂(lè)產(chǎn)品，包括：互動(dòng)投影、地幕和天幕、全息成像演示、虛擬駕駛、電子沙盤(pán)等產(chǎn)品。同時(shí)，作為公司特色服務(wù)，數(shù)虎還為用戶提供立體影片的拍攝業(yè)務(wù)，以滿足的國(guó)內(nèi)立體影像內(nèi)容日益高漲的需求；已經(jīng)完成多部立體影片、4D影片的制作，并和環(huán)幕影院、動(dòng)感平臺(tái)形成了無(wú)縫整合；數(shù)虎圖像已經(jīng)成為了中國(guó)第一家立體影片拍攝公司，也已經(jīng)成為中國(guó)屈指可數(shù)的立體影片制作服務(wù)商。

　　面向未來(lái)，堅(jiān)持自主創(chuàng)新、樹(shù)立民族品牌是數(shù)虎圖像的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃。目前，公司75%以上員工為創(chuàng)意人員。公司在虛擬現(xiàn)實(shí)、立體影像、數(shù)字播放系統(tǒng)、互動(dòng)娛樂(lè)等都擁有了相當(dāng)數(shù)量的創(chuàng)新舉措。未來(lái)，數(shù)虎圖像將投入更多資金，對(duì)立體影像技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)虛擬社區(qū)技術(shù)進(jìn)行深層次地推進(jìn)研發(fā)。公司的創(chuàng)新意識(shí)已經(jīng)進(jìn)入到企業(yè)項(xiàng)目制作、業(yè)務(wù)模式、銷售服務(wù)等各個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中，正逐步走上自主創(chuàng)新的民族產(chǎn)業(yè)發(fā)展之路。

　　成為受尊敬的創(chuàng)意文化企業(yè)是數(shù)虎圖像的遠(yuǎn)景目標(biāo)。因此，數(shù)虎人一直積極參與數(shù)字文化產(chǎn)業(yè)的重要活動(dòng)，努力承擔(dān)更多行業(yè)責(zé)任，積極探索與嘗試，希冀藉此來(lái)推動(dòng)中國(guó)數(shù)字文化產(chǎn)業(yè)邁向新高峰。2006年至今，數(shù)虎圖像更加著力于商業(yè)模式的創(chuàng)新，尋求變革的探索和機(jī)遇。公司以不斷優(yōu)化業(yè)務(wù)組合，不斷探索新的服務(wù)模式，努力成為數(shù)字內(nèi)容行業(yè)的最具創(chuàng)新能力機(jī)構(gòu)，成為中國(guó)創(chuàng)意文化產(chǎn)業(yè)的先行者！