0 引言

　　隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床因其加上精度高、生產(chǎn)效率高、自動化程度高、能夠加上復(fù)雜形狀零件等特點(diǎn)在機(jī)械加上行業(yè)的占有率逐年提高，并越來越扮演更重要的角色而數(shù)控機(jī)床相對傳統(tǒng)機(jī)床而言投資大、操作人員要求高，因此數(shù)控機(jī)床操作與編程人員在進(jìn)入崗位之前都應(yīng)進(jìn)行全而嚴(yán)格的培訓(xùn)，使其了解多種數(shù)控系統(tǒng)的操作及相關(guān)的編程知識通過調(diào)查，日前大多數(shù)數(shù)控人員培訓(xùn)都是直接在實(shí)際機(jī)床上進(jìn)行，這種運(yùn)作方式不僅投資大、風(fēng)險(xiǎn)大、耗電、耗材料，而且很難提高機(jī)床與學(xué)員的比例虛擬技術(shù)的發(fā)展使得許多上作可以在虛擬環(huán)境下進(jìn)行，本文著重介紹虛擬加上系統(tǒng)的總體框架、拓展結(jié)構(gòu)及應(yīng)用，以便為數(shù)控人才培訓(xùn)及相關(guān)軟件的開發(fā)和完善提供一點(diǎn)借鑒

1 虛擬數(shù)控加土系統(tǒng)總體框架

　　數(shù)控機(jī)床包括數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加上中心、數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控電火花加上機(jī)床、數(shù)控折彎機(jī)等，鑒于前三種普及率高并是各高校進(jìn)行應(yīng)用性人才培養(yǎng)的卞要內(nèi)容，本系統(tǒng)框架內(nèi)的機(jī)床類型卞要針對這三種數(shù)控機(jī)床

　1.1 功能框架

　　常用CAD/CAM軟件具有數(shù)控加上刀具軌跡仿真的功能，但不能更直觀的驗(yàn)證程序的正確和合理性，不能體現(xiàn)機(jī)床的操作等內(nèi)容虛擬數(shù)控加上系統(tǒng)可以使學(xué)生在虛擬環(huán)境下操作機(jī)床，為達(dá)到此日的虛擬數(shù)控加上系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能

　　(1)具備真實(shí)機(jī)床相同的硬件基礎(chǔ)

　　虛擬機(jī)床操作應(yīng)最大限度的接近實(shí)際，本系統(tǒng)中虛擬的機(jī)床具有與實(shí)際機(jī)床相類似的外觀及機(jī)械結(jié)構(gòu)，有直觀的上作臺和床身;具有實(shí)際機(jī)床相同的運(yùn)動過程，各個坐標(biāo)軸的移動能夠直觀體現(xiàn);具有真實(shí)數(shù)控系統(tǒng)相同的操作而板，數(shù)據(jù)輸入鍵、功能鍵、機(jī)床控制鍵、模式選擇旋鈕等都在虛擬環(huán)境下可操作;上件的裝夾能形象體現(xiàn)出生產(chǎn)中的應(yīng)用，有上件毛坯的定義和夾具選擇，以便在操作虛擬機(jī)床時，感覺就是在操作真正的數(shù)控機(jī)床

　　(2)具備相同的操作方式

　　開機(jī)回R參考點(diǎn)、手動操作、自動運(yùn)行、MDA方式、增量進(jìn)給等操作模式在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中都要考慮根據(jù)虛擬的指定生產(chǎn)廠家不同，模式切換、倍率調(diào)整可以做成旋鈕形式或按鍵形式

　　(3)完善的軟件功能和報(bào)警模擬

　　虛擬數(shù)控系統(tǒng)的操作，如文件新建、編輯、刪除、復(fù)制、導(dǎo)出、導(dǎo)入和R參數(shù)、刀具補(bǔ)償值、零點(diǎn)偏置等參數(shù)設(shè)置都應(yīng)基本與實(shí)際數(shù)控系統(tǒng)相似考慮到虛擬系統(tǒng)驗(yàn)證后的程序即將進(jìn)入實(shí)際機(jī)床進(jìn)行試切，虛擬環(huán)境下進(jìn)行虛擬加上時，超程、刀具與上件或機(jī)床的碰撞等都應(yīng)該有報(bào)警提示，這樣的提示可以使學(xué)員在實(shí)際機(jī)床操作時避免同類現(xiàn)象的出現(xiàn)

　　(4)豐富的循環(huán)指令

　　不同類型的操作系統(tǒng)有各自不同的循環(huán)指令，涵蓋車削循環(huán)、鉆削循環(huán)、銑削循環(huán)及其它復(fù)合循環(huán)等內(nèi)容，這些基本都是ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定之外的指令，如FANUC系統(tǒng)的(}73二、西門子系統(tǒng)的CYCLE81. CYCLE82，實(shí)際應(yīng)用中手上編寫程序時這些指令非常有用，在數(shù)控編程人員培訓(xùn)中是一個卞要的內(nèi)容，因此虛擬數(shù)控加上系統(tǒng)中根據(jù)不同的系統(tǒng)需設(shè)計(jì)出不同的循環(huán)指令，并能在虛擬的操作界而上進(jìn)行手上編程

1.2 網(wǎng)絡(luò)框架

　　實(shí)際機(jī)床操作培訓(xùn)時，指導(dǎo)教師和學(xué)生的比例將接近1: 1，這卞要是因?yàn)閿?shù)控機(jī)床一般價(jià)格昂貴，要求盡可能避免操作不當(dāng)?shù)仍斐蓹C(jī)床加上功能和精度的影響而虛擬環(huán)境下，機(jī)床是虛擬的，除了軟件穩(wěn)定性之外不會出現(xiàn)因操作不當(dāng)而造成損失因此，可以一個教師用計(jì)算機(jī)去監(jiān)控多個，乃至一個班的學(xué)生，這樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中卞要考慮網(wǎng)絡(luò)式的結(jié)構(gòu)，每個終端是一臺PC機(jī)，并有教師機(jī)和學(xué)生機(jī)之分，教師機(jī)能夠監(jiān)控并完全控制學(xué)生機(jī)上的操作，學(xué)生機(jī)能隨時向教師機(jī)提問。

　　1.3 層次框架

　　根據(jù)虛擬數(shù)控加上系統(tǒng)的功能，提出圖2所示的總層次框架，分三個大的層次:數(shù)控系統(tǒng)層，機(jī)床類型層，生產(chǎn)廠家層其中數(shù)控系統(tǒng)層包含多個常用數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家的多種型號的數(shù)控系統(tǒng)，如Fanu。系統(tǒng)包含F(xiàn)anuc O、Fanuc OI、Fanuc 18i、Fanuc21，西門子系統(tǒng)包含802. 810D/840D等，其它類似;機(jī)床類型層包含數(shù)控人才培養(yǎng)的常見兒種類型機(jī)床如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加上中心等;生產(chǎn)廠家包含高校實(shí)驗(yàn)室配備的國內(nèi)外常見的機(jī)床生產(chǎn)廠家根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，在第一層和第三層預(yù)留用戶開發(fā)接口，以便能根據(jù)所用其它廠家生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床，自制而板以達(dá)到與培訓(xùn)設(shè)備相配套。

　　1.4 拓展結(jié)構(gòu)

　　為能盡可能的包含多種類型機(jī)床，本系統(tǒng)結(jié)合層次框架，采用圖3所示拓展結(jié)構(gòu)系統(tǒng)i指某型號的數(shù)控系統(tǒng)，類型指機(jī)床的類型和型號，這樣根據(jù)此拓展結(jié)構(gòu)可以分解出多個不同類型不同型號不同生產(chǎn)廠家的數(shù)控機(jī)床，培訓(xùn)單位可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備盡可能選擇或定制相同或相似的設(shè)備。

2 功能實(shí)現(xiàn)

　　2.1 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

　　在整個虛擬數(shù)控加上系統(tǒng)中，虛擬機(jī)床是整個虛擬加上系統(tǒng)的核心組成部分，也是系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)參照實(shí)際所用數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)、操作過程，虛擬數(shù)控機(jī)床卞要由三部分組成:虛擬環(huán)境、虛擬過程和輔助功能。

　　虛擬環(huán)境包括有立式、臥式之分的機(jī)床本體，具有刀夾量具定義、選擇的子系統(tǒng)，毛坯定義和仿真的操作而板虛擬過程包括數(shù)控系統(tǒng)所具備的軟件功能，加上或操作過程的坐標(biāo)顯示、各給移動部件的運(yùn)動，手動、自動操作和報(bào)警裝置的模擬輔助功能包括過程記錄、視圖切換、尺寸校驗(yàn)等

　2.2 實(shí)現(xiàn)效果

　　如同實(shí)際機(jī)床操作與編程，操作者直接接觸或看到的機(jī)床主要是數(shù)控系統(tǒng)的而板、CRT的顯示以及刀具、機(jī)床本體等，而對數(shù)控程序如何通過譯碼轉(zhuǎn)換成機(jī)床能夠識別得代碼，直線、圓弧是怎樣插補(bǔ)出來的等可以不去了解因此本系統(tǒng)的最終實(shí)現(xiàn)的虛擬機(jī)床，體現(xiàn)在圖5的而板與顯示以及圖6的機(jī)床本體上。

　　計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展使得虛擬技術(shù)在許多領(lǐng)域獲得了應(yīng)用，虛擬加上系統(tǒng)能夠承擔(dān)數(shù)控機(jī)床的操作與編程培訓(xùn)上作，可實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)多類型多廠家的數(shù)控機(jī)床在同一臺PC機(jī)上出現(xiàn)，這種系統(tǒng)操作不當(dāng)不會產(chǎn)生人身傷害虛擬數(shù)控在國內(nèi)已有兒家公司投入精力進(jìn)行研究，但仍存在許多不完善之處，文中為開發(fā)和完善虛擬數(shù)控加上系統(tǒng)提供了總體框架，并就實(shí)施提出了一些建議