基于KELLER数控仿真软件的数控编程教学研究

摘要：数控技术与编程是机械工程专业的一门主干课程，它的教学牵涉到制造、测量、公差、工艺、设备等多方面的知识，其实践性强，对设备的要求较高。通过引入德国原版的仿真数控教学软件，本文探讨了对传统教学方法、教学内容的改革与优化。利用仿真与教学相结合的方法，分别实现了数控基本理论、数控技术关键知识点、数控加工编程的教学探索，收到了较好的效果。

关键词：数控编程；仿真软件；教学研究

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）31-0084-02

数控技术与编程是机械工程专业的一门主干专业课程，是一门综合性、实践性很强的课程，它牵涉到机械制造技术、测量与公差、数控工艺与设备、数控原理、数控编程等专业理论知识，其实践性强，实训设备投资经费大[1]。如何为数控技术与编程课程教学提供切实可行的教学方法和手段，提高学生的理论水平和实践能力，一直是各高校本科课程教学改革研究的主要课题[2]。大连交通大学机械工程学院在数控技术与编程课程的改革中，将先进的教学理念引入课程教学过程，以德国KELLER数控仿真软件为基础，对传统的教学方法、教学内容进行改革与优化，取得了良好的教学效果。

一、传统数控教学中存在的问题

1.理论与实践脱节。在传统教学中，课程的理论教学一般采用的是单一的、以教师为中心的学生被动接受的“灌输式”教育模式[3]。由于数控技术与编程课程实践性强，单纯的理论教学对于缺少实际加工经验的学生而言，内容会显得枯燥，使学生学起来感到抽象、难学，很容易让学生产生厌学情绪，教学效果不理想。

2.数控机床设备不足。数控技术与编程课程，实践性很强，学生要想利用正常课堂授课的短时间内学好这门课，必须将理论与实践相结合，由于数控机床品种繁多且价格大多较高，数量必然有限，教学设备大多会不足，因而造成学生操作实训少、学习效果差。为了解决上述问题，必须寻求一种资金投入少，但是效果明显的数控编程课程新教学培养模式。数控加工仿真系统软件在教学中的合理运用是解决这一问题的有效途径。

二、基于德国KELLER数控仿真软件的教学研究

1.德国KELLER数控仿真软件简介。KELLER SymPlus CNC仿真模拟软件是德国凯勒软件有限公司开发的系列产品[4]。它利用二维、三维模拟仿真的方法和大量的图、加工参数、名词解释和练习题，对CNC数控设备工作过程与原理、PALplus练习模块、CAD/CAM功能模块、车铣钻削加工编程、系统控制理论等，进行教学演示和仿真训练。通过这套仿真模拟软件的使用，可以达到各种CNC设备操作实训目的，大大减少昂贵的设备投入。凯勒CNC软件最主要的特点是易于操作、由浅入深、综合性强。整个软件由若干个系统组成，即：动态虚拟车间与机床设备、PALpuls多媒体模拟与仿真、FANUC与西门子控制系统仿真教学模块、CAD/CAM仿真模块。它涵盖了从基础培训到初级编程再到专业的制造加工编程的CNC和CAD/CAM技术，具备了现代的教学方法的特点。

2.KELLER仿真软件应用到数控理论教学中。在进行数控机床的工作过程的理论教学时，对于由数控程序到机床的执行动作过程，一般要有对输入指令进行译码、寄存和运算，向系统的各个坐标轴的伺服系统发出指令信号，经过驱动电路的放大处理，驱动伺服电动机输出位移和速度，实现进给运动的这样一个过程。但是，教学中由于学生对机床本身结构等知识了解较少，单纯的理论教学会显得枯燥，使学生学起来感到抽象、难学。利用KELLER数控仿真软件的Dynamic Virtual Workshop模块，如图1所示，给出了数控机床工作工程中，加工信息流动的方向与方式，形象地给出了机床的工作过程，使学生一目了然地学习到了数控理论知识。

图1 数控机床工作过程演示

3.利用KELLER软件进行数控关键知识点的教学。在数控车削加工中，刀尖处常带有圆弧过渡刃。一般数控装置都有刀尖圆弧半径补偿功能，为编制程序提供了方便。有刀具半径补偿功能的数控系统，编程时不需要计算刀具中心的运动轨迹，只按零件轮廓编程[5，6]。

为了解释清楚上述的数控编程的关键知识点，利用KELLER软件，如图2（a）（b）所示，当不考虑刀尖圆弧半径补偿时，会产生少切和过切现象，图中黄色线为要求的编程轨迹，再没有考虑半径补偿时，切削后的结果如灰色区域所示，可以看出产生了较大的误差。然而，在带有补偿功能的数控系统中，使用了G42的补偿指令后，依然按照要求的编程轨迹进行编程，这可以加工出与要求完全一致的实际轮廓，不会产生加工误差，如图2（c）（d）所示。

4.利用KELLER数控仿真软件进行手工编程教学。G71外圆粗车循环指令就是数控车床上经常使用的复合循环指令之一，适用于多次走刀才能完成的内外圆柱面、圆锥面的加工[7，8]。虽然G71指令功能强大，能够简化编程，但是在使用过程中，特别是在教学过程中，对于G71的复杂的走刀路线（和指令参数的含义，学生很难理解。此时，利用KELLER软件的PALpuls模块、控制系统模块，可以在实现G71编程以后进行二维及三维模拟（如图3所示），可以清晰直观地理解G71要指令的格式与使用要求，很好地完成车削加工关键指令的教学工作。

5.利用KELLER数控仿真软件进行CAD/CAM教学。由于交互式图形编程具有速度快、精度高、直观性好、使用简便、便于检查和修改等优点，已成为目前国内外先进的CAD/CAM软件所普遍采用的数控编程方法。交互式图形编程的实现是以CAD技术为前提的。目前，绝大多数的数控编程软件同时具备CAD的功能，因而CAD/CAM编程也是数控编程教学中一个不可或缺的部分。

利用KELLER软件的CAD/CAM模块中的几何\工作计划\模拟器子模块功能，首先利用几何模块中的相关工具建立被加工件的几何图形，建立被加工件的工作计划，如图5（a），工作计划建立以后，可以利用仿真功能模拟演示其加工过程，如图4（b）所示，最后确认加工无误以后就可以生成满足要求的数控代码如图4（c）。通过以上的工作学生可以直观地学习CAD/CAM数控编程技术，较好地掌握交互图形编程方法。

三、教学效果

1.提高了数控编程课程的教学质量。数控仿真教学软件的使用，摒弃了原有的空洞的理论教学，而是将多媒体和仿真软件灵活运用到教学过程中，使教学过程具有互动性。数控仿真模拟了真实机床加工条件与加工过程，在对学生进行演示加工的过程中，把书本中抽象、笼统的理论转化为形象、具体的印象。学生在自己动手进行仿真编程的过程中自然而然地学习到了书本上的相关知识，也加深了对知识要点的理解，主动性与积极性大大提高，取得更好的教学效果。

2.有效降低了教学成本，提高了效率和安全性。利用虚拟机床代替实际机床，弥补了设备和师资的不足，仿真软件的教学方法，纠正了原有的“吃大锅饭”的课堂“填压式”的教学方法的弊端，让学生通过操作训练，达到一对一、手把手的教学效果，既保证了学生用最快的时间学会所要掌握的知识，提高了学习效率，同时又能有效地避免初学者直接上机床进行操作可能出现的各种错误现象，实现了学生对基本数控编程知识的迅速掌握。

由于数控技术的发展，出现了各种创新的数控机床、种类繁多的数控加工刀具、加工工艺与加工方法，而与之相适应的数控技术与编程课程的教学，往往受到了有限的资金投入和设备投入的限制。所以以现有的有限教学资源为基础，在不增加硬件设备的前提下，充分利用Keller仿真软件的进行辅助教学，必将对数控加工与数控编程等课程的教学起到更大的推动作用。

参考文献：

[1]王海根，马剑.仿真软件在数控技术课程教学中的应用[J].实验室研究与探讨，2007，（11）.

[2]孙业荣.应用型本科人才培养模式下的数控技术课程教改与探索[J].装备制造技术，2011，（1）.

[3]丛娟，丛树林.基于数控仿真软件的数控加工工艺与编程课程改革[J].辽宁高职学报，2011，（3）.

[4]李文杰，杨承涛.德国Keller数控仿真软件在职业教育中的应用研究[J].价值工程，2011，（5）.

[5]丁静，杨春燕.刀尖圆弧半径补偿在数控车削中的应用[J].组合机床与自动化加工技术，2009，（12）.

[6]徐卫东.刀尖圆弧半径补偿在数控车削加工中的正确应用[J].现代制造，2008，（7）：92-94.

[7]陈艳巧，肖国涛，戴曰梅.复合循环G71指令在数控车削中的应用[J].硅谷，2012，（1）.

[8]施维.在数控车床上如何用G71指令编写程序[J].机械制造，2005，（9）.

[9]单岩，王卫兵.CAM数控编程基本实现过程[J].CAD/CAM与制造业信息化，2003，（9）.