虛擬數(shù)控培訓(xùn)系統(tǒng)在實(shí)際教學(xué)中的應(yīng)用

林萬里

根據(jù)機(jī)床行業(yè)調(diào)查，數(shù)控人才的市場(chǎng)需求主要包含數(shù)控操作、數(shù)控編程和技術(shù)含量較高的數(shù)控機(jī)床調(diào)試、維護(hù)與維修。汽車、模具、航空航天、裝備制造企業(yè)急需大量數(shù)控技術(shù)人才。數(shù)控設(shè)備是典型的機(jī)電一體化設(shè)備，涉及機(jī)械、電氣、液壓、計(jì)算機(jī)、伺服控制、PLC（可編程控制器）等多個(gè)領(lǐng)域。數(shù)控人才的培養(yǎng)不僅要求掌握上述相關(guān)的理論知識(shí)，更重要的是要求對(duì)其中的各項(xiàng)技能進(jìn)行實(shí)踐和訓(xùn)練。數(shù)控虛擬機(jī)床的發(fā)展為數(shù)控專業(yè)人才的培養(yǎng)提供了較好的教學(xué)和實(shí)訓(xùn)手段。

一、現(xiàn)有數(shù)控專業(yè)教學(xué)中存在的問題

目前各技工院校數(shù)控課教學(xué)中，理論課與實(shí)踐教學(xué)比例應(yīng)該為1:1，而目前數(shù)控設(shè)備均為大型設(shè)備，價(jià)格較為昂貴，一臺(tái)教學(xué)用的數(shù)控車床或銑床價(jià)格在8萬元左右，生產(chǎn)用的數(shù)控機(jī)床少則幾十萬，多則上百萬。然而許多職業(yè)學(xué)校經(jīng)濟(jì)拮據(jù)，數(shù)控設(shè)備嚴(yán)重缺乏，教師不得不以理論講授為主，學(xué)生動(dòng)手獨(dú)立操作與實(shí)際維修訓(xùn)練的機(jī)會(huì)很少。有些職業(yè)學(xué)校即使有數(shù)控設(shè)備，數(shù)量也非常有限，只能給學(xué)生做些演示試驗(yàn)，不能適應(yīng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，每個(gè)學(xué)生在數(shù)控機(jī)床上的獨(dú)立操作實(shí)訓(xùn)時(shí)間很少，而且實(shí)訓(xùn)重點(diǎn)也僅放在數(shù)控機(jī)床的簡(jiǎn)單操作上，嚴(yán)重脫離生產(chǎn)實(shí)際，實(shí)訓(xùn)效果很差。主要存在下面幾個(gè)突出問題。

1.數(shù)控加工專業(yè)

雖然教師在課堂上講授了關(guān)于數(shù)控編程的相關(guān)知識(shí)，學(xué)生也能夠進(jìn)行獨(dú)立編程，但是學(xué)生設(shè)計(jì)的程序難免出現(xiàn)各種問題，如果直接用學(xué)生編制的程序加工，就會(huì)出現(xiàn)各種撞刀事件，這樣不僅損壞了機(jī)床，而且對(duì)于學(xué)生也可能出現(xiàn)人身傷害。如果有一套軟件，能夠在正式加工之前能夠檢驗(yàn)程序的正確性，那么學(xué)生再進(jìn)行實(shí)際加工時(shí)，會(huì)更加安全和準(zhǔn)確。

2.數(shù)控維修專業(yè)

數(shù)控維修專業(yè)往往在下面幾個(gè)方面存在教學(xué)上的局限性：

（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)的局限。數(shù)控機(jī)床由于其機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、體積龐大，無法觀察到產(chǎn)品的細(xì)節(jié)和內(nèi)部構(gòu)造；傳統(tǒng)教學(xué)也不能輕易拆解機(jī)床，學(xué)生對(duì)機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的理解不直觀，機(jī)械圖樣不容易理解，照片、模型不能動(dòng)態(tài)了解實(shí)際結(jié)構(gòu)。而如果想進(jìn)行實(shí)際機(jī)床拆卸，對(duì)于外在所需要的裝卸工具也有很大的限制，比如，大型零件的裝卸，包括刀庫的裝卸、機(jī)床主軸電機(jī)的裝卸等，就需要專門的吊車進(jìn)行。另一方面，即使條件允許，能夠?qū)?shù)控機(jī)床進(jìn)行裝卸，但是數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，新手實(shí)際操作容易出現(xiàn)失誤或者重復(fù)地對(duì)機(jī)床進(jìn)行裝卸，將導(dǎo)致數(shù)控磨損嚴(yán)重，產(chǎn)生大量的維護(hù)維修費(fèi)用，給學(xué)校造成經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)，在裝卸過程中的一些安全問題也需要重點(diǎn)考慮。

（2）電氣控制的局限。傳統(tǒng)電路教學(xué)難度大學(xué)生不易理解。接線實(shí)驗(yàn)損耗大，接線結(jié)果不易檢查。試驗(yàn)臺(tái)成本高、數(shù)量少。

（3）故障診斷與維修教學(xué)設(shè)備的局限。傳統(tǒng)電路教學(xué)故障模擬難度大，多停留在理論教學(xué)；而且即使有的學(xué)校購(gòu)買了部分?jǐn)?shù)控維修實(shí)驗(yàn)臺(tái)，但是也是存在種種局限性。

（4）技能鑒定或者考試中的局限。如果用真實(shí)的機(jī)床來檢驗(yàn)，往往存在考核內(nèi)容工作量大，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)料，還有可能破壞機(jī)床，造成事故。如果教師把所有學(xué)生的方案都進(jìn)行批閱，花費(fèi)時(shí)間太多，教學(xué)效率極低。特別當(dāng)需要大量技能鑒定的時(shí)候，尤其受到現(xiàn)實(shí)條件的限制。

二、如何解決數(shù)控維修教學(xué)中存在的問題：虛擬數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用

1.虛擬技術(shù)的概念

所謂虛擬技術(shù)，是指它利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的，具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶通過使用各種交互設(shè)備，同虛擬環(huán)境中的實(shí)體相互作用，使之產(chǎn)生身臨其境的感覺，是一種先進(jìn)的數(shù)字化人機(jī)接口技術(shù)。它與傳統(tǒng)的模擬技術(shù)相比，其主要特征是：操作者能夠真正進(jìn)入一個(gè)由計(jì)算機(jī)生成的交互式三維虛擬環(huán)境中，與之產(chǎn)生互動(dòng)，進(jìn)行交流。通過參與者與仿真環(huán)境的相互作用，并借助人本身對(duì)所接觸事物的感知和認(rèn)知能力，幫助啟發(fā)參與者的思維，以全方位地獲取虛擬環(huán)境所蘊(yùn)涵的各種空間信息和邏輯信息。而隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，如今出現(xiàn)了可以模擬實(shí)際機(jī)床加工環(huán)境及工作狀態(tài)的計(jì)算機(jī)仿真加工系統(tǒng)：虛擬數(shù)控技能培訓(xùn)的仿真軟件。

2.虛擬數(shù)控系統(tǒng)培訓(xùn)軟件功能

虛擬數(shù)控軟件是集虛擬數(shù)控加工仿真以及機(jī)械原理、結(jié)構(gòu)與拆裝、電氣原理、電路接線以及故障設(shè)置、故障排除以及數(shù)控系統(tǒng)、PLC梯形圖系統(tǒng)故障診斷排除于一身的完整的三維虛擬數(shù)控機(jī)床培訓(xùn)系統(tǒng)。機(jī)械部分包括加工中心、車床（包括銑床、平床），同時(shí)還包括激光干涉儀，用于數(shù)控機(jī)床安裝精度糾正以及測(cè)量的操作原理演示。電氣原理以及數(shù)控系統(tǒng)，包括法蘭克、西門子、華中、廣數(shù)，虛擬數(shù)控機(jī)床培訓(xùn)系統(tǒng)采用實(shí)體機(jī)床進(jìn)行逼真重建的方法，對(duì)數(shù)控機(jī)床的每一個(gè)零部件——每一個(gè)螺釘、每一個(gè)電氣元器件進(jìn)行模擬仿真，每一個(gè)部件都可以進(jìn)行虛擬拆卸、安裝，而且每一個(gè)元器件都具有屬性，可以隨意組成電路，設(shè)置故障，讓學(xué)生學(xué)習(xí)故障排除方法。同時(shí)為電路故障排除提供了一個(gè)逼真的三維虛擬環(huán)境和符合人們自然交互習(xí)慣的人機(jī)交互界面。數(shù)控加工操作面板，與實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)一模一樣。同時(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)真正的自由式人機(jī)互動(dòng)，最重要的是它能夠讓學(xué)生進(jìn)行拆卸安裝以及故障診斷排除，學(xué)生自己做什么樣的三維互動(dòng)操作，系統(tǒng)就能做出相應(yīng)的反應(yīng)。虛擬數(shù)控培訓(xùn)系統(tǒng)能讓學(xué)生自己決定每一個(gè)使用操作步驟，系統(tǒng)能夠根據(jù)學(xué)生的操作做出實(shí)時(shí)的反應(yīng)，判斷。這樣才能真正達(dá)到學(xué)生動(dòng)手參與實(shí)驗(yàn)操作的目的。

虛擬數(shù)控維修軟件包括三個(gè)基本模塊：教學(xué)模塊、實(shí)訓(xùn)模塊和考核模塊。教學(xué)模塊中的數(shù)控機(jī)床包括概述、機(jī)械原理、機(jī)電控制、虛擬實(shí)驗(yàn)、工具備件等。數(shù)控系統(tǒng)有FANUC、Siemens、華中、廣數(shù)等幾種常用數(shù)控系統(tǒng)。實(shí)訓(xùn)模塊包括數(shù)控機(jī)床主機(jī)機(jī)械部件拆裝、電氣線路連接、虛擬故障排除等內(nèi)容。另外，還有一個(gè)供教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核的模塊。通過這個(gè)虛擬軟件的應(yīng)用我們可以在下面教學(xué)方面能夠獲得很好的教學(xué)效果。

（1）機(jī)械裝配方面。虛擬技術(shù)通過3D模型可以讓學(xué)生模擬安裝拆卸機(jī)床。通過安裝拆卸了解機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)。通過動(dòng)畫了解機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)方式。效果直觀、容易理解。模擬機(jī)械安裝調(diào)試操作，模擬多種機(jī)械故障，可以讓學(xué)生模擬操作。

（2）電氣線路連接方面。虛擬技術(shù)的動(dòng)態(tài)互動(dòng)電路（活電路）方便學(xué)生理解學(xué)習(xí)。老師可以根據(jù)教學(xué)課程設(shè)置電路圖和接線模型，方便電路教學(xué)。虛擬接線仿真度高，可直接查看接線結(jié)果。

（3）數(shù)控機(jī)床的維修方面。虛擬技術(shù)通過3D仿真機(jī)床，模擬機(jī)床參數(shù)設(shè)置，演示參數(shù)修改效果。仿真PLC故障，模擬PLC操作排除故障。老師可以根據(jù)教學(xué)進(jìn)度任意設(shè)置電氣故障進(jìn)行教學(xué)。

（4）技能考核（考試）方面。考試模塊通過編輯并加載考試項(xiàng)目后，對(duì)應(yīng)試學(xué)員的考試模塊就會(huì)出現(xiàn)考試內(nèi)容，并可實(shí)時(shí)考試記錄保存，自動(dòng)評(píng)分，就可以實(shí)現(xiàn)無紙化考試管理。

因此，這種虛擬數(shù)控維修技術(shù)有這么兩個(gè)典型特點(diǎn)：第一，操作安全。運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬仿真進(jìn)行數(shù)控實(shí)習(xí)教學(xué)操作更加安全，學(xué)生的實(shí)操過程和編程指令以及走刀路線都能在模擬仿真中體現(xiàn)出來，學(xué)生可以直觀地看到自己的加工工藝和加工方法是否正確，再上機(jī)床操作，避免了由于學(xué)生操作失誤而造成對(duì)學(xué)生自身和設(shè)備的危害。學(xué)生可以大膽嘗試多種選擇，消除或減少緊張情緒，減少練習(xí)初期由于緊張產(chǎn)生的畏懼心理。第二，允許出錯(cuò)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬仿真進(jìn)行數(shù)控實(shí)習(xí)教學(xué)允許出錯(cuò)。在模擬仿真中，可設(shè)計(jì)出多種實(shí)際工作中可能發(fā)生的變化，包括事故、故障和生產(chǎn)中極少出現(xiàn)的突然情況，使學(xué)生得到崗位技能的全面訓(xùn)練。如在設(shè)置換刀點(diǎn)時(shí)，如果離工件過近，學(xué)生就可以在仿真過程中看到換刀時(shí)刀具撞上工件的現(xiàn)象。

3.如何合理地將其應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)中去

針對(duì)虛擬數(shù)控仿真軟件的特點(diǎn)和中職學(xué)校數(shù)控技術(shù)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中存在的矛盾，在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論和雙主體教學(xué)模式的指導(dǎo)下，運(yùn)用虛擬仿真軟件數(shù)控建構(gòu)了一種適合中職數(shù)控專業(yè)課程課堂教學(xué)的探究型學(xué)習(xí)模式。該模式是基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的小組合作探究型學(xué)習(xí)模式。運(yùn)用虛擬仿真軟件開展數(shù)控技術(shù)專業(yè)課程的項(xiàng)目探究教學(xué)，有利于實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐一體化教學(xué)。在沒有虛擬仿真軟件的情況下，一個(gè)項(xiàng)目可能有多種解決方案，甚至還有的學(xué)生探究不出正確的方案。如果用真實(shí)的機(jī)床來檢驗(yàn)，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)料，還有可能損壞機(jī)床，造成事故。如果教師把所有學(xué)生的方案都進(jìn)行批閱，花費(fèi)時(shí)間太多，教學(xué)效率極低。運(yùn)用虛擬數(shù)控仿真軟件來檢驗(yàn)，不但省時(shí)省料，十分安全，還能提示錯(cuò)誤，解放了教師，學(xué)生自己就能知道自己的方案是否正確，不僅有利于探究型課堂的開展，也有利于學(xué)生實(shí)踐能力的提高。

4.合理利用軟件仿真，重視實(shí)際操作

雖然虛擬數(shù)控培訓(xùn)系統(tǒng)有如此出眾的功能，但是，在教學(xué)中，我們也發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生通過幾道程序的編寫后沾沾自喜，從而放松學(xué)習(xí)、訓(xùn)練渙散，最終只能落得一知半解的結(jié)果，嚴(yán)重影響了教學(xué)質(zhì)量和浪費(fèi)了教學(xué)資源。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的根源在于老師沒講明白軟件仿真與實(shí)際加工的區(qū)別，所以就要求教師具有把教學(xué)與生產(chǎn)結(jié)合起來的能力，只有具有了這種能力才能把軟件仿真教學(xué)與實(shí)際加工有機(jī)地結(jié)合起來，取長(zhǎng)補(bǔ)短，博采眾長(zhǎng)，有效地提高教學(xué)效率。因此，數(shù)控教學(xué)只能用軟件仿真進(jìn)行初期感性訓(xùn)練和基本程序與指令代碼的練習(xí)，而不能把整個(gè)教學(xué)活動(dòng)完全放在軟件上，對(duì)實(shí)際加工必須有足夠的重視。必須保證軟件仿真教學(xué)得到充分的運(yùn)用，同時(shí)，又要保證實(shí)際操作的地位得到權(quán)威性的提高，才能有效地組織數(shù)控教學(xué)，使數(shù)控教學(xué)既科學(xué)又客觀，既高效又實(shí)用。

三、總結(jié)

鑒于虛擬數(shù)控培訓(xùn)系統(tǒng)如此出眾的功能，把虛擬數(shù)控系統(tǒng)軟件引入到教學(xué)之中，使之用于數(shù)控機(jī)床操作培訓(xùn)，無疑是個(gè)明智之舉。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)床操作過程中產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)感和真實(shí)感。同時(shí)，由于其成本較低，可以大量地配置終端，徹底解決了數(shù)控機(jī)床數(shù)量不足的難題，使每位學(xué)員都能有足夠多的實(shí)踐機(jī)會(huì)，因此能夠讓學(xué)生更快地熟悉和了解數(shù)控加工的工作過程，掌握各種數(shù)控機(jī)床的操作方法。其更大的好處還在于，在實(shí)現(xiàn)了同樣培訓(xùn)效果的情況下，將加工出錯(cuò)率及事故發(fā)生率降低到了最低程度。

（作者單位：華東石油技師學(xué)院）