虛與實(shí)相結(jié)合的數(shù)控仿真系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用研究

汪榮青

摘要：隨著數(shù)控技術(shù)的深入發(fā)展，對數(shù)控技術(shù)人員的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)有了更高的要求，針對傳統(tǒng)數(shù)控仿真軟件中存在的問題，提出了解決方案。本文從教學(xué)實(shí)際出發(fā)，詳細(xì)地闡述了虛與實(shí)相結(jié)合的數(shù)控仿真系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用研究，將真實(shí)的操作面板與虛擬的仿真加工相結(jié)合，給數(shù)控加工技術(shù)的學(xué)習(xí)帶來了重大的影響。這一應(yīng)用可以減少訓(xùn)練實(shí)習(xí)成本，提高教學(xué)質(zhì)量，并且將數(shù)控仿真系統(tǒng)分模塊視頻教程、自動評分系統(tǒng)兩者與數(shù)控仿真系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的自學(xué)、自評，為提高數(shù)控加工技術(shù)的教學(xué)質(zhì)量提供了很大的保障。該模式對高職教育中其他課程的開展提供了借鑒意義。通過真實(shí)的操作面板與虛擬的仿真加工相結(jié)合的數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)課程實(shí)施，為實(shí)踐類課程校內(nèi)訓(xùn)練仿真化提供了一定的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)控仿真；職業(yè)教育；實(shí)踐教學(xué)；評教結(jié)合

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）16-0174-02

數(shù)控加工技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)中期，該技術(shù)最早可追溯到1952年的美國麻省理工學(xué)院，直到20世紀(jì)60年代早期，數(shù)控技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品制造領(lǐng)域[1]。真正的繁榮時代是在1972年前后隨著CNC技術(shù)的產(chǎn)生到來的。隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展、實(shí)訓(xùn)室開放等活動的開展，開放設(shè)施，自主訓(xùn)練[2]，數(shù)控實(shí)訓(xùn)教學(xué)就顯得尤為重要。數(shù)控實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程基本按照三個部分來完成，即工藝程序部分、機(jī)床操作部分和零件檢測完成部分，其過程圖如下圖所示。

顯然，數(shù)控機(jī)床操作是數(shù)控實(shí)訓(xùn)教學(xué)的中心環(huán)節(jié)。然而，數(shù)控機(jī)床操作實(shí)訓(xùn)，受到很多方面的制約。這其中影響最大的是數(shù)控系統(tǒng)種類和數(shù)控設(shè)備的臺套數(shù)。設(shè)備數(shù)量與學(xué)生規(guī)模之間的反差，嚴(yán)重影響數(shù)控實(shí)訓(xùn)、培訓(xùn)效果[3]，從而導(dǎo)致學(xué)生不能正確和熟練地操作數(shù)控機(jī)床。這不僅存在著嚴(yán)重的安全隱患，還影響了學(xué)校畢業(yè)生質(zhì)量與學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量。在傳統(tǒng)的職業(yè)教育中，常規(guī)的數(shù)控實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式是通過指導(dǎo)老師直接在生產(chǎn)性的數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行教學(xué)。但隨著國家對數(shù)控人才的需求，數(shù)控專業(yè)的學(xué)生和參加數(shù)控技能操作培訓(xùn)人數(shù)大幅度增加，這樣暴露出來的問題越來越多，有限的數(shù)控設(shè)備無法保證教學(xué)培訓(xùn)質(zhì)量。高價的數(shù)控設(shè)備使得教學(xué)投入成本很高。另一方面，由于生產(chǎn)性數(shù)控設(shè)備面向的是熟練操作人員，對于非熟練操作學(xué)習(xí)者存在著一定的危險性，極易對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行損壞，這種方式始終存在著一定的教學(xué)風(fēng)險。因此，傳統(tǒng)的數(shù)控技術(shù)培訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量低下，教師工作量大，教學(xué)費(fèi)用太高，不能滿足數(shù)控技術(shù)教學(xué)的發(fā)展。數(shù)控仿真技術(shù)可以仿真數(shù)控加工技術(shù)，模擬數(shù)控加工環(huán)境及其加工過程。數(shù)控仿真軟件是采用虛擬仿真技術(shù)于數(shù)控加工技術(shù)的仿真軟件。傳統(tǒng)的數(shù)控仿真軟件是將數(shù)控機(jī)床操作和數(shù)控加工都以仿真形式出現(xiàn)，這種仿真方式與真實(shí)的機(jī)床差距很大，學(xué)生通過這樣的方式仿真練習(xí)后并不能在真實(shí)的機(jī)床上進(jìn)行操作。

一、數(shù)控仿真系統(tǒng)的應(yīng)用

數(shù)控仿真系統(tǒng)在數(shù)控編程教學(xué)中的應(yīng)用。數(shù)控編程指令比較抽象，通常在課堂中，學(xué)生不易理解，編寫的程序不知道對錯，需要老師的檢查，無法自我查證。在課堂中采用數(shù)控仿真系統(tǒng)可以讓課堂教學(xué)變得形象有趣，易于理解。當(dāng)然，如果要進(jìn)行數(shù)控編程的校驗(yàn)，需要進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的操作，學(xué)習(xí)好數(shù)控機(jī)床的操作是進(jìn)行數(shù)控編程的編寫和校驗(yàn)的基礎(chǔ)，這也為后期的數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)打下了很好的基礎(chǔ)。同時，學(xué)生可以根據(jù)有趣的零件進(jìn)行編程操作和加工，仿真出真實(shí)結(jié)果。因此，采用數(shù)控仿真系統(tǒng)可以使得枯燥的理論知識變得生動形象，能夠提高理論課程的教學(xué)質(zhì)量。

數(shù)控仿真系統(tǒng)在實(shí)習(xí)教學(xué)中的應(yīng)用。數(shù)控加工實(shí)習(xí)的內(nèi)容是進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的操作，然后進(jìn)行對刀操作建立工件坐標(biāo)系，通過數(shù)控程序的編寫進(jìn)行零件的加工，完成零件的制造。這些內(nèi)容本來是在真實(shí)的機(jī)床上進(jìn)行的，學(xué)生需要進(jìn)行獨(dú)立操作。由于是切削真實(shí)的零件，很容易損壞設(shè)備、刀具和工件。仿真機(jī)床的操作安全性高，初學(xué)者不會因?yàn)檎`操作而產(chǎn)生人身傷害，也不會有材料、刀具的損耗，同時也解決了機(jī)床設(shè)備不足的問題。數(shù)控仿真系統(tǒng)與真實(shí)機(jī)床結(jié)合實(shí)習(xí)，可以提高實(shí)習(xí)效率。初學(xué)者首先在仿真機(jī)床上實(shí)習(xí)，達(dá)到熟練和正確操作之后再在真實(shí)機(jī)床上進(jìn)行實(shí)習(xí)，提高了實(shí)習(xí)的效果和質(zhì)量。在仿真機(jī)床上學(xué)生可以反復(fù)操作，不用擔(dān)心安全、危險等問題。而且仿真機(jī)床多機(jī)型多系統(tǒng)可以通過選擇，進(jìn)行不同機(jī)床的實(shí)習(xí)，學(xué)到更多的數(shù)控機(jī)床操作方法，為創(chuàng)新教學(xué)方法、拓展教學(xué)內(nèi)容提供了基礎(chǔ)。

二、當(dāng)前仿真機(jī)床的現(xiàn)狀

數(shù)控仿真機(jī)床的操作教學(xué)與真實(shí)機(jī)床一樣，需要老師在課堂上，認(rèn)真仔細(xì)的教學(xué)，學(xué)生不能課前進(jìn)行預(yù)習(xí)。而且對于不同的機(jī)型和系統(tǒng)的機(jī)床其操作方法不一樣，都需要進(jìn)行分別的講解與示范，如果進(jìn)行講解與示范，需要花較多的時間，同時學(xué)生學(xué)習(xí)的過程也需要更多的時間。這樣，數(shù)控仿真機(jī)床在學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中并沒有提供一些簡便的方式，學(xué)生學(xué)習(xí)時間較長難度較大。數(shù)控仿真系統(tǒng)過于理想化，數(shù)控仿真的過程是軟件在考慮理想切削狀態(tài)的過程。在這個過程中，機(jī)床的性能、材料、刀具等都處在理想狀態(tài)中，這與真實(shí)切削環(huán)境有著較大的落差。數(shù)控仿真的過程中是一個假定的狀態(tài)，并沒有考慮刀具在切削過程中材料的變化、切削溫度的變化、冷卻液的使用等情況，因此數(shù)控仿真的切削用量的選擇，并沒有在真實(shí)機(jī)床上加工那么嚴(yán)格。切削用量的數(shù)值偏離較大時，在仿真機(jī)床上可能不會有問題，但置于真實(shí)機(jī)床上就可能直接損壞刀具或機(jī)床設(shè)備。仿真過程并不能反映出實(shí)際的數(shù)控機(jī)床切削過程。安全操作意識淡化。由于數(shù)控仿真機(jī)床的操作不會產(chǎn)生危險，因此，會使學(xué)生養(yǎng)成對數(shù)控機(jī)床操作的隨意性、不規(guī)范不認(rèn)真的習(xí)慣，而這些習(xí)慣可能影響在真實(shí)機(jī)床的操作過程中。這些就會在真實(shí)實(shí)習(xí)的過程中產(chǎn)生危險，而且形成習(xí)慣以后，很難改進(jìn)，只能慢慢的在實(shí)踐中進(jìn)行糾正。學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)完成后對數(shù)控仿真機(jī)床的操作正確與錯誤，學(xué)生自己不能進(jìn)行評價，還是需要老師人為進(jìn)行檢查和指導(dǎo)。仿真完成的零件輪廓尺寸也需要人工的點(diǎn)擊測量，數(shù)控仿真中不能提供自動評分，學(xué)生自我不能對自己的操作和仿真的結(jié)果進(jìn)行打分。傳統(tǒng)的仿真系統(tǒng)，其評價體系還不夠完善，不能很好的促進(jìn)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)。

三、虛與實(shí)結(jié)合仿真系統(tǒng)的研究實(shí)踐

數(shù)控加工技術(shù)學(xué)習(xí)過程中首先通過認(rèn)知實(shí)踐課程的學(xué)習(xí)讓學(xué)生對數(shù)控加工技術(shù)有個基本的了解，通過一些案例激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。通過仿真系統(tǒng)的學(xué)習(xí)與數(shù)控編程課程內(nèi)容的結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生理實(shí)一體化的能力。在數(shù)控仿真系統(tǒng)學(xué)習(xí)中進(jìn)行教程導(dǎo)入、虛實(shí)結(jié)合、自我評價三個方面的創(chuàng)新實(shí)踐。真實(shí)操作面板與仿真加工過程相結(jié)合，嚴(yán)格規(guī)范操作。傳統(tǒng)的數(shù)控仿真軟件以純軟件的方式進(jìn)行，其虛擬程度太高，真實(shí)性差。而且由于其涉及的數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)型過多，給學(xué)生學(xué)習(xí)造成了一定的困難。學(xué)生需要在一種機(jī)型上學(xué)好學(xué)精，然后再拓寬到其他機(jī)型。所以真實(shí)的操作面板與實(shí)際機(jī)床上的面板相同，操作方法相同，結(jié)合虛擬的加工過程，以突出仿真性的優(yōu)點(diǎn)。通過這種虛實(shí)結(jié)合的數(shù)控仿真系統(tǒng)學(xué)習(xí)，學(xué)生很容易在真實(shí)的機(jī)床上上手，沒有陌生感，增加了親切性。數(shù)控機(jī)床操作教程的引入，進(jìn)行學(xué)習(xí)評價體系建設(shè)。在數(shù)控培訓(xùn)仿真機(jī)床上，加載測評和學(xué)習(xí)兩個模塊。用戶需要登錄才能進(jìn)入測評和學(xué)習(xí)模塊，登錄時需要輸入姓名、班級和密碼。登錄有兩個方式，一個是直接登錄，另一個是繼續(xù)操作。直接登錄就是重要開始，繼續(xù)操作是繼續(xù)前面中斷的操作。在測評菜單下，加載數(shù)控編程、機(jī)床操作、尺寸測量、結(jié)果提交四個模塊，每個操作模塊具體實(shí)現(xiàn)一種數(shù)控機(jī)床的操作功能，這幾個操作模塊涵蓋了數(shù)控機(jī)床操作的所有功能。在數(shù)控編程中加載了工藝設(shè)計、編程、語法檢查。在機(jī)床操作中加載了機(jī)床回零、自動加工、主軸啟動、試切法對刀。從工藝設(shè)計、第一次編程的正確率、加工效率、數(shù)控加工時的機(jī)床關(guān)鍵操作、仿真后的尺寸、程序中的切削用量、仿真完成時間等方面進(jìn)行。通過尺寸測量對數(shù)控仿真的零件尺寸進(jìn)行檢測，測量出仿真零件的實(shí)際尺寸。將所記錄的仿真數(shù)控機(jī)床的操作步驟與規(guī)范的操作步驟進(jìn)行比對，判斷學(xué)生對仿真機(jī)床操作的正確與否。將所測量出的實(shí)際尺寸與零件圖的要求尺寸進(jìn)行比較，得出結(jié)果比對。其中工藝設(shè)計通過菜單【測驗(yàn)/數(shù)控編程/工藝設(shè)計】實(shí)現(xiàn)，主要輸入工藝規(guī)劃的切削用量和刀具的圓角半徑。語法檢查，對編寫的數(shù)控程序進(jìn)行檢查，具體包括程序的規(guī)范化、非法字符檢查、詞法檢查、邏輯檢查。在學(xué)習(xí)菜單下，加載數(shù)控編程方法、仿真機(jī)床操作方法兩個模塊，每個操作模塊具體實(shí)現(xiàn)一種數(shù)控機(jī)床的操作功能，且都有正確操作方法的視頻講解。在數(shù)控編程方法中加載了工藝設(shè)計方法、編程方法。在機(jī)床操作方法中加載了機(jī)床回零方法、自動加工方法、主軸啟動方法、試切法對刀方法。

本文從教學(xué)實(shí)際出發(fā)，詳細(xì)的闡述了虛與實(shí)相結(jié)合的數(shù)控仿真系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用研究，真實(shí)的操作面板與虛擬的仿真加工相結(jié)合，給數(shù)控加工技術(shù)的學(xué)習(xí)帶來了重大的影響。通過這一措施可以減少訓(xùn)練實(shí)習(xí)成本，提高教學(xué)質(zhì)量。并且將數(shù)控仿真系統(tǒng)分模塊視頻教程、自動評分系統(tǒng)，兩者與數(shù)控仿真系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的自學(xué)、自評，為提高數(shù)控加工技術(shù)的教學(xué)質(zhì)量提供了很大的保障。在實(shí)際過程中，通過兩屆學(xué)生的試用實(shí)施，效果較好。

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