虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用

徐樂+楊東

【摘 要】數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)課程是高校工程訓(xùn)練的重要課程，由于數(shù)控設(shè)備價(jià)格昂貴，各高校擁有數(shù)控設(shè)備數(shù)量較少、學(xué)生平均上機(jī)操作時(shí)間較短，學(xué)生實(shí)踐能力得不到真正提高。通過將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)中可以彌補(bǔ)上述不足，并能夠提高實(shí)訓(xùn)安全性，有效增強(qiáng)學(xué)生實(shí)訓(xùn)效果，提高學(xué)生創(chuàng)新能力，對提升數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量有著重要意義。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真；數(shù)控加工；工程實(shí)訓(xùn)

中圖分類號： TG659-4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）23-0015-002

【Abstract】The numerical control machining practical training course is very important in the university engineering training courses.Because the numerical control equipment is very expensive，the number of numerical control equipment in each school is less，which results in the shorter average operation time of students.Finally，the practical ability of students can not be truly improved.With the virtual simulation technology applied in the practical training of numerical control machining，the above deficiencies can be compensated，and the security of practical training can be improved.The effect of practical training and innovative ability of students are effectively enhanced，and the virtual simulation technology is of great importance in improving teaching quality of numerical control machining practical training.

【Key words】Virtual simulation；Numerical control machining；Engineering training

0 引言

隨著我國創(chuàng)新科技的發(fā)展和“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等多個(gè)理念的提出和實(shí)施，我國的經(jīng)濟(jì)、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)等正進(jìn)行快速發(fā)展，而在各方面快速發(fā)展的狀態(tài)下，必然要求更多具有創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的工程型技術(shù)人才。同時(shí)，在“新工科”理念提出和實(shí)施后，我國對人工智能、高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人等多個(gè)專業(yè)人才的數(shù)量需求越來越多、質(zhì)量要求越來越高，這促使高校加強(qiáng)對復(fù)合型、綜合性技術(shù)人才培養(yǎng)，不斷提高學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力、整合能力。

工程實(shí)訓(xùn)課程是高校培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型工程技術(shù)人才的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，是學(xué)生培養(yǎng)創(chuàng)新思維和提升創(chuàng)新意識的必修課程，也是高校中受眾人數(shù)最多的一門課程。數(shù)控加工技術(shù)是實(shí)訓(xùn)課程中應(yīng)用范圍最廣、實(shí)踐性最強(qiáng)的重要課程之一，對學(xué)生的實(shí)踐能力培養(yǎng)、創(chuàng)新意識形成、綜合能力提高等多方面有著重要的影響。然而，由于數(shù)控機(jī)床設(shè)備較為昂貴，機(jī)床的刀具、保養(yǎng)、維護(hù)等也需要大量資金投入，所以各高校用于實(shí)訓(xùn)的數(shù)控設(shè)備數(shù)量較為有限。將有限的數(shù)控設(shè)備用于學(xué)習(xí)人數(shù)較多的數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)課程學(xué)習(xí)對高校來說無疑是一個(gè)大難題，而且讓眾多學(xué)生圍繞在高速旋轉(zhuǎn)的數(shù)控機(jī)床周圍進(jìn)行入門學(xué)習(xí)和操作很容易引發(fā)安全事故。因此，如何解決數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)條件問題、改進(jìn)數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法、提高學(xué)生數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)效果是數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)急需解決的重要問題。

1 數(shù)控加工虛擬仿真

數(shù)控加工虛擬仿真是通過計(jì)算機(jī)虛擬仿真模型將數(shù)控機(jī)床的各組成結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式、邏輯關(guān)系等用三維動畫的方式展現(xiàn)出來。數(shù)控加工虛擬仿真軟件能夠?qū)ぜ庸さ娜^程進(jìn)行模擬，并可以從多角度觀看加工時(shí)刀具的切削路徑和工件加工效果。對初學(xué)數(shù)控機(jī)床的學(xué)生來說，使用數(shù)控加工虛擬仿真軟件學(xué)習(xí)數(shù)控加工的操作步驟可以將機(jī)床的運(yùn)作和工件的加工過程立體地呈現(xiàn)出來。

數(shù)控加工虛擬仿真可以對預(yù)加工工件進(jìn)行多次反復(fù)模擬加工，并通過多次的模擬加工不斷改進(jìn)工件的加工方法、提高工件的加工效果，為真實(shí)環(huán)境下加工工藝分析及程序編寫提供參照，保證了工藝分析的可行性、程序運(yùn)行可靠性，避免因工藝不合理或程序出錯(cuò)造成的刀具碰撞或引起其他突發(fā)狀況。

2 數(shù)控加工虛擬仿真在實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用

基于虛擬仿真技術(shù)的數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法改變了以往僅在數(shù)控機(jī)床前對學(xué)生進(jìn)行教學(xué)的單一形式，通過加入虛擬仿真技術(shù)可以讓學(xué)生通過仿真軟件和三維模型深化對數(shù)控機(jī)床的學(xué)習(xí)，并讓學(xué)生從多角度、全方位對數(shù)控機(jī)床的構(gòu)造及各組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)識和學(xué)習(xí)。此外，在工件加工前學(xué)生可以對數(shù)控機(jī)床的整個(gè)操作和加工過程進(jìn)行仿真和模擬。圖1為數(shù)控加工虛擬仿真在實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用方法。

首先，在學(xué)生參加數(shù)控機(jī)床實(shí)訓(xùn)時(shí)，學(xué)生要到數(shù)控機(jī)床實(shí)訓(xùn)場地對所操作機(jī)床的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、特征及操作面板等進(jìn)行認(rèn)識和學(xué)習(xí)。在此基礎(chǔ)上，讓學(xué)生學(xué)習(xí)工件安裝、刀具安裝、卡盤拆裝等知識點(diǎn)。在學(xué)生對數(shù)控機(jī)床知識有一定了解后，向?qū)W生演示對刀及簡單的操作加工。

學(xué)生對數(shù)控機(jī)床及數(shù)控加工過程有一定認(rèn)識之后，學(xué)生就可通過數(shù)控虛擬仿真軟件學(xué)習(xí)和練習(xí)數(shù)控機(jī)床的開關(guān)機(jī)、換刀、對刀、工件旋轉(zhuǎn)、簡單的工件加工等操作過程，同時(shí)可以學(xué)習(xí)操作面板上各個(gè)功能鍵和輸入鍵的用法和作用，在學(xué)習(xí)過程中。如若學(xué)生操作錯(cuò)誤或是虛擬機(jī)床停止運(yùn)行，學(xué)生可以隨時(shí)返回操作或是重啟軟件，減少了實(shí)際中因誤操作引起的設(shè)備損壞和人員傷亡。endprint

在學(xué)生熟練數(shù)控加工的操作流程后，讓學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)控機(jī)床的加工原理及數(shù)控編程方法。數(shù)控編程的學(xué)習(xí)之所以放在學(xué)生熟悉數(shù)控機(jī)床之后，是因?yàn)檫@樣學(xué)生更容易學(xué)習(xí)數(shù)控編程的邏輯思維、程序代碼意義及各段編程的作用。在學(xué)習(xí)編程的過程中將工件加工的工藝分析和路徑分析貫穿其中，讓學(xué)生通過實(shí)例形象地學(xué)習(xí)數(shù)控編程。為了檢驗(yàn)編程是否正確、合理，學(xué)生可以將所編程序輸入數(shù)控虛擬仿真軟件，通過仿真軟件對工件加工時(shí)的走刀路徑和加工后的效果進(jìn)行模擬分析，從而檢驗(yàn)編寫的程序是否準(zhǔn)確、合理。

最后，在學(xué)生對數(shù)控機(jī)床的操作過程、程序的編寫方法、工件加工的工藝分析等知識充分學(xué)習(xí)后，指導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立上機(jī)操作，將前期所學(xué)的知識點(diǎn)在真實(shí)數(shù)控機(jī)床環(huán)境下進(jìn)行演練。通過這種數(shù)控機(jī)床與數(shù)控虛擬仿真軟件的交互學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生對數(shù)控加工流程的認(rèn)識，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)控加工的積極性，讓學(xué)生有充足的時(shí)間和機(jī)會，通過多種途徑深入學(xué)習(xí)數(shù)控加工技術(shù)。

3 數(shù)控加工虛擬仿真在實(shí)訓(xùn)中應(yīng)用的優(yōu)勢

3.1 增強(qiáng)了學(xué)生數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)效果，提高了學(xué)生動手操作能力

數(shù)控加工虛擬仿真運(yùn)用到實(shí)訓(xùn)教學(xué)中可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床的各個(gè)部件及輔助工具進(jìn)行立體演示，擺脫了傳統(tǒng)教學(xué)中通過平面圖或是觀察數(shù)控設(shè)備外觀進(jìn)行想象。同時(shí)，數(shù)控加工虛擬仿真軟件可以模擬出現(xiàn)實(shí)環(huán)境中數(shù)控操作和工件加工過程，能夠?qū)斎氲臄?shù)控程序進(jìn)行識別和檢驗(yàn)，其操作面板、運(yùn)行系統(tǒng)等都可以按實(shí)際需求進(jìn)行修改，學(xué)生像在真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行各項(xiàng)功能操作，給初學(xué)者提供大量的練習(xí)操作時(shí)間，為后續(xù)的上機(jī)實(shí)訓(xùn)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)，有效提高學(xué)生的數(shù)控加工操作能力。

3.2 提高了數(shù)控機(jī)床的有效利用率，降低了實(shí)訓(xùn)耗材的浪費(fèi)

各高校在開設(shè)數(shù)控加工課程時(shí)，由于數(shù)控設(shè)備數(shù)量及數(shù)控教學(xué)老師人員數(shù)量有限，數(shù)控加工教學(xué)模式一般是數(shù)十位學(xué)生集中在一臺數(shù)控設(shè)備周圍學(xué)習(xí)。由于開設(shè)數(shù)控加工的課時(shí)是固定的，所以在學(xué)習(xí)數(shù)控操作過程中，每個(gè)學(xué)生的實(shí)際上機(jī)操作時(shí)間較少、操作能力難以得到快速提高。將數(shù)控加工虛擬仿真運(yùn)用到實(shí)訓(xùn)教學(xué)中可以讓學(xué)生在數(shù)控加工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室內(nèi)學(xué)習(xí)基本的數(shù)控機(jī)床操作知識，反復(fù)鍛煉學(xué)生的數(shù)控操作能力，在學(xué)生具備數(shù)控操作能力后再分批次、分階段進(jìn)行真實(shí)環(huán)境下的上機(jī)操作，最大程度實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的利用效率，同時(shí)減少學(xué)生在初學(xué)過程中對加工耗材不合理使用，降低了實(shí)訓(xùn)過程中耗材浪費(fèi)。

3.3 增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)訓(xùn)安全性、降低了數(shù)控機(jī)床故障發(fā)生率

數(shù)控加工虛擬仿真運(yùn)用到實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，合理地將學(xué)生的初學(xué)操作過程放到虛擬環(huán)境下，減少學(xué)生在實(shí)際初學(xué)過程中因誤操作造成的人員傷害及機(jī)床損壞，在提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率的同時(shí)增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)訓(xùn)的安全性。同時(shí)，由于數(shù)控程序調(diào)試過程是在虛擬環(huán)境下先行完成，所以在后期上機(jī)過程中縮短了程序調(diào)試時(shí)間，降低了數(shù)控設(shè)備的消耗，在加工一些復(fù)雜零件時(shí)，有效降低了程序出錯(cuò)的可能性，減少刀具損害及工件破壞的幾率，從而降低數(shù)控機(jī)床發(fā)生故障的概率。

3.4 拓寬了學(xué)生專業(yè)知識面、提高了學(xué)生創(chuàng)新能力

虛擬制造和智能加工已經(jīng)成為制造業(yè)發(fā)展的目標(biāo)和方向，虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用可以讓學(xué)生認(rèn)識到智能加工在行業(yè)應(yīng)用中的前景，促進(jìn)學(xué)生對未來就業(yè)方向的正確把握。同時(shí)，數(shù)控虛擬仿真軟件給學(xué)生提供了一個(gè)生動、逼真的數(shù)控操作學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生成為虛擬環(huán)境的參與者，變被動的傳授為主動的交互學(xué)習(xí)，無形中培養(yǎng)了學(xué)生在智能加工行業(yè)的創(chuàng)新意識，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

4 結(jié)語

將數(shù)控加工虛擬仿真運(yùn)用到實(shí)訓(xùn)中是對實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法的探索與改進(jìn)，它通過合理地安排數(shù)控加工教學(xué)內(nèi)容和授課方式來提高學(xué)生對數(shù)控加工的學(xué)習(xí)效果，為學(xué)生提供了足夠的學(xué)習(xí)時(shí)間和操作空間，從而有效提升了學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，為學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)營造了良好的學(xué)習(xí)氛圍。這種探索與改進(jìn)對數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果和質(zhì)量提升有很大的促進(jìn)作用，對“新工科”背景下培養(yǎng)高技術(shù)綜合性人才具有重要意義。

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