數(shù)控模擬仿真教學實訓平臺設計開發(fā)及應用

任炳新

摘 要：在當前的數(shù)控專業(yè)實訓教學中，普遍存在的問題是學習效率低、實訓費用高，培訓教師事倍功半，學生反映收獲寥寥。這種情況已經(jīng)嚴重制約了數(shù)控專業(yè)學生實際操作能力的培養(yǎng)提高，不能滿足當前職業(yè)教育的發(fā)展要求。因此設計開發(fā)一種新的數(shù)控實訓教學解決方案來代替當前的實訓教學方式，就成為大勢所趨。數(shù)控系統(tǒng)仿真技術的出現(xiàn)，是解決這一問題的重要途徑。但是在數(shù)控教學中引入仿真系統(tǒng)，應該作為學生熟悉了解數(shù)控系統(tǒng)實際操作的過渡手段，在一定范圍內進行，之后仍然需要讓學生在做好準備的情況下參與數(shù)控系統(tǒng)的實際操作學習。在此需求下，應用虛實一體化的原則，采取數(shù)字化雙胞胎的工作原理，提出了一個全新的模擬仿真實訓平臺設計項目，使得學生培訓時首先能夠結合上課學習到的理論知識完成PLC程序編寫和數(shù)控項目設計，通過在模擬仿真單元測試無誤后，同步在實際試驗平臺上面運行確認實際效果，大大提高了學生的操作安全性和實際動手能力。

關鍵詞：數(shù)控模擬仿真;虛實一體化;數(shù)字化雙胞胎

一、項目背景

在當前的數(shù)控專業(yè)實訓教學中，要求對控制系統(tǒng)加工編程與實際操作的培訓練習必須在真正的數(shù)控設備上進行。但是隨著數(shù)控專業(yè)學生人數(shù)的持續(xù)增長，傳統(tǒng)實訓培養(yǎng)模式出現(xiàn)了一些瓶頸。首先，受資金和場地的限制，學校先進數(shù)控機床的增長遠遠無法滿足每位學生有充分的實際操作需求。而且，數(shù)控技術的進步日新月異，應用新技術的數(shù)控機床成本較高;數(shù)控機床的技術含量高，價格昂貴，維修保養(yǎng)的費用極高，很多學校都無法承受大量數(shù)控機床的投入。其次，學生在真實機床上操作具有一定的危險性，學生在數(shù)控機床上面進行實際操作練習的時候，如果準備不充分，出錯在所難免，訓練中的操作錯誤經(jīng)常會引起數(shù)控設備的受損，甚至發(fā)生人身傷害事故。在當前的數(shù)控專業(yè)實訓教學中，普遍存在的問題是學習效率低、實訓費用高，培訓教師事倍功半，學生反映收獲寥寥。這種情況已經(jīng)嚴重制約了數(shù)控專業(yè)學生實際操作能力的培養(yǎng)提高，不能滿足當前職業(yè)教育的發(fā)展要求。因此設計開發(fā)一種新的數(shù)控實訓教學解決方案來代替當前的實訓教學方式，，就成為大勢所趨。數(shù)控系統(tǒng)仿真技術的出現(xiàn)，是解決這一問題的重要途徑。

數(shù)控系統(tǒng)模擬仿真技術，能夠模擬數(shù)控機床系統(tǒng)實際運行環(huán)境和工作狀態(tài)，是一種能夠將數(shù)控仿真技術應用于實際數(shù)控系統(tǒng)操作編程技能培訓的設計方法。使用數(shù)控模擬仿真系統(tǒng)進行實訓練習和操作培訓，不但能夠迅速的提升學生的實際操作水平和數(shù)控理論基礎，而且安全性高、可靠性強，學習培訓的費用較低。數(shù)控模擬仿真系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)成為了現(xiàn)代化數(shù)控數(shù)控專業(yè)對學生進行系統(tǒng)編程和實際操作培養(yǎng)的重要方式。通過數(shù)字模擬仿真系統(tǒng)采用自動控制原理、人工智能理論和專業(yè)教學數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，對數(shù)控機床從結構到生產(chǎn)工藝流程，為每一個功能模塊建立出內在模型，用通用電腦系統(tǒng)能夠兼容運行的模擬仿真設計方法，實現(xiàn)了數(shù)控專業(yè)實訓教學的各個學習環(huán)節(jié)。

但是這種方式也存在一定的缺點，不論是通過物理手段進行模擬仿真還是通過數(shù)字設計模擬仿真，它們的設計原理只是盡可能接近實際工作環(huán)境，而不可能與客觀實際情況完全一致。因此，不論數(shù)控模擬仿真系統(tǒng)采用何種先進設計手段，也不可能完全等同于實際的加工過程。

在數(shù)控教學中引入仿真系統(tǒng)，應該作為學生熟悉了解數(shù)控系統(tǒng)實際操作的過渡手段，在一定范圍內進行，之后仍然需要讓學生在做好準備的情況下參與數(shù)控系統(tǒng)的實際操作學習。對于數(shù)控專業(yè)學生初期實際操作學習，應當以數(shù)控模擬仿真培訓為主，數(shù)控機床實際操作培訓為輔。到了數(shù)控專業(yè)學生后期實際操作學習，就應該以數(shù)控機床實際操作培訓為主，讓學員能夠在實際機床培訓中積累操作經(jīng)驗。如此一方面讓學生了解和熟悉數(shù)控實際操作步驟，而前期模擬另一方面也是對仿真實習成果的驗證和提升。

還有很重要的一點就是，如果缺乏在實際數(shù)控機床上面動手操作，長期只在數(shù)控模擬仿真系統(tǒng)上訓練實習，容易造成學生的安全意識淡漠、對操作要求態(tài)度隨意，為以后工作留下隱患;這些缺點只有通過實際操作才能加以糾正。

在此需求下，應用虛實一體化的原則，采取數(shù)字化雙胞胎的工作原理，提出了一個全新的模擬仿真實訓平臺設計項目，結合了計算機+PLC模擬仿真平臺和實際數(shù)控試驗平臺為一體，集成了當前較先進的設計理念和技術，使得學生培訓時首先能夠結合上課學習到的理論知識完成PLC程序編寫和數(shù)控項目設計，通過在模擬仿真單元測試無誤后，同步在實際試驗平臺上面運行確認實際效果，大大提高了學生的操作安全性和實際動手能力。而且此設計項目能夠成為學生日后學習了解數(shù)字化雙胞胎技術的前置學習平臺。

二、應用場合和范圍

將模擬仿真系統(tǒng)實訓平臺應用在數(shù)控理論課程練習中，能夠讓課堂上的數(shù)控理論教學更加具體生動，能夠有效提升教學效果。數(shù)控專業(yè)教學中理論和實踐結合緊密，教師在課堂中數(shù)控編程方法進行分析講解，闡述數(shù)控機床的操作注意事項和加工工藝的處理技巧;而且能夠使用模擬仿真數(shù)控系統(tǒng)直觀明了的展示數(shù)控系統(tǒng)加工過程。而學生則能夠使用數(shù)控模擬仿真平臺來測試自己設計編寫的加工程序及生產(chǎn)工藝操作處理在不同類型機床和不同數(shù)控系統(tǒng)上面的運行狀況。而且還能夠在實訓平臺上面同步運行模擬仿真通過的設計程序，觀察和驗證實際工作情況，提高學生的實操能力和學習效率。模擬仿真實訓平臺這種虛實一體的設計方式和數(shù)字化雙胞胎的理念運用能夠讓學生更直觀的在現(xiàn)場實時觀察到實際的運行效果。

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