基于半實物仿真的機(jī)床電氣故障檢修實訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計

李力

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410208）

1 引言

“中國制造2025”提出“要加快培養(yǎng)制造業(yè)發(fā)展急需的專業(yè)技術(shù)人才、經(jīng)營管理人才、技能人才”。機(jī)床是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)備，是先進(jìn)制造技術(shù)的載體和基本生產(chǎn)手段。我國作為“世界工廠”，已成為世界上最大的機(jī)床消費和使用大國。機(jī)床使用過程中需要大量的機(jī)床維護(hù)和維修技能人才，如何培養(yǎng)大批符合企業(yè)需求的高質(zhì)量的機(jī)床維護(hù)和維修技術(shù)技能型人才成了目前開設(shè)相關(guān)專業(yè)的職業(yè)院校需要解決的問題。

2 機(jī)床電氣故障檢修實訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀

由于目前市場上機(jī)床種類多、體積大、能耗高，基于真實機(jī)床的技能實訓(xùn)設(shè)施的建設(shè)成本較高，采用真實機(jī)床設(shè)備進(jìn)行故障檢修實訓(xùn)，在面向初學(xué)者和學(xué)生人數(shù)較多的實訓(xùn)課中，機(jī)床運行過程中的噪音、能耗以及機(jī)床的機(jī)械運動帶來的危險都不利于教學(xué)的開展，因此，機(jī)床電氣控制線路安裝和故障檢修技能實訓(xùn)室大多采用機(jī)械與電氣分離的方法來訓(xùn)練學(xué)生的實踐技能，電氣線路及元件與真實機(jī)床保持一致，機(jī)械結(jié)構(gòu)部分用圖形替代，這種方案的好處在于克服了采用真實機(jī)床進(jìn)行實訓(xùn)教學(xué)所帶來的占用空間大、噪音能耗大等缺陷，能在較少的設(shè)備要求和較低成本的情況下給學(xué)生提供實訓(xùn)條件。

但是，電氣與機(jī)械分離的實訓(xùn)方式在實訓(xùn)教學(xué)過程中也暴露了一些問題，機(jī)床是一種典型機(jī)電一體化設(shè)備，在機(jī)床工作以及檢修過程中，機(jī)械結(jié)構(gòu)與電氣控制是不能完全分離開的，因此，在教學(xué)以及學(xué)生在實訓(xùn)過程中，由于缺乏真實機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)參照，學(xué)生往往只關(guān)注普通電動機(jī)的各種控制環(huán)節(jié)，而對機(jī)床機(jī)械運動和電氣控制的相互配合理解較差，在實訓(xùn)過程中無法體現(xiàn)機(jī)床電氣控制故障檢修的綜合性，而且，這種機(jī)械與電氣分離的實訓(xùn)方式，將使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中缺乏真實感和現(xiàn)場感，訓(xùn)練過程抽象，實訓(xùn)過程中，學(xué)生看到的只是電動機(jī)的轉(zhuǎn)動，而不是機(jī)床的機(jī)電一體化運行，并且，部分與機(jī)床機(jī)械動作相關(guān)的故障無法通過直觀的故障現(xiàn)象來表達(dá)，將機(jī)床控制線路故障檢修變成了電動機(jī)電氣控制回路的檢修，機(jī)床電氣故障檢修技能實訓(xùn)教學(xué)效果不佳。

3 實訓(xùn)教學(xué)設(shè)備改進(jìn)

實訓(xùn)教學(xué)是依托實訓(xùn)教學(xué)設(shè)備來開展的，因此，實訓(xùn)教學(xué)設(shè)備的研發(fā)在整個實訓(xùn)教學(xué)過程中的重要性是不可忽視的，針對機(jī)床電氣故障檢修實訓(xùn)教學(xué)以及考核過程出現(xiàn)的問題，研發(fā)了一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的半實物仿真教學(xué)系統(tǒng)（發(fā)明專利授權(quán)2015105629921），該系統(tǒng)基于計算機(jī)圖形處理技術(shù)，將機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行虛擬化，而實訓(xùn)練習(xí)的直接工作對象即機(jī)床電氣控制部分采用真實部件，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

機(jī)床電氣故障檢修的半實物仿真實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，由機(jī)床電氣控制柜、機(jī)床操作控制臺、故障設(shè)置組件、數(shù)據(jù)交換組件、仿真計算機(jī)和顯示及語音組件組成，半實物體現(xiàn)在機(jī)床電氣控制柜和機(jī)床控制臺全部采用真實元件，而機(jī)床的機(jī)械部分則由仿真計算機(jī)和顯示及語音組件進(jìn)行虛擬仿真展示，虛實之間的信息交換由數(shù)據(jù)交換組件完成，故障設(shè)置組件用于機(jī)床電氣控制線路的故障設(shè)置。

主令電器如按鈕開關(guān)、旋轉(zhuǎn)開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)、行程開關(guān)等置于機(jī)床控制臺上，接觸器、熱繼電器、中間繼電器、熔斷器、控制變壓器等及其連接電路和輔助設(shè)備置于機(jī)床電氣控制柜中，信號燈、照明燈、主軸電動機(jī)、冷卻泵電動機(jī)、刀架快速移動電動機(jī)及其拖動機(jī)構(gòu)和機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過計算機(jī)程序在大屏幕顯示器上顯示。

如圖2所示，機(jī)床電氣控制柜由雙層板構(gòu)成，包括底板和面板，各電氣控制器件（包括但不限于接觸器、行程開關(guān)、按鈕開關(guān)、各類繼電器等）固定于底板之上，各器件的端子均被引出到置于面板上的同名接線端子上，且中間串接有一個由控制器控制通斷的微型繼電器，用于故障點的設(shè)置，面板置于底板上方，面板在相應(yīng)電氣器件的位置上開有窗孔，使置于底板之上的各電氣元件穿過面板，以便操作者可以通過該窗孔觀察或者操作該電氣元件，面板上布置有與各電氣器件相連接的接線端子，并在各端子處標(biāo)有該器件及各端口的符號，且在各端子處設(shè)置有一個用于接線指示的多色LED指示燈，面板上布置有線槽，用于導(dǎo)線的布線。

圖2 電氣控制柜的結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)交換組件承擔(dān)機(jī)床電氣控制系統(tǒng)與虛擬仿真系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)反饋模塊、控制器、雙向數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。數(shù)據(jù)采集模塊通過檢測機(jī)床電氣控制柜的輸出端子輸出的電壓、相序等參數(shù)，控制器通過雙向數(shù)據(jù)傳輸模塊將這些參數(shù)輸送至仿真計算機(jī)，虛擬仿真系統(tǒng)產(chǎn)生的虛擬行程開關(guān)、限位開關(guān)等信號由數(shù)據(jù)反饋模塊輸出至機(jī)床電氣控制柜的控制信號輸入端子，完成機(jī)床電氣控制的閉環(huán)，進(jìn)而完成虛實聯(lián)動。

圖3 數(shù)據(jù)交換組件結(jié)構(gòu)原理圖

板上載有多個由單片機(jī)控制通斷的微型繼電器，該微型繼電器用于機(jī)床電氣控制線路故障的設(shè)置，微型繼電器的輸出端子由導(dǎo)線連接至電氣器件端子與對應(yīng)的面板端子之間，即將微型繼電器的輸出端子串接在電氣器件端子與對應(yīng)的面板端子中間。

圖4 故障設(shè)置組件結(jié)構(gòu)原理圖

機(jī)床電氣控制線路的故障設(shè)置由故障設(shè)置組件完成，故障設(shè)置組件主要由控制器、微型繼電器等組成，將原電氣線路的連接線斷開分別接入微型繼電器的常閉觸點兩端，設(shè)置故障時，只需控制微型繼電器通電，其常閉觸點斷開，造成回路的斷路故障，學(xué)生查出該故障點后，故障設(shè)置組件控制對應(yīng)的微型繼電器掉電，其常閉觸點閉合，線路即恢復(fù)導(dǎo)通，故障消失。

未設(shè)置故障狀態(tài)下，學(xué)生操作機(jī)床運行，比如按下啟動按鈕后，機(jī)床電氣控制系統(tǒng)開始工作，數(shù)據(jù)交換組件的數(shù)據(jù)采集模塊監(jiān)測機(jī)床電氣控制柜的輸出端子，將所得信號參數(shù)傳送至仿真計算機(jī)，虛擬仿真系統(tǒng)則根據(jù)這些參數(shù)驅(qū)動虛擬機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)運動，學(xué)生可以通過顯示屏幕和語音設(shè)備觀察到機(jī)床對應(yīng)的動作現(xiàn)象并能聽到動作所產(chǎn)生的聲音，虛擬機(jī)床運行過程中產(chǎn)生的行程開關(guān)、限位開關(guān)等動作信號則通過數(shù)據(jù)交換組件的數(shù)據(jù)反饋模塊返回至機(jī)床電氣控制柜，完成機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的完整運行。

圖5 虛擬仿真軟件工作過程

若某控制回路已設(shè)置故障，系統(tǒng)運行后，數(shù)據(jù)交換組件的數(shù)據(jù)采集模塊將檢測到的該控制回路的電壓、相序等參數(shù)傳送至仿真計算機(jī)，由于該回路已設(shè)置故障，虛擬仿真系統(tǒng)獲取到的參數(shù)為非正常值，虛擬仿真軟件根據(jù)這一數(shù)據(jù)產(chǎn)生對應(yīng)的故障現(xiàn)象，比如電機(jī)不運行、機(jī)械部件不動作等，學(xué)生可以通過顯示屏幕觀察到這一異常現(xiàn)象，進(jìn)而根據(jù)檢修方法進(jìn)行檢修工作。

4 實訓(xùn)效果

從機(jī)電一體化專業(yè)大二年級初次學(xué)習(xí)《機(jī)床電氣故障檢修》課程的5個班中隨機(jī)抽取2個小組（每組3位同學(xué)）進(jìn)行教學(xué)對比，1個小組采用原有機(jī)床檢修設(shè)備進(jìn)行教學(xué)，另外1組采用本文所述半實物仿真實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)開展教學(xué)，實訓(xùn)結(jié)束后對故障檢修結(jié)果考核及過程評價。

從表1的成績可以看出，采用本文所述半實物仿真實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)開展教學(xué)的小組平均成績均高于采用原有設(shè)備的小組，且成績均為良好以上，這也說明了半實物仿真實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)優(yōu)于原有設(shè)備。

表1 故障檢修結(jié)果考核及過程評價

一個學(xué)期后，將各小組學(xué)生重新召集起來，按照原來分組進(jìn)行再次考核，考核前不進(jìn)行任何指導(dǎo)和訓(xùn)練，各小組直接進(jìn)行檢修技能考核，得出成績?nèi)绫?所示。

表2 再次考核成績

從表2可以看到，經(jīng)過一個學(xué)期的時間后重新進(jìn)行機(jī)床電氣控制系統(tǒng)故障檢修技能考核，各小組的成績均有下降，但是，相較于采用原有設(shè)備的小組，采用半實物仿真實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)的小組的成績下跌幅度相對較小，這是由于半虛擬半實物的仿真實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)增加了虛擬視覺元素，學(xué)生能直觀地觀察機(jī)床運行及故障現(xiàn)象，對知識和技能點的理解及掌握更深刻。

另外，從授課教師的反饋來看，采用半實物仿真實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)的小組的教學(xué)過程需要教師干預(yù)的次數(shù)明顯少于采用原有設(shè)備的小組，實訓(xùn)教學(xué)的負(fù)荷較大程度得到了減輕。

5 結(jié)語

機(jī)床電氣故障檢修的半實物仿真實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)在保留機(jī)床電氣控制系統(tǒng)真實性的基礎(chǔ)上借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)將機(jī)床的機(jī)電系統(tǒng)結(jié)合在一起，解決了原有的機(jī)床電氣故障檢修實訓(xùn)中存在電氣控制回路與機(jī)械結(jié)構(gòu)分離的問題，擺脫了機(jī)械與電氣分離的實訓(xùn)方式，增強(qiáng)了技能實訓(xùn)過程中的真實感和臨場感，使學(xué)生在故障檢修過程中更直觀地理解機(jī)床工作過程中機(jī)械與電氣的相互結(jié)合，同時還減少了機(jī)床設(shè)備的投入，節(jié)約了教學(xué)場地，改善了教學(xué)環(huán)境，降低了能源消耗，由于檢修過程中，機(jī)床的機(jī)械運動部分采用計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，整個教學(xué)系統(tǒng)沒有電動機(jī)及其拖動機(jī)械結(jié)構(gòu)的運動，教學(xué)中發(fā)生安全事故的幾率大幅降低，簡化了教學(xué)管理，教學(xué)環(huán)境得到極大的改善。