虛擬數控培訓系統在實際教學中的應用

林萬里

根據機床行業調查，數控人才的市場需求主要包含數控操作、數控編程和技術含量較高的數控機床調試、維護與維修。汽車、模具、航空航天、裝備制造企業急需大量數控技術人才。數控設備是典型的機電一體化設備，涉及機械、電氣、液壓、計算機、伺服控制、PLC（可編程控制器）等多個領域。數控人才的培養不僅要求掌握上述相關的理論知識，更重要的是要求對其中的各項技能進行實踐和訓練。數控虛擬機床的發展為數控專業人才的培養提供了較好的教學和實訓手段。

一、現有數控專業教學中存在的問題

目前各技工院校數控課教學中，理論課與實踐教學比例應該為1:1，而目前數控設備均為大型設備，價格較為昂貴，一臺教學用的數控車床或銑床價格在8萬元左右，生產用的數控機床少則幾十萬，多則上百萬。然而許多職業學校經濟拮據，數控設備嚴重缺乏，教師不得不以理論講授為主，學生動手獨立操作與實際維修訓練的機會很少。有些職業學校即使有數控設備，數量也非常有限，只能給學生做些演示試驗，不能適應實訓教學，每個學生在數控機床上的獨立操作實訓時間很少，而且實訓重點也僅放在數控機床的簡單操作上，嚴重脫離生產實際，實訓效果很差。主要存在下面幾個突出問題。

1.數控加工專業

雖然教師在課堂上講授了關于數控編程的相關知識，學生也能夠進行獨立編程，但是學生設計的程序難免出現各種問題，如果直接用學生編制的程序加工，就會出現各種撞刀事件，這樣不僅損壞了機床，而且對于學生也可能出現人身傷害。如果有一套軟件，能夠在正式加工之前能夠檢驗程序的正確性，那么學生再進行實際加工時，會更加安全和準確。

2.數控維修專業

數控維修專業往往在下面幾個方面存在教學上的局限性：

（1）機械結構的局限。數控機床由于其機械結構較復雜、體積龐大，無法觀察到產品的細節和內部構造；傳統教學也不能輕易拆解機床，學生對機床機械結構的理解不直觀，機械圖樣不容易理解，照片、模型不能動態了解實際結構。而如果想進行實際機床拆卸，對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、機床主軸電機的裝卸等，就需要專門的吊車進行。另一方面，即使條件允許，能夠對數控機床進行裝卸，但是數控機床價格昂貴，新手實際操作容易出現失誤或者重復地對機床進行裝卸，將導致數控磨損嚴重，產生大量的維護維修費用，給學校造成經濟損失，同時，在裝卸過程中的一些安全問題也需要重點考慮。

（2）電氣控制的局限。傳統電路教學難度大學生不易理解。接線實驗損耗大，接線結果不易檢查。試驗臺成本高、數量少。

（3）故障診斷與維修教學設備的局限。傳統電路教學故障模擬難度大，多停留在理論教學；而且即使有的學校購買了部分數控維修實驗臺，但是也是存在種種局限性。

（4）技能鑒定或者考試中的局限。如果用真實的機床來檢驗，往往存在考核內容工作量大，不但費時費料，還有可能破壞機床，造成事故。如果教師把所有學生的方案都進行批閱，花費時間太多，教學效率極低。特別當需要大量技能鑒定的時候，尤其受到現實條件的限制。

二、如何解決數控維修教學中存在的問題：虛擬數控技術的應用

1.虛擬技術的概念

所謂虛擬技術，是指它利用計算機技術生成一個逼真的，具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環境，用戶通過使用各種交互設備，同虛擬環境中的實體相互作用，使之產生身臨其境的感覺，是一種先進的數字化人機接口技術。它與傳統的模擬技術相比，其主要特征是：操作者能夠真正進入一個由計算機生成的交互式三維虛擬環境中，與之產生互動，進行交流。通過參與者與仿真環境的相互作用，并借助人本身對所接觸事物的感知和認知能力，幫助啟發參與者的思維，以全方位地獲取虛擬環境所蘊涵的各種空間信息和邏輯信息。而隨著虛擬現實技術及計算機技術的發展，如今出現了可以模擬實際機床加工環境及工作狀態的計算機仿真加工系統：虛擬數控技能培訓的仿真軟件。

2.虛擬數控系統培訓軟件功能

虛擬數控軟件是集虛擬數控加工仿真以及機械原理、結構與拆裝、電氣原理、電路接線以及故障設置、故障排除以及數控系統、PLC梯形圖系統故障診斷排除于一身的完整的三維虛擬數控機床培訓系統。機械部分包括加工中心、車床（包括銑床、平床），同時還包括激光干涉儀，用于數控機床安裝精度糾正以及測量的操作原理演示。電氣原理以及數控系統，包括法蘭克、西門子、華中、廣數，虛擬數控機床培訓系統采用實體機床進行逼真重建的方法，對數控機床的每一個零部件——每一個螺釘、每一個電氣元器件進行模擬仿真，每一個部件都可以進行虛擬拆卸、安裝，而且每一個元器件都具有屬性，可以隨意組成電路，設置故障，讓學生學習故障排除方法。同時為電路故障排除提供了一個逼真的三維虛擬環境和符合人們自然交互習慣的人機交互界面。數控加工操作面板，與實際系統運轉一模一樣。同時，系統能夠實現真正的自由式人機互動，最重要的是它能夠讓學生進行拆卸安裝以及故障診斷排除，學生自己做什么樣的三維互動操作，系統就能做出相應的反應。虛擬數控培訓系統能讓學生自己決定每一個使用操作步驟，系統能夠根據學生的操作做出實時的反應，判斷。這樣才能真正達到學生動手參與實驗操作的目的。

虛擬數控維修軟件包括三個基本模塊：教學模塊、實訓模塊和考核模塊。教學模塊中的數控機床包括概述、機械原理、機電控制、虛擬實驗、工具備件等。數控系統有FANUC、Siemens、華中、廣數等幾種常用數控系統。實訓模塊包括數控機床主機機械部件拆裝、電氣線路連接、虛擬故障排除等內容。另外，還有一個供教師對學生進行考核的模塊。通過這個虛擬軟件的應用我們可以在下面教學方面能夠獲得很好的教學效果。

（1）機械裝配方面。虛擬技術通過3D模型可以讓學生模擬安裝拆卸機床。通過安裝拆卸了解機床機械結構。通過動畫了解機械運轉方式。效果直觀、容易理解。模擬機械安裝調試操作，模擬多種機械故障，可以讓學生模擬操作。

（2）電氣線路連接方面。虛擬技術的動態互動電路（活電路）方便學生理解學習。老師可以根據教學課程設置電路圖和接線模型，方便電路教學。虛擬接線仿真度高，可直接查看接線結果。

（3）數控機床的維修方面。虛擬技術通過3D仿真機床，模擬機床參數設置，演示參數修改效果。仿真PLC故障，模擬PLC操作排除故障。老師可以根據教學進度任意設置電氣故障進行教學。

（4）技能考核（考試）方面。考試模塊通過編輯并加載考試項目后，對應試學員的考試模塊就會出現考試內容，并可實時考試記錄保存，自動評分，就可以實現無紙化考試管理。

因此，這種虛擬數控維修技術有這么兩個典型特點：第一，操作安全。運用計算機模擬仿真進行數控實習教學操作更加安全，學生的實操過程和編程指令以及走刀路線都能在模擬仿真中體現出來，學生可以直觀地看到自己的加工工藝和加工方法是否正確，再上機床操作，避免了由于學生操作失誤而造成對學生自身和設備的危害。學生可以大膽嘗試多種選擇，消除或減少緊張情緒，減少練習初期由于緊張產生的畏懼心理。第二，允許出錯，運用計算機模擬仿真進行數控實習教學允許出錯。在模擬仿真中，可設計出多種實際工作中可能發生的變化，包括事故、故障和生產中極少出現的突然情況，使學生得到崗位技能的全面訓練。如在設置換刀點時，如果離工件過近，學生就可以在仿真過程中看到換刀時刀具撞上工件的現象。

3.如何合理地將其應用到實際教學中去

針對虛擬數控仿真軟件的特點和中職學校數控技術專業實踐教學中存在的矛盾，在建構主義學習理論和雙主體教學模式的指導下，運用虛擬仿真軟件數控建構了一種適合中職數控專業課程課堂教學的探究型學習模式。該模式是基于項目學習的小組合作探究型學習模式。運用虛擬仿真軟件開展數控技術專業課程的項目探究教學，有利于實現理論與實踐一體化教學。在沒有虛擬仿真軟件的情況下，一個項目可能有多種解決方案，甚至還有的學生探究不出正確的方案。如果用真實的機床來檢驗，不但費時費料，還有可能損壞機床，造成事故。如果教師把所有學生的方案都進行批閱，花費時間太多，教學效率極低。運用虛擬數控仿真軟件來檢驗，不但省時省料，十分安全，還能提示錯誤，解放了教師，學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，也有利于學生實踐能力的提高。

4.合理利用軟件仿真，重視實際操作

雖然虛擬數控培訓系統有如此出眾的功能，但是，在教學中，我們也發現部分學生通過幾道程序的編寫后沾沾自喜，從而放松學習、訓練渙散，最終只能落得一知半解的結果，嚴重影響了教學質量和浪費了教學資源。產生這種現象的根源在于老師沒講明白軟件仿真與實際加工的區別，所以就要求教師具有把教學與生產結合起來的能力，只有具有了這種能力才能把軟件仿真教學與實際加工有機地結合起來，取長補短，博采眾長，有效地提高教學效率。因此，數控教學只能用軟件仿真進行初期感性訓練和基本程序與指令代碼的練習，而不能把整個教學活動完全放在軟件上，對實際加工必須有足夠的重視。必須保證軟件仿真教學得到充分的運用，同時，又要保證實際操作的地位得到權威性的提高，才能有效地組織數控教學，使數控教學既科學又客觀，既高效又實用。

三、總結

鑒于虛擬數控培訓系統如此出眾的功能，把虛擬數控系統軟件引入到教學之中，使之用于數控機床操作培訓，無疑是個明智之舉。這樣，既可以避免因誤操作造成價格昂貴的數控機床的損壞，又可以使操作人員在對仿真數控機床操作過程中產生現場感和真實感。同時，由于其成本較低，可以大量地配置終端，徹底解決了數控機床數量不足的難題，使每位學員都能有足夠多的實踐機會，因此能夠讓學生更快地熟悉和了解數控加工的工作過程，掌握各種數控機床的操作方法。其更大的好處還在于，在實現了同樣培訓效果的情況下，將加工出錯率及事故發生率降低到了最低程度。

（作者單位：華東石油技師學院）