虛與實相結合的數控仿真系統設計應用研究

汪榮青

摘要：隨著數控技術的深入發展，對數控技術人員的培訓和學習有了更高的要求，針對傳統數控仿真軟件中存在的問題，提出了解決方案。本文從教學實際出發，詳細地闡述了虛與實相結合的數控仿真系統的設計應用研究，將真實的操作面板與虛擬的仿真加工相結合，給數控加工技術的學習帶來了重大的影響。這一應用可以減少訓練實習成本，提高教學質量，并且將數控仿真系統分模塊視頻教程、自動評分系統兩者與數控仿真系統相結合，實現了學生的自學、自評，為提高數控加工技術的教學質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。通過真實的操作面板與虛擬的仿真加工相結合的數控加工實訓課程實施，為實踐類課程校內訓練仿真化提供了一定的依據。

關鍵詞：數控仿真；職業教育；實踐教學；評教結合

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

數控加工技術產生于20世紀中期，該技術最早可追溯到1952年的美國麻省理工學院，直到20世紀60年代早期，數控技術應用到產品制造領域[1]。真正的繁榮時代是在1972年前后隨著CNC技術的產生到來的。隨著數控加工技術的發展、實訓室開放等活動的開展，開放設施，自主訓練[2]，數控實訓教學就顯得尤為重要。數控實訓教學過程基本按照三個部分來完成，即工藝程序部分、機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，數控機床操作是數控實訓教學的中心環節。然而，數控機床操作實訓，受到很多方面的制約。這其中影響最大的是數控系統種類和數控設備的臺套數。設備數量與學生規模之間的反差，嚴重影響數控實訓、培訓效果[3]，從而導致學生不能正確和熟練地操作數控機床。這不僅存在著嚴重的安全隱患，還影響了學校畢業生質量與學生的培養質量。在傳統的職業教育中，常規的數控實訓教學模式是通過指導老師直接在生產性的數控機床上進行教學。但隨著國家對數控人才的需求，數控專業的學生和參加數控技能操作培訓人數大幅度增加，這樣暴露出來的問題越來越多，有限的數控設備無法保證教學培訓質量。高價的數控設備使得教學投入成本很高。另一方面，由于生產性數控設備面向的是熟練操作人員，對于非熟練操作學習者存在著一定的危險性，極易對數控機床進行損壞，這種方式始終存在著一定的教學風險。因此，傳統的數控技術培訓教學質量低下，教師工作量大，教學費用太高，不能滿足數控技術教學的發展。數控仿真技術可以仿真數控加工技術，模擬數控加工環境及其加工過程。數控仿真軟件是采用虛擬仿真技術于數控加工技術的仿真軟件。傳統的數控仿真軟件是將數控機床操作和數控加工都以仿真形式出現，這種仿真方式與真實的機床差距很大，學生通過這樣的方式仿真練習后并不能在真實的機床上進行操作。

一、數控仿真系統的應用

數控仿真系統在數控編程教學中的應用。數控編程指令比較抽象，通常在課堂中，學生不易理解，編寫的程序不知道對錯，需要老師的檢查，無法自我查證。在課堂中采用數控仿真系統可以讓課堂教學變得形象有趣，易于理解。當然，如果要進行數控編程的校驗，需要進行數控機床的操作，學習好數控機床的操作是進行數控編程的編寫和校驗的基礎，這也為后期的數控加工實訓打下了很好的基礎。同時，學生可以根據有趣的零件進行編程操作和加工，仿真出真實結果。因此，采用數控仿真系統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質量。

數控仿真系統在實習教學中的應用。數控加工實習的內容是進行數控機床的操作，然后進行對刀操作建立工件坐標系，通過數控程序的編寫進行零件的加工，完成零件的制造。這些內容本來是在真實的機床上進行的，學生需要進行獨立操作。由于是切削真實的零件，很容易損壞設備、刀具和工件。仿真機床的操作安全性高，初學者不會因為誤操作而產生人身傷害，也不會有材料、刀具的損耗，同時也解決了機床設備不足的問題。數控仿真系統與真實機床結合實習，可以提高實習效率。初學者首先在仿真機床上實習，達到熟練和正確操作之后再在真實機床上進行實習，提高了實習的效果和質量。在仿真機床上學生可以反復操作，不用擔心安全、危險等問題。而且仿真機床多機型多系統可以通過選擇，進行不同機床的實習，學到更多的數控機床操作方法，為創新教學方法、拓展教學內容提供了基礎。

二、當前仿真機床的現狀

數控仿真機床的操作教學與真實機床一樣，需要老師在課堂上，認真仔細的教學，學生不能課前進行預習。而且對于不同的機型和系統的機床其操作方法不一樣，都需要進行分別的講解與示范，如果進行講解與示范，需要花較多的時間，同時學生學習的過程也需要更多的時間。這樣，數控仿真機床在學生的學習過程中并沒有提供一些簡便的方式，學生學習時間較長難度較大。數控仿真系統過于理想化，數控仿真的過程是軟件在考慮理想切削狀態的過程。在這個過程中，機床的性能、材料、刀具等都處在理想狀態中，這與真實切削環境有著較大的落差。數控仿真的過程中是一個假定的狀態，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，因此數控仿真的切削用量的選擇，并沒有在真實機床上加工那么嚴格。切削用量的數值偏離較大時，在仿真機床上可能不會有問題，但置于真實機床上就可能直接損壞刀具或機床設備。仿真過程并不能反映出實際的數控機床切削過程。安全操作意識淡化。由于數控仿真機床的操作不會產生危險，因此，會使學生養成對數控機床操作的隨意性、不規范不認真的習慣，而這些習慣可能影響在真實機床的操作過程中。這些就會在真實實習的過程中產生危險，而且形成習慣以后，很難改進，只能慢慢的在實踐中進行糾正。學習者在學習完成后對數控仿真機床的操作正確與錯誤，學生自己不能進行評價，還是需要老師人為進行檢查和指導。仿真完成的零件輪廓尺寸也需要人工的點擊測量，數控仿真中不能提供自動評分，學生自我不能對自己的操作和仿真的結果進行打分。傳統的仿真系統，其評價體系還不夠完善，不能很好的促進學生的自我學習。

三、虛與實結合仿真系統的研究實踐

數控加工技術學習過程中首先通過認知實踐課程的學習讓學生對數控加工技術有個基本的了解，通過一些案例激發學習興趣。通過仿真系統的學習與數控編程課程內容的結合，培養學生理實一體化的能力。在數控仿真系統學習中進行教程導入、虛實結合、自我評價三個方面的創新實踐。真實操作面板與仿真加工過程相結合，嚴格規范操作。傳統的數控仿真軟件以純軟件的方式進行，其虛擬程度太高，真實性差。而且由于其涉及的數控系統和機型過多，給學生學習造成了一定的困難。學生需要在一種機型上學好學精，然后再拓寬到其他機型。所以真實的操作面板與實際機床上的面板相同，操作方法相同，結合虛擬的加工過程，以突出仿真性的優點。通過這種虛實結合的數控仿真系統學習，學生很容易在真實的機床上上手，沒有陌生感，增加了親切性。數控機床操作教程的引入，進行學習評價體系建設。在數控培訓仿真機床上，加載測評和學習兩個模塊。用戶需要登錄才能進入測評和學習模塊，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，另一個是繼續操作。直接登錄就是重要開始，繼續操作是繼續前面中斷的操作。在測評菜單下，加載數控編程、機床操作、尺寸測量、結果提交四個模塊，每個操作模塊具體實現一種數控機床的操作功能，這幾個操作模塊涵蓋了數控機床操作的所有功能。在數控編程中加載了工藝設計、編程、語法檢查。在機床操作中加載了機床回零、自動加工、主軸啟動、試切法對刀。從工藝設計、第一次編程的正確率、加工效率、數控加工時的機床關鍵操作、仿真后的尺寸、程序中的切削用量、仿真完成時間等方面進行。通過尺寸測量對數控仿真的零件尺寸進行檢測，測量出仿真零件的實際尺寸。將所記錄的仿真數控機床的操作步驟與規范的操作步驟進行比對，判斷學生對仿真機床操作的正確與否。將所測量出的實際尺寸與零件圖的要求尺寸進行比較，得出結果比對。其中工藝設計通過菜單【測驗/數控編程/工藝設計】實現，主要輸入工藝規劃的切削用量和刀具的圓角半徑。語法檢查，對編寫的數控程序進行檢查，具體包括程序的規范化、非法字符檢查、詞法檢查、邏輯檢查。在學習菜單下，加載數控編程方法、仿真機床操作方法兩個模塊，每個操作模塊具體實現一種數控機床的操作功能，且都有正確操作方法的視頻講解。在數控編程方法中加載了工藝設計方法、編程方法。在機床操作方法中加載了機床回零方法、自動加工方法、主軸啟動方法、試切法對刀方法。

本文從教學實際出發，詳細的闡述了虛與實相結合的數控仿真系統的設計應用研究，真實的操作面板與虛擬的仿真加工相結合，給數控加工技術的學習帶來了重大的影響。通過這一措施可以減少訓練實習成本，提高教學質量。并且將數控仿真系統分模塊視頻教程、自動評分系統，兩者與數控仿真系統相結合，實現了學生的自學、自評，為提高數控加工技術的教學質量提供了很大的保障。在實際過程中，通過兩屆學生的試用實施，效果較好。

參考文獻：

[1]來建良.數控加工實訓[M].杭州：浙江大學出版社，2004.

[2]孫逸華，朱國文.職業技術教育數控人才培養、培訓現狀調研報告[J].中國職業技術教育，2003.

[3]楊林君.淺談數控教學改革與實踐[J].新課程學習，2012.