基于虛擬技術的彎管機仿真實驗教學研究

張新聚 蘇德順 馬國棟 聶秀利 張嘉寧 韓曉陽

1.河北科技大學機械工程學院 河北石家莊 050000；2.河北太行機械工業有限公司 河北石家莊 050000；3.石家莊技師學院機械系 河北石家莊 050000

一、概述

機電一體化技術作為機械設計制造及其自動化專業學生的必修課程，其在工業生產中有著廣泛應用。實驗教學作為這門課程的重要環節，不僅可以使學生更好地掌握基本理論知識，還能加深學生對生產實踐的認識，是應用型人才培養的必然要求。但傳統教學實驗在規定的學時內只能進行感性的認知，無法對設備進行拆解，無法深入探究機械裝備的內部核心參數，學生僅能就操作性步驟進行認知性實驗，不能探究實驗設備的控制原理。隨著計算機技術的不斷發展，虛擬實驗技術已被應用到機電一體化教學實驗中。本文以自動彎管機為例，利用虛擬化技術對自動彎管機進行綜合仿真實驗教學，提高學生對設備的認知和控制系統的開發能力。

二、自動彎管機實驗教學方案

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學的重要手段，是學科專業知識體系與信息技術深度融合的產物。目前，許多高校的實驗教學中存在著實驗設施老舊、實驗經費短缺等一系列問題，所以提出基于虛擬化技術進行實驗教學。虛擬化技術是一種對計算機資源進行抽象模擬的技術，在已有計算機硬件資源的基礎上，模擬出虛擬硬件資源。虛擬化技術可以最大限度地屏蔽軟硬件資源的差異性，根據需要靈活分配資源，減少總體成本。在自動彎管機仿真教學中，可以通過虛擬仿真實驗教學中心門戶網站搭建自動彎管機網絡，如圖1所示。

圖1 系統總體架構圖

本方案將虛擬仿真實驗教學平臺及資源分成三層，每一層都為其上層提供服務，直到完成自動彎管機虛擬實驗教學環境的構建。

用戶層包括學生、教師和管理員，系統啟動后，在IE地址欄輸入服務器的IP地址，系統給出登錄主頁面，正確輸入用戶名及密碼，即可登錄虛擬實驗系統的對應的用戶平臺。

通用服務層提供虛擬實驗教學環境的通用支持組件，方便用戶能夠快速實現虛擬實驗環境地搭建。同時，該平臺可實現與第三方虛擬實驗課程資源的擴展集成，為各類院校虛擬實驗教學環境提供服務并進行相應的應用。

仿真層主要針對不同專業方向進行相應的器材建模、實驗場景構建、虛擬儀器開發，提供各個學科通用的仿真器，最后為上層提供實驗結果數據的格式化輸出。

三、自動彎管機實驗教學方案展示

本節以自動彎管機為例，利用虛擬仿真技術，通過人機交互模擬自動彎管機控制系統的設計與運行過程再現工程場景，模擬設計中涉及的方案、設備和主要技術參數選擇，模擬電源回路、主回路以及各模塊之間信息交互回路等關鍵線路，實現理論知識和工程實踐之間的有效銜接，使學生能夠直接看到設計效果，對設計方案進行校核。

(一)實驗原理

首先，自動彎管機綜合虛擬仿真實驗通過模擬自動彎管機工作的真實場景，使學生對自動彎管機的結構、工作原理和主要的設備有一個直觀的認識。其次，結合工作中的實際情況，引導學生進行系統設計。在選定的設計條件下，掌握系統的控制原理、驅動方式和機械結構形式以及各類執行元件、驅動元件、傳感器的特點和性能參數。最后，通過控制系統原理圖、接線圖的繪制；PLC程序的編制；認知數控編程的一般步驟掌握自動彎管機數控編程基本理論。

實驗結合工程教育理念，按照以學生為中心、以產出為導向的建設思路，將實際工程問題轉化為實驗教學內容，通過虛擬仿真技術實現課程知識點與工程實踐的銜接。實驗包含四個模塊：設備認知、控制系統設計、控制系統仿真、成型加工仿真，具體框圖如圖2所示。

圖2 自動彎管機綜合虛擬仿真實驗框架

(二)實驗教學方法

本文提出了協同化、多元化、差異化的實驗教學方法，形成以自主設計、開放式結果為中心的實驗教學模式，突出了學生自主實踐能力和探索精神的培養。

(1)協同化：將理論教學與實驗教學協同、科學原理與工程應用相結合，知行相成。比如，學生在認知實驗中需要完成現場設備的辨識，結合理論教學中各類設備的作用理解其安裝位置，從而達到學以致用；再比如，在系統設計中的工作成果將對系統仿真結果產生復雜影響，學生通過綜合分析能深入理解控制系統的工作原理。

(2)多元化：通過多元化教學方式，從不同角度引導學生參與實驗過程，尋求解決方法。具體而言，設備認知采用的是虛擬現實的樣式，讓學生在人機交互中完成實驗。而系統設計和系統仿真則是側重于主動思考、分析現象，通過反復的設計改進構成知識反饋，提升教學效果。成形加工仿真則可以讓學生體驗這種少見的重要試驗，這些不同形式的實驗方式實現了多元化的實驗教學。

(3)差異化：實驗教學以學生為中心，兼顧通用性和差異化。鼓勵有特長的學生脫穎而出，因材施教，以造就拔尖創新人才。具體而言，實驗支持差異化設計，包括管材進給速度、步進電機載荷等，學生根據自己的理解獨自或分工合作搭建控制系統。這些細節能提高學生自主式、合作式、探究性學習能力。

結合圖3教學方法框圖，通過協同化、多元化、差異化，提高實驗教學效果。通過問題的設計、分析、解決，促使學生深入理解自動彎管機的工作原理和控制原理。同時，系統設計和運行仿真通過參數交互構成了反饋環節，訓練學生從設計參數與仿真結果的現象關聯中更好地理解控制理論。

圖3 實驗教學方法框圖

(三)實驗方法與步驟

步驟一：學生進入自動彎管機虛擬實驗仿真中心登錄界面，進入實驗系統。通過虛擬實驗環境的視覺、聽覺，了解實驗目的、試驗方法、實驗要求。

步驟二：認知自動彎管機整機、主要部件的組成結構及工作原理，如圖4所示。

圖4 自動彎管機虛擬實驗認知場景

步驟三：學生通過VR大屏熟悉認知各類元器件的名稱和技術參數，如行程開關、電磁閥、控制卡等。

步驟四：分析各模塊中被控對象機、電、氣之間的配合關系，依據各執行元件和傳感檢測元件的種類、接口條件和控制要求，確定系統所需的全部輸入設備(如：位置開關、按鈕、轉換開關等)和輸出設備(如：接觸器、電磁閥、信號指示燈等)，從而確定PLC的I/O點數。

步驟五：依據控制系統原理接線圖和不同實驗任務要求，將電源回路、主回路、控制回路以及各模塊之間信息交互回路等各回路中的關鍵線路接通。

步驟六：根據系統的控制要求及工藝流程圖，采用合適的設計方法來設計PLC程序。程序設計要滿足系統控制要求，實現各控制功能及各子任務的程序要逐一編寫，逐步完善系統指定的功能。

步驟七：監控自動彎管機中各個功能單元的工作運行情況，顯示PLC主機狀態信息、系統運行信息和工件信息，同時還能以動畫形式演示該單元的工作狀態。

步驟八：結合自動彎管機，學習數控編程理論。主要包括數控編程基礎知識、常用數控編程指令編程方法、數控加工工藝和典型數控機床編程方法。

步驟九：根據所要加工的管材規格型號和所要彎曲成的曲線，編寫自動彎管機加工程序代碼，實現管材自動彎曲加工成形。

通過以上自動彎管機綜合仿真實驗過程可知，虛擬仿真實驗教學過程中堅持“以學生為本、虛實結合”的教學理念，在教學過程設計時，突出學生在試驗中的參與度和對教學過程的自主控制。實驗內容采用由感性到理性、由淺入深的方案：學生通過視覺、聽覺了解自動彎管機的整機結構和基本工作原理，掌握控制系統原理圖、接線圖的繪制和PLC程序的編制，了解其結構和功能，從而培養學生對自動機械的控制系統設計能力。

結語

在高校的工程教育領域，基于虛擬技術對工程教育課程進行改革和創新，以學生為中心，以優良的教學成果為目標，能夠有效提高學生教育和學校的教學質量。

(1)虛擬仿真實驗教學過程中堅持以虛補實、虛實結合的原則，建立了以學生為核心的自主探究式學習模式，確定了“以學生為本、虛實結合”的教學理念，在教學過程中，突出了學生在試驗中的參與度和對教學過程的自主控制，使學生的操作能力和創新能力得到全方面的發展。

(2)通過對課程和實踐內容的設計，基于虛擬技術開展自動彎管機控制系統設計教學案例。從教學中得知，相對于傳統的教學過程，學生在虛擬技術下可以更好地對設備進行認知、選型和設計控制系統，能夠更好地了解自動彎管機的運行原理和控制原理，對學生教學具有積極的作用。

(3)本方案通過虛擬化技術，讓學生只需要很少的設備，就可以在電腦上進行彎管機綜合仿真實驗，有助于提升機電一體化課程的教學質量，激發學生學習興趣，同時也會使教學老師受益頗多，提升老師的教學理論與綜合教學能力。