基于半實物仿真的機床電氣故障檢修實訓系統設計

李力

（湖南工業職業技術學院，湖南 長沙 410208）

1 引言

“中國制造2025”提出“要加快培養制造業發展急需的專業技術人才、經營管理人才、技能人才”。機床是裝備制造業的基礎設備，是先進制造技術的載體和基本生產手段。我國作為“世界工廠”，已成為世界上最大的機床消費和使用大國。機床使用過程中需要大量的機床維護和維修技能人才，如何培養大批符合企業需求的高質量的機床維護和維修技術技能型人才成了目前開設相關專業的職業院校需要解決的問題。

2 機床電氣故障檢修實訓教學現狀

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

但是，電氣與機械分離的實訓方式在實訓教學過程中也暴露了一些問題，機床是一種典型機電一體化設備，在機床工作以及檢修過程中，機械結構與電氣控制是不能完全分離開的，因此，在教學以及學生在實訓過程中，由于缺乏真實機床的整體結構參照，學生往往只關注普通電動機的各種控制環節，而對機床機械運動和電氣控制的相互配合理解較差，在實訓過程中無法體現機床電氣控制故障檢修的綜合性，而且，這種機械與電氣分離的實訓方式，將使學生在學習過程中缺乏真實感和現場感，訓練過程抽象，實訓過程中，學生看到的只是電動機的轉動，而不是機床的機電一體化運行，并且，部分與機床機械動作相關的故障無法通過直觀的故障現象來表達，將機床控制線路故障檢修變成了電動機電氣控制回路的檢修，機床電氣故障檢修技能實訓教學效果不佳。

3 實訓教學設備改進

實訓教學是依托實訓教學設備來開展的，因此，實訓教學設備的研發在整個實訓教學過程中的重要性是不可忽視的，針對機床電氣故障檢修實訓教學以及考核過程出現的問題，研發了一種基于虛擬現實技術的半實物仿真教學系統（發明專利授權2015105629921），該系統基于計算機圖形處理技術，將機床的機械結構部分進行虛擬化，而實訓練習的直接工作對象即機床電氣控制部分采用真實部件，其結構原理如圖1所示。

圖1 系統結構原理圖

機床電氣故障檢修的半實物仿真實訓教學系統基于虛擬現實技術，由機床電氣控制柜、機床操作控制臺、故障設置組件、數據交換組件、仿真計算機和顯示及語音組件組成，半實物體現在機床電氣控制柜和機床控制臺全部采用真實元件，而機床的機械部分則由仿真計算機和顯示及語音組件進行虛擬仿真展示，虛實之間的信息交換由數據交換組件完成，故障設置組件用于機床電氣控制線路的故障設置。

主令電器如按鈕開關、旋轉開關、轉換開關、行程開關等置于機床控制臺上，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備置于機床電氣控制柜中，信號燈、照明燈、主軸電動機、冷卻泵電動機、刀架快速移動電動機及其拖動機構和機床機械結構采用虛擬現實技術通過計算機程序在大屏幕顯示器上顯示。

如圖2所示，機床電氣控制柜由雙層板構成，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、按鈕開關、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，用于故障點的設置，面板置于底板上方，面板在相應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，并在各端子處標有該器件及各端口的符號，且在各端子處設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，用于導線的布線。

圖2 電氣控制柜的結構示意圖

數據交換組件承擔機床電氣控制系統與虛擬仿真系統之間的數據交換，由數據采集模塊、數據反饋模塊、控制器、雙向數據傳輸模塊組成，結構原理如圖3所示。數據采集模塊通過檢測機床電氣控制柜的輸出端子輸出的電壓、相序等參數，控制器通過雙向數據傳輸模塊將這些參數輸送至仿真計算機，虛擬仿真系統產生的虛擬行程開關、限位開關等信號由數據反饋模塊輸出至機床電氣控制柜的控制信號輸入端子，完成機床電氣控制的閉環，進而完成虛實聯動。

圖3 數據交換組件結構原理圖

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

圖4 故障設置組件結構原理圖

機床電氣控制線路的故障設置由故障設置組件完成，故障設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，學生查出該故障點后，故障設置組件控制對應的微型繼電器掉電，其常閉觸點閉合，線路即恢復導通，故障消失。

未設置故障狀態下，學生操作機床運行，比如按下啟動按鈕后，機床電氣控制系統開始工作，數據交換組件的數據采集模塊監測機床電氣控制柜的輸出端子，將所得信號參數傳送至仿真計算機，虛擬仿真系統則根據這些參數驅動虛擬機床機械結構運動，學生可以通過顯示屏幕和語音設備觀察到機床對應的動作現象并能聽到動作所產生的聲音，虛擬機床運行過程中產生的行程開關、限位開關等動作信號則通過數據交換組件的數據反饋模塊返回至機床電氣控制柜，完成機床電氣控制系統的完整運行。

圖5 虛擬仿真軟件工作過程

若某控制回路已設置故障，系統運行后，數據交換組件的數據采集模塊將檢測到的該控制回路的電壓、相序等參數傳送至仿真計算機，由于該回路已設置故障，虛擬仿真系統獲取到的參數為非正常值，虛擬仿真軟件根據這一數據產生對應的故障現象，比如電機不運行、機械部件不動作等，學生可以通過顯示屏幕觀察到這一異常現象，進而根據檢修方法進行檢修工作。

4 實訓效果

從機電一體化專業大二年級初次學習《機床電氣故障檢修》課程的5個班中隨機抽取2個小組（每組3位同學）進行教學對比，1個小組采用原有機床檢修設備進行教學，另外1組采用本文所述半實物仿真實訓教學系統開展教學，實訓結束后對故障檢修結果考核及過程評價。

從表1的成績可以看出，采用本文所述半實物仿真實訓教學系統開展教學的小組平均成績均高于采用原有設備的小組，且成績均為良好以上，這也說明了半實物仿真實訓教學系統優于原有設備。

表1 故障檢修結果考核及過程評價

一個學期后，將各小組學生重新召集起來，按照原來分組進行再次考核，考核前不進行任何指導和訓練，各小組直接進行檢修技能考核，得出成績如表2所示。

表2 再次考核成績

從表2可以看到，經過一個學期的時間后重新進行機床電氣控制系統故障檢修技能考核，各小組的成績均有下降，但是，相較于采用原有設備的小組，采用半實物仿真實訓教學系統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教學系統增加了虛擬視覺元素，學生能直觀地觀察機床運行及故障現象，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教學系統的小組的教學過程需要教師干預的次數明顯少于采用原有設備的小組，實訓教學的負荷較大程度得到了減輕。

5 結語

機床電氣故障檢修的半實物仿真實訓教學系統在保留機床電氣控制系統真實性的基礎上借助虛擬現實技術將機床的機電系統結合在一起，解決了原有的機床電氣故障檢修實訓中存在電氣控制回路與機械結構分離的問題，擺脫了機械與電氣分離的實訓方式，增強了技能實訓過程中的真實感和臨場感，使學生在故障檢修過程中更直觀地理解機床工作過程中機械與電氣的相互結合，同時還減少了機床設備的投入，節約了教學場地，改善了教學環境，降低了能源消耗，由于檢修過程中，機床的機械運動部分采用計算機虛擬仿真技術，整個教學系統沒有電動機及其拖動機械結構的運動，教學中發生安全事故的幾率大幅降低，簡化了教學管理，教學環境得到極大的改善。