基于虛實同步的數控加工技術虛擬仿真教學研究

萬 泉,蔡向龍,石春源,羅淑芹,孫汝葦

(哈爾濱理工大學機械動力工程學院,黑龍江哈爾濱,150000)

一、引言

《關于推動公共實訓基地共建共享的指導意見》提出,鼓勵在公共實訓基地開展虛擬現實、虛擬仿真平臺、工作過程模擬軟件等培訓,用于全面提升實驗教學質量,提高教育信息化,縮短高素質人才培養周期。［1-2］工程訓練作為高等工科院校重要的實踐教學環節,在培養學生創新精神和工程實踐能力方面發揮著重要作用。［3］工程訓練是以工程項目為主要內容的實踐性教學,旨在培養學生的實踐能力和創新精神,提升學生的綜合素質。通過工程訓練,學生可以在實踐中認識技術、掌握技能、增強創新意識和解決問題的能力,培養合作能力和團隊精神。工程訓練可以幫助學生將理論轉化為實踐,激發學生的學習興趣,提高學生的綜合素質和競爭力。數控加工實訓是工程訓練實踐教學的重要組成部分。［4］數控加工技術是將數學、物理、機械、電子等多學科知識結合起來,通過計算機控制和數控系統實現對機械零件加工的精密控制。與傳統的加工方式相比,數控加工技術更高效、更精確、自動化程度更高,能夠大大提高加工效率。

由于數控加工設備少,人機比例失調,加上數控設備價格相對高昂,成本投入較大等,教學質量受到一定影響。［5］為切實增強實訓教學效果,調動學生參與實驗教學的積極性和主動性,本文基于虛實結合、虛實同步的數控加工虛擬仿真實驗,采用真實數控面板,以虛擬仿真、虛實結合、虛實同步、教學過程實時控制等技術,構建數控設備物聯網,延伸實驗教學的時間和空間,從而激發學生的學習興趣和學習潛能,增強學生的創新創造能力。

二、實驗教學平臺建設

該平臺采用數控原理、數控維修、數控車削/銑削虛擬仿真實驗教學等方式,通過延伸實驗教學時間和空間,解決學員無法接觸高端數控設備的實際問題。［6-7］系統通過真實的操作面板配合虛擬仿真程序,讓學生學習數控機床的操作方法。同時,真實面板可通過網絡直接切換到與智聯網合作企業的真實加工設備,實現虛擬加工和真實加工完全同步,豐富學生實際設計加工的學習體驗。

(一)數控智能實訓教室建設

基于虛實結合、虛實同步的數控加工虛擬仿真實驗教學,相關建設部門可按功能將數控智能實訓教室分為車削實訓教室和銑削實訓教室。不同的教室由不同類型的實訓終端構成,智能實訓教室包括教師機實訓終端、學生機實訓終端、桌面型真實加工機床和虛擬仿真軟件,如圖1所示。

圖1 數控智能實訓教室結構圖

(二)網絡化桌面教學型數控車、銑床建設

車削/銑削實訓教室由一體化智能實訓終端(學生機)、智能實訓管理終端(教師機)和網絡化真實加工機床組成,如圖2所示,通過局域網連接為一個整體。學生可通過學生機進行虛實結合的實訓。有一定PLC編程基礎的學生可以嘗試編寫較為復雜的程序。［8］操作過程會被實時傳送到教師機進行存儲,用于學生實訓過程的回放和實訓成績的評估。仿真實訓通過后,學生可以申請真實加工,如教師機開放真實加工權限,則可以連接真實機床,完成真實加工。一體化智能實訓終端由多平臺一體化智能實訓終端內置虛擬機床圖形工作站構成,主要用于虛擬機床的顯示和操作,不需額外配置計算機。

(三)一體化多平臺智能數控實訓終端建設

一體化智能實訓終端采用雙屏幕顯示方式,其人機操作界面與真實機床的數控系統控制面板相同,大LCD屏幕以三維立體的形式展示機床運動和加工過程,搭建了虛實結合的可視化智能制造實訓平臺。［9］該平臺使學生既具有操作實際機床的真實感,又可以從不同角度和細節直觀地感受機床的運動和加工過程的實際動作,不必擔心機床的損壞、零件的加工成本和安全問題。學生通過反復實驗能夠熟練掌握數控機床的基本知識和操作技能,如對刀、刀具補償、手動數據輸入、程序編輯、加工過程控制等。

三、實驗教學體系

(一)教學背景

數控加工技術(computer numerical control,CNC)是指通過計算機控制數控機床進行加工的一種先進的加工方法。［10］該技術通過采用計算機控制系統,可以達到零件加工的自動化、高精度、高效率要求,既能提高加工質量、精度和速度,也能提高工作效率和生產率,減少人工操作,降低勞動強度。在工程實訓中,數控加工技術也是機械、自動化等專業學生必須掌握的項目。而常規實訓教學多由教師現場講解示范,學生基于設備實際操作,實訓效果往往受場地、設備、學時等條件的限制。［11］為切實解決傳統數控實訓存在的問題,該教學體系提出將虛擬仿真實驗技術與虛實同步技術一起應用于數控加工實訓平臺的方法,從根本上解決傳統數控加工實訓過程中產生的問題,即通過虛實結合拓寬智能制造虛擬仿真實訓平臺的承載能力,提高實訓效果。［12］

(二)教學設計

該系統是基于數控系統參數區的可重構虛擬數控系統柔性內核,通過參數區的配置和面板的更換,開發出任意種類的實驗平臺。以真實的操作面板驅動虛擬機床的方式,通過硬面板的更換和虛擬機床仿真系統的配置,可以迅速重構為其他類型的數控系統,實現在同一平臺上的多數控系統仿真教學。該實驗平臺有如下幾種特點。

1.真實操作面板驅動虛擬機床設備的仿真模式

由于硬件操作面板和真實機床大體相同,這種仿真模式可以給操作者帶來更加真實的數控加工操作體驗。與純軟件仿真模式相比,這種仿真模式可以克服軟件面板如手輪、波段開關、積停按鈕操作狀態不真實、不直觀的缺陷。

2.上下位機通信與功能分析

虛擬仿真數控加工由上位主機和下位硬面板仿真器構成。上位主機負責虛擬仿真環境的生成和仿真器接口信號的處理等工作;下位硬面板仿真器主要完成數控系統顯示屏幕生成、可替換面板的狀態信號掃描、與主機的通信和操作面板狀態的實時更新等工作。上下位機通過通信介質層通信,通信方式可以采用USB、RS232或TCP/IP方式。

3.系統控制軟件功能分析

系統控制軟件包括主CPU控制軟件和從CPU控制軟件,如圖3所示。主CPU控制軟件主要完成上位PC機通信、下位CPU通信和主要數控操作元件的狀態掃描等工作;從CPU主要完成操作面板元件狀態掃描和與主CPU的通信工作。主CPU控制軟件的主要功能包括上位PC機通信功能、下位CPU通信功能、數控操作元件的操作狀態掃描功能。從CPU控制軟件的主要功能包括操作面板元件狀態掃描功能、主CPU的通信功能。

圖3 系統控制軟件結構圖

4.數控顯示器動態生成技術

數控顯示器是數控系統的表現層,包括虛擬數控顯示屏幕和數控系統操作面板。以某型號的配置FANUC 0i系統的加工中心數控顯示器為例,整個顯示器由數控系統顯示屏、系統鍵盤、系統軟鍵盤和輔助操作鍵盤構成。操作原理是建立一個對構成數控顯示器基礎元件的統一描述方法,通過統一描述文件展示真實數控顯示的構成。通過對統一描述文件的解析,由動態建模技術動態生成數控顯示屏幕,再利用腳本解析引擎解析操作腳本,控制顯示器產生交互操作的狀態變化,實現對真實數控顯示器的仿真。通過統一描述文件生成仿真數控系統顯示器的方法是一種動態建模方法,這要求構成虛擬顯示的基礎元件庫足夠完整,可以模擬不受種類限制的數控顯示屏,且必須是完全可配置的。

5.采用虛擬數控顯示器OB(對象行為)模型

該模型是一種基于對象的模型,主要由對象和對象之間的交互行為構成。在該模型中,對象可以是數控顯示器的各個組成部分,如鍵盤、屏幕、控制面板等。這些對象之間通過消息傳遞進行交互。在虛擬數控顯示器OB模型中,對象之間可以執行各種行為,如讀取鍵盤輸入數據、顯示圖形數據、設置控制參數等。這些行為可以被視為對象方法,由其他對象調用或觸發。例如,當用戶在鍵盤上輸入數據時,鍵盤對象會調用一個輸入數據的方法,并將數據傳遞給顯示器對象。

6.根據實際加工情況進行過程建模

以數控實際車削、銑削為例,可以將數控實際車削、銑削過程視為加工刀具以數控代碼規定的軌跡行進,不斷切除毛坯的過程。工件通常固定在機床上的旋轉工作臺上,而刀具則通過機床的刀架進行控制。刀具可以旋轉,并在軸向和徑向方向上移動,以切削工件上的材料。在切削過程中,刀具的進給速度、刀具路徑以及切削深度等參數由預先編程的數控代碼控制,通過直線和圓弧指令進行切削,采用公式解的最低點求解方法,以保證數控加工仿真的切削效率和實時效果。

(三)操作方法

對于專業新生或近機類實訓學生,主要開展虛擬仿真智能數控加工實驗,讓學生快速了解數控加工虛擬仿真系統相關的基礎知識,包括數控加工系統認知、虛擬仿真認知、金屬切削原理等。學生需要了解關鍵設備如數控加工中心、虛擬實驗平臺、虛擬機床主機操作系統、仿真器終端操作系統等的組成、結構和原理。

操作步驟:開啟實際機床—開啟電腦與仿真設備—點擊軟件加載虛擬機床—加載毛坯—打開串口—操作仿真設備選定位置—設定手動模式—可完成主軸運轉—可進行X/Y/Z軸運動—可編程或修改參數—選擇自動模式—選定程序—運行加工—實現虛實結合。具體操作流程如圖4所示。

圖4 操作流程圖

四、實驗教學項目特色

(一)教學理念

借助云端管理、虛實結合、虛實同步的技術手段建立的數控加工仿真虛擬實驗包含虛擬加工系統、真實加工系統和虛實同步加工系統三部分。實驗教學應采用與真實數控機床相同的可更換的操作面板,創設零距離的真實加工訓練環境,以學生為中心,注重學生綜合實踐能力與系統觀念的培養,激發學生的學習興趣與學習潛能,提升學生的綜合素質。［13］

(二)虛實同步技術在數控機床實訓中的應用效果

學生需操作真實面板,通過虛擬機床進行數控車銑加工的毛坯定義、刀具選擇、刀具參數設置、對刀、手動操作、加工程序編制、自動虛擬加工、虛擬測量等數控操作實訓環節,完成虛擬零件加工和程序校驗過程。應用軟件后,學生需在相同的操作環境操作真實機床,完成真實零件的加工過程,并通過虛實同步技術將實時加工過程提交到教師機進行加工過程評價。該技術解決了實際教學中數控設備成本高、數量少、操作復雜、易損壞、不安全等問題。同時,虛擬實驗操作過程與真實操作過程相同,能夠加深學生對理論知識的理解,增強學生對加工過程的認知,為學生實際數控機床操作奠定良好的基礎。

(三)虛擬技術與傳統教學結合

基于虛實結合、虛實同步技術的數控加工虛擬仿真實驗項目,應結合傳統實驗教學環節。［14］教師可通過模擬真實的工廠加工環境, 利用云端發布教學任務。學生在仿真工作站可通過連接云端,自主下載實訓任務。根據實訓任務同步進行虛擬數控加工和真實數控加工過程,教師能夠實現數控加工實訓過程的無人值守教學,實現人手一機、預約上機,幫助學生自主安排實訓時間,增強學生學習的靈活性、自主性和探究性。

五、結語

以云平臺、大數據、三維建模、真實操作面板、虛實結合、虛實同步、虛擬仿真等現代信息技術為依托,開發基于對象的動態建模技術。面板更換技術的應用,能夠在同一仿真工作站構建多系統的“真實操作+虛擬加工”“真實操作+真實加工”“真實操作+虛實同步加工”的實驗模式,具有良好的適應性和柔性。虛實結合、虛實同步的數控加工虛擬仿真實驗教學緩解了教學與實踐的矛盾,鞏固了學生的理論知識,培養了學生分析問題和解決問題的能力,為學生未來發展奠定了基礎。