虚拟数控培训系统在实际教学中的应用

林万里

根据机床行业调查，数控人才的市场需求主要包含数控操作、数控编程和技术含量较高的数控机床调试、维护与维修。汽车、模具、航空航天、装备制造企业急需大量数控技术人才。数控设备是典型的机电一体化设备，涉及机械、电气、液压、计算机、伺服控制、PLC（可编程控制器）等多个领域。数控人才的培养不仅要求掌握上述相关的理论知识，更重要的是要求对其中的各项技能进行实践和训练。数控虚拟机床的发展为数控专业人才的培养提供了较好的教学和实训手段。

一、现有数控专业教学中存在的问题

目前各技工院校数控课教学中，理论课与实践教学比例应该为1:1，而目前数控设备均为大型设备，价格较为昂贵，一台教学用的数控车床或铣床价格在8万元左右，生产用的数控机床少则几十万，多则上百万。然而许多职业学校经济拮据，数控设备严重缺乏，教师不得不以理论讲授为主，学生动手独立操作与实际维修训练的机会很少。有些职业学校即使有数控设备，数量也非常有限，只能给学生做些演示试验，不能适应实训教学，每个学生在数控机床上的独立操作实训时间很少，而且实训重点也仅放在数控机床的简单操作上，严重脱离生产实际，实训效果很差。主要存在下面几个突出问题。

1.数控加工专业

虽然教师在课堂上讲授了关于数控编程的相关知识，学生也能够进行独立编程，但是学生设计的程序难免出现各种问题，如果直接用学生编制的程序加工，就会出现各种撞刀事件，这样不仅损坏了机床，而且对于学生也可能出现人身伤害。如果有一套软件，能够在正式加工之前能够检验程序的正确性，那么学生再进行实际加工时，会更加安全和准确。

2.数控维修专业

数控维修专业往往在下面几个方面存在教学上的局限性：

（1）机械结构的局限。数控机床由于其机械结构较复杂、体积庞大，无法观察到产品的细节和内部构造；传统教学也不能轻易拆解机床，学生对机床机械结构的理解不直观，机械图样不容易理解，照片、模型不能动态了解实际结构。而如果想进行实际机床拆卸，对于外在所需要的装卸工具也有很大的限制，比如，大型零件的装卸，包括刀库的装卸、机床主轴电机的装卸等，就需要专门的吊车进行。另一方面，即使条件允许，能够对数控机床进行装卸，但是数控机床价格昂贵，新手实际操作容易出现失误或者重复地对机床进行装卸，将导致数控磨损严重，产生大量的维护维修费用，给学校造成经济损失，同时，在装卸过程中的一些安全问题也需要重点考虑。

（2）电气控制的局限。传统电路教学难度大学生不易理解。接线实验损耗大，接线结果不易检查。试验台成本高、数量少。

（3）故障诊断与维修教学设备的局限。传统电路教学故障模拟难度大，多停留在理论教学；而且即使有的学校购买了部分数控维修实验台，但是也是存在种种局限性。

（4）技能鉴定或者考试中的局限。如果用真实的机床来检验，往往存在考核内容工作量大，不但费时费料，还有可能破坏机床，造成事故。如果教师把所有学生的方案都进行批阅，花费时间太多，教学效率极低。特别当需要大量技能鉴定的时候，尤其受到现实条件的限制。

二、如何解决数控维修教学中存在的问题：虚拟数控技术的应用

1.虚拟技术的概念

所谓虚拟技术，是指它利用计算机技术生成一个逼真的，具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，用户通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，使之产生身临其境的感觉，是一种先进的数字化人机接口技术。它与传统的模拟技术相比，其主要特征是：操作者能够真正进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟环境中，与之产生互动，进行交流。通过参与者与仿真环境的相互作用，并借助人本身对所接触事物的感知和认知能力，帮助启发参与者的思维，以全方位地获取虚拟环境所蕴涵的各种空间信息和逻辑信息。而随着虚拟现实技术及计算机技术的发展，如今出现了可以模拟实际机床加工环境及工作状态的计算机仿真加工系统：虚拟数控技能培训的仿真软件。

2.虚拟数控系统培训软件功能

虚拟数控软件是集虚拟数控加工仿真以及机械原理、结构与拆装、电气原理、电路接线以及故障设置、故障排除以及数控系统、PLC梯形图系统故障诊断排除于一身的完整的三维虚拟数控机床培训系统。机械部分包括加工中心、车床（包括铣床、平床），同时还包括激光干涉仪，用于数控机床安装精度纠正以及测量的操作原理演示。电气原理以及数控系统，包括法兰克、西门子、华中、广数，虚拟数控机床培训系统采用实体机床进行逼真重建的方法，对数控机床的每一个零部件——每一个螺钉、每一个电气元器件进行模拟仿真，每一个部件都可以进行虚拟拆卸、安装，而且每一个元器件都具有属性，可以随意组成电路，设置故障，让学生学习故障排除方法。同时为电路故障排除提供了一个逼真的三维虚拟环境和符合人们自然交互习惯的人机交互界面。数控加工操作面板，与实际系统运转一模一样。同时，系统能够实现真正的自由式人机互动，最重要的是它能够让学生进行拆卸安装以及故障诊断排除，学生自己做什么样的三维互动操作，系统就能做出相应的反应。虚拟数控培训系统能让学生自己决定每一个使用操作步骤，系统能够根据学生的操作做出实时的反应，判断。这样才能真正达到学生动手参与实验操作的目的。

虚拟数控维修软件包括三个基本模块：教学模块、实训模块和考核模块。教学模块中的数控机床包括概述、机械原理、机电控制、虚拟实验、工具备件等。数控系统有FANUC、Siemens、华中、广数等几种常用数控系统。实训模块包括数控机床主机机械部件拆装、电气线路连接、虚拟故障排除等内容。另外，还有一个供教师对学生进行考核的模块。通过这个虚拟软件的应用我们可以在下面教学方面能够获得很好的教学效果。

（1）机械装配方面。虚拟技术通过3D模型可以让学生模拟安装拆卸机床。通过安装拆卸了解机床机械结构。通过动画了解机械运转方式。效果直观、容易理解。模拟机械安装调试操作，模拟多种机械故障，可以让学生模拟操作。

（2）电气线路连接方面。虚拟技术的动态互动电路（活电路）方便学生理解学习。老师可以根据教学课程设置电路图和接线模型，方便电路教学。虚拟接线仿真度高，可直接查看接线结果。

（3）数控机床的维修方面。虚拟技术通过3D仿真机床，模拟机床参数设置，演示参数修改效果。仿真PLC故障，模拟PLC操作排除故障。老师可以根据教学进度任意设置电气故障进行教学。

（4）技能考核（考试）方面。考试模块通过编辑并加载考试项目后，对应试学员的考试模块就会出现考试内容，并可实时考试记录保存，自动评分，就可以实现无纸化考试管理。

因此，这种虚拟数控维修技术有这么两个典型特点：第一，操作安全。运用计算机模拟仿真进行数控实习教学操作更加安全，学生的实操过程和编程指令以及走刀路线都能在模拟仿真中体现出来，学生可以直观地看到自己的加工工艺和加工方法是否正确，再上机床操作，避免了由于学生操作失误而造成对学生自身和设备的危害。学生可以大胆尝试多种选择，消除或减少紧张情绪，减少练习初期由于紧张产生的畏惧心理。第二，允许出错，运用计算机模拟仿真进行数控实习教学允许出错。在模拟仿真中，可设计出多种实际工作中可能发生的变化，包括事故、故障和生产中极少出现的突然情况，使学生得到岗位技能的全面训练。如在设置换刀点时，如果离工件过近，学生就可以在仿真过程中看到换刀时刀具撞上工件的现象。

3.如何合理地将其应用到实际教学中去

针对虚拟数控仿真软件的特点和中职学校数控技术专业实践教学中存在的矛盾，在建构主义学习理论和双主体教学模式的指导下，运用虚拟仿真软件数控建构了一种适合中职数控专业课程课堂教学的探究型学习模式。该模式是基于项目学习的小组合作探究型学习模式。运用虚拟仿真软件开展数控技术专业课程的项目探究教学，有利于实现理论与实践一体化教学。在没有虚拟仿真软件的情况下，一个项目可能有多种解决方案，甚至还有的学生探究不出正确的方案。如果用真实的机床来检验，不但费时费料，还有可能损坏机床，造成事故。如果教师把所有学生的方案都进行批阅，花费时间太多，教学效率极低。运用虚拟数控仿真软件来检验，不但省时省料，十分安全，还能提示错误，解放了教师，学生自己就能知道自己的方案是否正确，不仅有利于探究型课堂的开展，也有利于学生实践能力的提高。

4.合理利用软件仿真，重视实际操作

虽然虚拟数控培训系统有如此出众的功能，但是，在教学中，我们也发现部分学生通过几道程序的编写后沾沾自喜，从而放松学习、训练涣散，最终只能落得一知半解的结果，严重影响了教学质量和浪费了教学资源。产生这种现象的根源在于老师没讲明白软件仿真与实际加工的区别，所以就要求教师具有把教学与生产结合起来的能力，只有具有了这种能力才能把软件仿真教学与实际加工有机地结合起来，取长补短，博采众长，有效地提高教学效率。因此，数控教学只能用软件仿真进行初期感性训练和基本程序与指令代码的练习，而不能把整个教学活动完全放在软件上，对实际加工必须有足够的重视。必须保证软件仿真教学得到充分的运用，同时，又要保证实际操作的地位得到权威性的提高，才能有效地组织数控教学，使数控教学既科学又客观，既高效又实用。

三、总结

鉴于虚拟数控培训系统如此出众的功能，把虚拟数控系统软件引入到教学之中，使之用于数控机床操作培训，无疑是个明智之举。这样，既可以避免因误操作造成价格昂贵的数控机床的损坏，又可以使操作人员在对仿真数控机床操作过程中产生现场感和真实感。同时，由于其成本较低，可以大量地配置终端，彻底解决了数控机床数量不足的难题，使每位学员都能有足够多的实践机会，因此能够让学生更快地熟悉和了解数控加工的工作过程，掌握各种数控机床的操作方法。其更大的好处还在于，在实现了同样培训效果的情况下，将加工出错率及事故发生率降低到了最低程度。

（作者单位：华东石油技师学院）