数控模拟仿真教学实训平台设计开发及应用

任炳新

摘 要：在当前的数控专业实训教学中，普遍存在的问题是学习效率低、实训费用高，培训教师事倍功半，学生反映收获寥寥。这种情况已经严重制约了数控专业学生实际操作能力的培养提高，不能满足当前职业教育的发展要求。因此设计开发一种新的数控实训教学解决方案来代替当前的实训教学方式，就成为大势所趋。数控系统仿真技术的出现，是解决这一问题的重要途径。但是在数控教学中引入仿真系统，应该作为学生熟悉了解数控系统实际操作的过渡手段，在一定范围内进行，之后仍然需要让学生在做好准备的情况下参与数控系统的实际操作学习。在此需求下，应用虚实一体化的原则，采取数字化双胞胎的工作原理，提出了一个全新的模拟仿真实训平台设计项目，使得学生培训时首先能够结合上课学习到的理论知识完成PLC程序编写和数控项目设计，通过在模拟仿真单元测试无误后，同步在实际试验平台上面运行确认实际效果，大大提高了学生的操作安全性和实际动手能力。

关键词：数控模拟仿真;虚实一体化;数字化双胞胎

一、项目背景

在当前的数控专业实训教学中，要求对控制系统加工编程与实际操作的培训练习必须在真正的数控设备上进行。但是随着数控专业学生人数的持续增长，传统实训培养模式出现了一些瓶颈。首先，受资金和场地的限制，学校先进数控机床的增长远远无法满足每位学生有充分的实际操作需求。而且，数控技术的进步日新月异，应用新技术的数控机床成本较高;数控机床的技术含量高，价格昂贵，维修保养的费用极高，很多学校都无法承受大量数控机床的投入。其次，学生在真实机床上操作具有一定的危险性，学生在数控机床上面进行实际操作练习的时候，如果准备不充分，出错在所难免，训练中的操作错误经常会引起数控设备的受损，甚至发生人身伤害事故。在当前的数控专业实训教学中，普遍存在的问题是学习效率低、实训费用高，培训教师事倍功半，学生反映收获寥寥。这种情况已经严重制约了数控专业学生实际操作能力的培养提高，不能满足当前职业教育的发展要求。因此设计开发一种新的数控实训教学解决方案来代替当前的实训教学方式，，就成为大势所趋。数控系统仿真技术的出现，是解决这一问题的重要途径。

数控系统模拟仿真技术，能够模拟数控机床系统实际运行环境和工作状态，是一种能够将数控仿真技术应用于实际数控系统操作编程技能培训的设计方法。使用数控模拟仿真系统进行实训练习和操作培训，不但能够迅速的提升学生的实际操作水平和数控理论基础，而且安全性高、可靠性强，学习培训的费用较低。数控模拟仿真系统现在已经成为了现代化数控数控专业对学生进行系统编程和实际操作培养的重要方式。通过数字模拟仿真系统采用自动控制原理、人工智能理论和专业教学数据库系统，对数控机床从结构到生产工艺流程，为每一个功能模块建立出内在模型，用通用电脑系统能够兼容运行的模拟仿真设计方法，实现了数控专业实训教学的各个学习环节。

但是这种方式也存在一定的缺点，不论是通过物理手段进行模拟仿真还是通过数字设计模拟仿真，它们的设计原理只是尽可能接近实际工作环境，而不可能与客观实际情况完全一致。因此，不论数控模拟仿真系统采用何种先进设计手段，也不可能完全等同于实际的加工过程。

在数控教学中引入仿真系统，应该作为学生熟悉了解数控系统实际操作的过渡手段，在一定范围内进行，之后仍然需要让学生在做好准备的情况下参与数控系统的实际操作学习。对于数控专业学生初期实际操作学习，应当以数控模拟仿真培训为主，数控机床实际操作培训为辅。到了数控专业学生后期实际操作学习，就应该以数控机床实际操作培训为主，让学员能够在实际机床培训中积累操作经验。如此一方面让学生了解和熟悉数控实际操作步骤，而前期模拟另一方面也是对仿真实习成果的验证和提升。

还有很重要的一点就是，如果缺乏在实际数控机床上面动手操作，长期只在数控模拟仿真系统上训练实习，容易造成学生的安全意识淡漠、对操作要求态度随意，为以后工作留下隐患;这些缺点只有通过实际操作才能加以纠正。

在此需求下，应用虚实一体化的原则，采取数字化双胞胎的工作原理，提出了一个全新的模拟仿真实训平台设计项目，结合了计算机+PLC模拟仿真平台和实际数控试验平台为一体，集成了当前较先进的设计理念和技术，使得学生培训时首先能够结合上课学习到的理论知识完成PLC程序编写和数控项目设计，通过在模拟仿真單元测试无误后，同步在实际试验平台上面运行确认实际效果，大大提高了学生的操作安全性和实际动手能力。而且此设计项目能够成为学生日后学习了解数字化双胞胎技术的前置学习平台。

二、应用场合和范围

将模拟仿真系统实训平台应用在数控理论课程练习中，能够让课堂上的数控理论教学更加具体生动，能够有效提升教学效果。数控专业教学中理论和实践结合紧密，教师在课堂中数控编程方法进行分析讲解，阐述数控机床的操作注意事项和加工工艺的处理技巧;而且能够使用模拟仿真数控系统直观明了的展示数控系统加工过程。而学生则能够使用数控模拟仿真平台来测试自己设计编写的加工程序及生产工艺操作处理在不同类型机床和不同数控系统上面的运行状况。而且还能够在实训平台上面同步运行模拟仿真通过的设计程序，观察和验证实际工作情况，提高学生的实操能力和学习效率。模拟仿真实训平台这种虚实一体的设计方式和数字化双胞胎的理念运用能够让学生更直观的在现场实时观察到实际的运行效果。

参考文献：

[1]张桦.数控加工仿真在数控教学中的应用[J].职业，2009（17）：11.

[2]周本利.虚拟现实技术在数控教学中的应用[J].滁州职业技术学院学报，2008（02）：78-79.

[3]廉良冲，周莉.仿真软件与数控教学的结合应用[J].机床与液压，2010，38（04）：107-108+103.