基于半实物仿真的机床电气故障检修实训系统设计

李力

（湖南工业职业技术学院，湖南 长沙 410208）

1 引言

“中国制造2025”提出“要加快培养制造业发展急需的专业技术人才、经营管理人才、技能人才”。机床是装备制造业的基础设备，是先进制造技术的载体和基本生产手段。我国作为“世界工厂”，已成为世界上最大的机床消费和使用大国。机床使用过程中需要大量的机床维护和维修技能人才，如何培养大批符合企业需求的高质量的机床维护和维修技术技能型人才成了目前开设相关专业的职业院校需要解决的问题。

2 机床电气故障检修实训教学现状

由于目前市场上机床种类多、体积大、能耗高，基于真实机床的技能实训设施的建设成本较高，采用真实机床设备进行故障检修实训，在面向初学者和学生人数较多的实训课中，机床运行过程中的噪音、能耗以及机床的机械运动带来的危险都不利于教学的开展，因此，机床电气控制线路安装和故障检修技能实训室大多采用机械与电气分离的方法来训练学生的实践技能，电气线路及元件与真实机床保持一致，机械结构部分用图形替代，这种方案的好处在于克服了采用真实机床进行实训教学所带来的占用空间大、噪音能耗大等缺陷，能在较少的设备要求和较低成本的情况下给学生提供实训条件。

但是，电气与机械分离的实训方式在实训教学过程中也暴露了一些问题，机床是一种典型机电一体化设备，在机床工作以及检修过程中，机械结构与电气控制是不能完全分离开的，因此，在教学以及学生在实训过程中，由于缺乏真实机床的整体结构参照，学生往往只关注普通电动机的各种控制环节，而对机床机械运动和电气控制的相互配合理解较差，在实训过程中无法体现机床电气控制故障检修的综合性，而且，这种机械与电气分离的实训方式，将使学生在学习过程中缺乏真实感和现场感，训练过程抽象，实训过程中，学生看到的只是电动机的转动，而不是机床的机电一体化运行，并且，部分与机床机械动作相关的故障无法通过直观的故障现象来表达，将机床控制线路故障检修变成了电动机电气控制回路的检修，机床电气故障检修技能实训教学效果不佳。

3 实训教学设备改进

实训教学是依托实训教学设备来开展的，因此，实训教学设备的研发在整个实训教学过程中的重要性是不可忽视的，针对机床电气故障检修实训教学以及考核过程出现的问题，研发了一种基于虚拟现实技术的半实物仿真教学系统（发明专利授权2015105629921），该系统基于计算机图形处理技术，将机床的机械结构部分进行虚拟化，而实训练习的直接工作对象即机床电气控制部分采用真实部件，其结构原理如图1所示。

图1 系统结构原理图

机床电气故障检修的半实物仿真实训教学系统基于虚拟现实技术，由机床电气控制柜、机床操作控制台、故障设置组件、数据交换组件、仿真计算机和显示及语音组件组成，半实物体现在机床电气控制柜和机床控制台全部采用真实元件，而机床的机械部分则由仿真计算机和显示及语音组件进行虚拟仿真展示，虚实之间的信息交换由数据交换组件完成，故障设置组件用于机床电气控制线路的故障设置。

主令电器如按钮开关、旋转开关、转换开关、行程开关等置于机床控制台上，接触器、热继电器、中间继电器、熔断器、控制变压器等及其连接电路和辅助设备置于机床电气控制柜中，信号灯、照明灯、主轴电动机、冷却泵电动机、刀架快速移动电动机及其拖动机构和机床机械结构采用虚拟现实技术通过计算机程序在大屏幕显示器上显示。

如图2所示，机床电气控制柜由双层板构成，包括底板和面板，各电气控制器件（包括但不限于接触器、行程开关、按钮开关、各类继电器等）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线端子上，且中间串接有一个由控制器控制通断的微型继电器，用于故障点的设置，面板置于底板上方，面板在相应电气器件的位置上开有窗孔，使置于底板之上的各电气元件穿过面板，以便操作者可以通过该窗孔观察或者操作该电气元件，面板上布置有与各电气器件相连接的接线端子，并在各端子处标有该器件及各端口的符号，且在各端子处设置有一个用于接线指示的多色LED指示灯，面板上布置有线槽，用于导线的布线。

图2 电气控制柜的结构示意图

数据交换组件承担机床电气控制系统与虚拟仿真系统之间的数据交换，由数据采集模块、数据反馈模块、控制器、双向数据传输模块组成，结构原理如图3所示。数据采集模块通过检测机床电气控制柜的输出端子输出的电压、相序等参数，控制器通过双向数据传输模块将这些参数输送至仿真计算机，虚拟仿真系统产生的虚拟行程开关、限位开关等信号由数据反馈模块输出至机床电气控制柜的控制信号输入端子，完成机床电气控制的闭环，进而完成虚实联动。

图3 数据交换组件结构原理图

板上载有多个由单片机控制通断的微型继电器，该微型继电器用于机床电气控制线路故障的设置，微型继电器的输出端子由导线连接至电气器件端子与对应的面板端子之间，即将微型继电器的输出端子串接在电气器件端子与对应的面板端子中间。

图4 故障设置组件结构原理图

机床电气控制线路的故障设置由故障设置组件完成，故障设置组件主要由控制器、微型继电器等组成，将原电气线路的连接线断开分别接入微型继电器的常闭触点两端，设置故障时，只需控制微型继电器通电，其常闭触点断开，造成回路的断路故障，学生查出该故障点后，故障设置组件控制对应的微型继电器掉电，其常闭触点闭合，线路即恢复导通，故障消失。

未设置故障状态下，学生操作机床运行，比如按下启动按钮后，机床电气控制系统开始工作，数据交换组件的数据采集模块监测机床电气控制柜的输出端子，将所得信号参数传送至仿真计算机，虚拟仿真系统则根据这些参数驱动虚拟机床机械结构运动，学生可以通过显示屏幕和语音设备观察到机床对应的动作现象并能听到动作所产生的声音，虚拟机床运行过程中产生的行程开关、限位开关等动作信号则通过数据交换组件的数据反馈模块返回至机床电气控制柜，完成机床电气控制系统的完整运行。

图5 虚拟仿真软件工作过程

若某控制回路已设置故障，系统运行后，数据交换组件的数据采集模块将检测到的该控制回路的电压、相序等参数传送至仿真计算机，由于该回路已设置故障，虚拟仿真系统获取到的参数为非正常值，虚拟仿真软件根据这一数据产生对应的故障现象，比如电机不运行、机械部件不动作等，学生可以通过显示屏幕观察到这一异常现象，进而根据检修方法进行检修工作。

4 实训效果

从机电一体化专业大二年级初次学习《机床电气故障检修》课程的5个班中随机抽取2个小组（每组3位同学）进行教学对比，1个小组采用原有机床检修设备进行教学，另外1组采用本文所述半实物仿真实训教学系统开展教学，实训结束后对故障检修结果考核及过程评价。

从表1的成绩可以看出，采用本文所述半实物仿真实训教学系统开展教学的小组平均成绩均高于采用原有设备的小组，且成绩均为良好以上，这也说明了半实物仿真实训教学系统优于原有设备。

表1 故障检修结果考核及过程评价

一个学期后，将各小组学生重新召集起来，按照原来分组进行再次考核，考核前不进行任何指导和训练，各小组直接进行检修技能考核，得出成绩如表2所示。

表2 再次考核成绩

从表2可以看到，经过一个学期的时间后重新进行机床电气控制系统故障检修技能考核，各小组的成绩均有下降，但是，相较于采用原有设备的小组，采用半实物仿真实训教学系统的小组的成绩下跌幅度相对较小，这是由于半虚拟半实物的仿真实训教学系统增加了虚拟视觉元素，学生能直观地观察机床运行及故障现象，对知识和技能点的理解及掌握更深刻。

另外，从授课教师的反馈来看，采用半实物仿真实训教学系统的小组的教学过程需要教师干预的次数明显少于采用原有设备的小组，实训教学的负荷较大程度得到了减轻。

5 结语

机床电气故障检修的半实物仿真实训教学系统在保留机床电气控制系统真实性的基础上借助虚拟现实技术将机床的机电系统结合在一起，解决了原有的机床电气故障检修实训中存在电气控制回路与机械结构分离的问题，摆脱了机械与电气分离的实训方式，增强了技能实训过程中的真实感和临场感，使学生在故障检修过程中更直观地理解机床工作过程中机械与电气的相互结合，同时还减少了机床设备的投入，节约了教学场地，改善了教学环境，降低了能源消耗，由于检修过程中，机床的机械运动部分采用计算机虚拟仿真技术，整个教学系统没有电动机及其拖动机械结构的运动，教学中发生安全事故的几率大幅降低，简化了教学管理，教学环境得到极大的改善。