数控技术虚拟实验室的开发与应用

潘宏歌，魏家鹏

（辽宁工程技术大学 实验实训中心，阜新 123000）

0 引言

随着现代技术的迅猛发展，传统的制造业开始了根本性变革，数控技术在机械制造行业中的广泛应用已成为社会的生产支柱。在现今数控人才极度缺乏的情况下，如何将最新、最实用的数控技术高效地传授给数控技术学习者，是数控教学要着重考虑的问题。由于数控教学离不开数控机床，而数控机床本身价格比较昂贵，严重限制了学校的购买力。此外，数控设备的种类之多、更新之快，对于任何一所高校都是望尘莫及的。为了解决以上种种困难，本文将结合数控加工的特点，借助数控仿真技术、相关编程软件和网络传输技术等相关知识，开发数控技术虚拟实验室，从而有效地提高数控技术的教学效果和教学质量。

1 数控技术虚拟实验室的构成

虚拟实验室（Virtual Laboratory）是以计算机软硬件技术为支撑，使用软件开发工具实现的一种虚拟实验环境，通过开发一系列虚拟实验组件来模拟和再现真实实验环境、实验设备和实验过程，使实验者脱离实际试验条件的束缚，互动的感受实验信息，在更加方便和快捷的条件下，通过一个具有丰富的界面信息、友好的互动能力和强大的数据处理能力的实验环境进行实验。

基于虚拟实验室的特点，笔者开发了一套应用于数控实训教学中的数控技术虚拟实验室系统。其构成主要有数控仿真模块、自动编程模块和网络传输模块。

1.1 数控仿真模块

仿真模块采用了上海宇龙数控仿真软件，该软件是一个应用虚拟现实技术于数控加工操作技能培训和考核的仿真软件。采用数据库统一管理刀具材料和性能参数库，提供车床、立式铣床、卧式加工中心和立式加工中心，以及机床厂家的多种常用面板，控制系统有FANUC、Siemens、三菱、大森、华中数控和广州数控等；具备对数控机床操作全过程和加工运行全环境仿真的功能（其中包括毛坯定义与夹具，刀具定义与选用，零件基准测量和设置，数控程序输入、编辑和调试，加工仿真以及各种错误加检测功能）。在操作过程中，具有完全自动、智能化的高精度测量功能和全面的碰撞检测功能，还可以对数控程序进行处理。

1.2 自动编程模块

CAXA制造工程师是针对数控铣、加工中心的CAD/CAM软件，它可以完成零件几何建模、加工代码生成、联机通讯等功能，集图纸设计和代码编程于一体。该软件具有强大的造型功能，可快速建立复杂的三维模型，具有灵活多样的加工方式，快速生成加工轨迹。这种软件通用后置处理适用于各种数控系统，支持三坐标测量机，具有数控代码反读和真实感仿真功能。

1.3 网络传输模块

该模块主要由数十台学生机、一台作为服务器的教师机和一个交换机组成。学生机和教师机通过网线连接在交换机上，构成一个小型的局域网。且计算机均装有上海宇龙数控仿真软件、CAXA制造工程师及其配套操作指导书，学生们可以在各自的学生机上进行机床仿真操作和自动编程练习。该模块主要用于教师指导实习和学生提交作业等。

2 数控虚拟实验室的工作原理

虚拟实验室的建立使学生可以在虚拟化的环境中完成实训内容。首先，学生在数控仿真模块中选择一种机床，然后在相应的实训指导书的提示下，完成机床基础操作部分（包括开机、回零、对刀、选择程序、模拟加工等）的训练内容；接下来，学生进入自动编程模块，在此模块中，学生可参照自动编程课件，完成从自行设计图形、选择加工方式、生成刀具轨迹、轨迹仿真到生成程序代码的流程；最后，学生可以把生成的代码实时传输到仿真系统中模拟加工，确认无误后，方可从客户机存储到服务器上，待上机床实际操作。

3 虚拟实验教学的优势及特点

将虚拟实验室引入到教学当中，可以说是教育领域应用信息技术的一种创新。虚拟实验室增强并扩展了实验教学的功能，以前所未有的方式将学生和实验仪器联系起来，为学生提供了一种崭新的实验方式。

3.1 节约实训成本

虚拟技术的引入使得大部分的实训项目可以首先在仿真系统中实现，从而大大减少了在数控设备上的资金投入。同时，单个学生的有效上机时间也相应增加，学生的学习效率大幅度提高。另外，又可避免实验实训设备的损坏、训练材料的消耗等问题，从而有效降低了实训成本。

3.2 激发学习兴趣

由于仿真模块中的虚拟机床与数控机床操作系统具有相同的面板和按键功能，学习者可以在虚拟实验室中身临其境般的操作虚拟机床，并且在操作过程中，即使出现人为的编程或操作失误也不会危及机床和人身安全，反而学生们还可以从中汲取大量的经验和教训。这使得学生可以进行自我学习、自我检测，充分调动了他们的学习积极性。

3.3 教学成果显著

在以往的数控实训教学中，教师通常首先在课堂上讲解一些有关机床的基础知识，然后再到机床上示范机床的操作过程，但是这样的教学模式往往不能够保证每一位学生都能掌握所学内容，教学效果不够理想。数控虚拟实验室实现了师生互动教学，教师可以以广播的形式在每个学生的屏幕上演示其教学内容，使所有的学生都能清楚地观看并进行模仿，同时教师也可以在自己屏幕上看到每个学生的操作情况，实时了解教学情况并对学生进行指导。由于是在教学中边教边学、边学边做、在学中做、在做中学，学生的积极性被调动起来，老师也在教学活动中得到解放，和学生一样感受到非常轻松，大大提高了教学效果。

3.4 有利于培养学生的创新意识

利用虚拟实验环境，可以发挥同学们的想像力，去实现自己的设计，而不受机床、刀具等的限制，同时也不用担心实验的失败对人身和设备造成的损坏，为培养学生的创新意识和能力提供了广阔的实验空间，这是传统模式下无法实现的。虚拟实验对学生来说，更像是“量体裁衣”，具有“个性色彩”。

3.5 为实际机床操作打好基础

在数控技术虚拟实验室中，学生们通过反复练习数控机床的操作，对常见的一些问题操作有了更加全面的了解。相信有了这样良好的基础，学生们再到机床上操作可以迅速的将理论知识应用于实践之中。

4 结束语

数控技术虚拟实验室以先进的计算机技术为基础，采用软硬件结合、功能模块重组配置的方式，增加了教学平台的适用性和实验技术可扩展性，有助于培养学生的动手能力和创新精神。在使用虚拟实验室的过程中，如果能把模拟的与现实的相比较，加强学习者之间的相互合作，并注重激发学习者的兴趣、促使其进行探究，那必将会产生巨大的教育价值。

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