虚与实相结合的数控仿真系统设计应用研究

汪荣青

摘要：随着数控技术的深入发展，对数控技术人员的培训和学习有了更高的要求，针对传统数控仿真软件中存在的问题，提出了解决方案。本文从教学实际出发，详细地阐述了虚与实相结合的数控仿真系统的设计应用研究，将真实的操作面板与虚拟的仿真加工相结合，给数控加工技术的学习带来了重大的影响。这一应用可以减少训练实习成本，提高教学质量，并且将数控仿真系统分模块视频教程、自动评分系统两者与数控仿真系统相结合，实现了学生的自学、自评，为提高数控加工技术的教学质量提供了很大的保障。该模式对高职教育中其他课程的开展提供了借鉴意义。通过真实的操作面板与虚拟的仿真加工相结合的数控加工实训课程实施，为实践类课程校内训练仿真化提供了一定的依据。

关键词：数控仿真；职业教育；实践教学；评教结合

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）16-0174-02

数控加工技术产生于20世纪中期，该技术最早可追溯到1952年的美国麻省理工学院，直到20世纪60年代早期，数控技术应用到产品制造领域[1]。真正的繁荣时代是在1972年前后随着CNC技术的产生到来的。随着数控加工技术的发展、实训室开放等活动的开展，开放设施，自主训练[2]，数控实训教学就显得尤为重要。数控实训教学过程基本按照三个部分来完成，即工艺程序部分、机床操作部分和零件检测完成部分，其过程图如下图所示。

显然，数控机床操作是数控实训教学的中心环节。然而，数控机床操作实训，受到很多方面的制约。这其中影响最大的是数控系统种类和数控设备的台套数。设备数量与学生规模之间的反差，严重影响数控实训、培训效果[3]，从而导致学生不能正确和熟练地操作数控机床。这不仅存在着严重的安全隐患，还影响了学校毕业生质量与学生的培养质量。在传统的职业教育中，常规的数控实训教学模式是通过指导老师直接在生产性的数控机床上进行教学。但随着国家对数控人才的需求，数控专业的学生和参加数控技能操作培训人数大幅度增加，这样暴露出来的问题越来越多，有限的数控设备无法保证教学培训质量。高价的数控设备使得教学投入成本很高。另一方面，由于生产性数控设备面向的是熟练操作人员，对于非熟练操作学习者存在着一定的危险性，极易对数控机床进行损坏，这种方式始终存在着一定的教学风险。因此，传统的数控技术培训教学质量低下，教师工作量大，教学费用太高，不能满足数控技术教学的发展。数控仿真技术可以仿真数控加工技术，模拟数控加工环境及其加工过程。数控仿真软件是采用虚拟仿真技术于数控加工技术的仿真软件。传统的数控仿真软件是将数控机床操作和数控加工都以仿真形式出现，这种仿真方式与真实的机床差距很大，学生通过这样的方式仿真练习后并不能在真实的机床上进行操作。

一、数控仿真系统的应用

数控仿真系统在数控编程教学中的应用。数控编程指令比较抽象，通常在课堂中，学生不易理解，编写的程序不知道对错，需要老师的检查，无法自我查证。在课堂中采用数控仿真系统可以让课堂教学变得形象有趣，易于理解。当然，如果要进行数控编程的校验，需要进行数控机床的操作，学习好数控机床的操作是进行数控编程的编写和校验的基础，这也为后期的数控加工实训打下了很好的基础。同时，学生可以根据有趣的零件进行编程操作和加工，仿真出真实结果。因此，采用数控仿真系统可以使得枯燥的理论知识变得生动形象，能够提高理论课程的教学质量。

数控仿真系统在实习教学中的应用。数控加工实习的内容是进行数控机床的操作，然后进行对刀操作建立工件坐标系，通过数控程序的编写进行零件的加工，完成零件的制造。这些内容本来是在真实的机床上进行的，学生需要进行独立操作。由于是切削真实的零件，很容易损坏设备、刀具和工件。仿真机床的操作安全性高，初学者不会因为误操作而产生人身伤害，也不会有材料、刀具的损耗，同时也解决了机床设备不足的问题。数控仿真系统与真实机床结合实习，可以提高实习效率。初学者首先在仿真机床上实习，达到熟练和正确操作之后再在真实机床上进行实习，提高了实习的效果和质量。在仿真机床上学生可以反复操作，不用担心安全、危险等问题。而且仿真机床多机型多系统可以通过选择，进行不同机床的实习，学到更多的数控机床操作方法，为创新教学方法、拓展教学内容提供了基础。

二、当前仿真机床的现状

数控仿真机床的操作教学与真实机床一样，需要老师在课堂上，认真仔细的教学，学生不能课前进行预习。而且对于不同的机型和系统的机床其操作方法不一样，都需要进行分别的讲解与示范，如果进行讲解与示范，需要花较多的时间，同时学生学习的过程也需要更多的时间。这样，数控仿真机床在学生的学习过程中并没有提供一些简便的方式，学生学习时间较长难度较大。数控仿真系统过于理想化，数控仿真的过程是软件在考虑理想切削状态的过程。在这个过程中，机床的性能、材料、刀具等都处在理想状态中，这与真实切削环境有着较大的落差。数控仿真的过程中是一个假定的状态，并没有考虑刀具在切削过程中材料的变化、切削温度的变化、冷却液的使用等情况，因此数控仿真的切削用量的选择，并没有在真实机床上加工那么严格。切削用量的数值偏离较大时，在仿真机床上可能不会有问题，但置于真实机床上就可能直接损坏刀具或机床设备。仿真过程并不能反映出实际的数控机床切削过程。安全操作意识淡化。由于数控仿真机床的操作不会产生危险，因此，会使学生养成对数控机床操作的随意性、不规范不认真的习惯，而这些习惯可能影响在真实机床的操作过程中。这些就会在真实实习的过程中产生危险，而且形成习惯以后，很难改进，只能慢慢的在实践中进行纠正。学习者在学习完成后对数控仿真机床的操作正确与错误，学生自己不能进行评价，还是需要老师人为进行检查和指导。仿真完成的零件轮廓尺寸也需要人工的点击测量，数控仿真中不能提供自动评分，学生自我不能对自己的操作和仿真的结果进行打分。传统的仿真系统，其评价体系还不够完善，不能很好的促进学生的自我學习。

三、虛与实结合仿真系统的研究实践

数控加工技术学习过程中首先通过认知实践课程的学习让学生对数控加工技术有个基本的了解，通过一些案例激发学习兴趣。通过仿真系统的学习与数控编程课程内容的结合，培养学生理实一体化的能力。在数控仿真系统学习中进行教程导入、虚实结合、自我评价三个方面的创新实践。真实操作面板与仿真加工过程相结合，严格规范操作。传统的数控仿真软件以纯软件的方式进行，其虚拟程度太高，真实性差。而且由于其涉及的数控系统和机型过多，给学生学习造成了一定的困难。学生需要在一种机型上学好学精，然后再拓宽到其他机型。所以真实的操作面板与实际机床上的面板相同，操作方法相同，结合虚拟的加工过程，以突出仿真性的优点。通过这种虚实结合的数控仿真系统学习，学生很容易在真实的机床上上手，没有陌生感，增加了亲切性。数控机床操作教程的引入，进行学习评价体系建设。在数控培训仿真机床上，加载测评和学习两个模块。用户需要登录才能进入测评和学习模块，登录时需要输入姓名、班级和密码。登录有两个方式，一个是直接登录，另一个是继续操作。直接登录就是重要开始，继续操作是继续前面中断的操作。在测评菜单下，加载数控编程、机床操作、尺寸测量、结果提交四个模块，每个操作模块具体实现一种数控机床的操作功能，这几个操作模块涵盖了数控机床操作的所有功能。在数控编程中加载了工艺设计、编程、语法检查。在机床操作中加载了机床回零、自动加工、主轴启动、试切法对刀。从工艺设计、第一次编程的正确率、加工效率、数控加工时的机床关键操作、仿真后的尺寸、程序中的切削用量、仿真完成时间等方面进行。通过尺寸测量对数控仿真的零件尺寸进行检测，测量出仿真零件的实际尺寸。将所记录的仿真数控机床的操作步骤与规范的操作步骤进行比对，判断学生对仿真机床操作的正确与否。将所测量出的实际尺寸与零件图的要求尺寸进行比较，得出结果比对。其中工艺设计通过菜单【测验/数控编程/工艺设计】实现，主要输入工艺规划的切削用量和刀具的圆角半径。语法检查，对编写的数控程序进行检查，具体包括程序的规范化、非法字符检查、词法检查、逻辑检查。在学习菜单下，加载数控编程方法、仿真机床操作方法两个模块，每个操作模块具体实现一种数控机床的操作功能，且都有正确操作方法的视频讲解。在数控编程方法中加载了工艺设计方法、编程方法。在机床操作方法中加载了机床回零方法、自动加工方法、主轴启动方法、试切法对刀方法。

本文从教学实际出发，详细的阐述了虚与实相结合的数控仿真系统的设计应用研究，真实的操作面板与虚拟的仿真加工相结合，给数控加工技术的学习带来了重大的影响。通过这一措施可以减少训练实习成本，提高教学质量。并且将数控仿真系统分模块视频教程、自动评分系统，两者与数控仿真系统相结合，实现了学生的自学、自评，为提高数控加工技术的教学质量提供了很大的保障。在实际过程中，通过两届学生的试用实施，效果较好。

参考文献：

[1]来建良.数控加工实训[M].杭州：浙江大学出版社，2004.

[2]孙逸华，朱国文.职业技术教育数控人才培养、培训现状调研报告[J].中国职业技术教育，2003.

[3]杨林君.浅谈数控教学改革与实践[J].新课程学习，2012.