“数控技术及应用”课程虚拟实验设计与实践

刘旭波, 熊智文, 李学文, 赵 丽, 陈 静

(南昌大学 机电工程学院, 江西 南昌 330031)

“数控技术及应用”课程是机械类专业的主要专业课程,其内容涵盖机械制造技术、计算机技术、自动控制技术等,对实践性环节的教学要求很高。以往的课程教学注重课堂理论知识的传授,实验课课时少,且课程内容主要是对理论知识的验证。传统的实验教学安排存在明显的缺陷,例如无法让每个学生都能亲自动手实验；学生因不熟悉操作而失误造成设备的损坏；课堂教学模式单调,教学效果不理想。

为了提高实验教学质量,本文探索了将虚拟实验技术应用于“数控技术与应用”课程教学的实践,加强实践性环节与理论教学的交叉教学。虚拟实验用计算机部分或者全部模拟真实实验操作使用的操作系统,具有感知性、交互性、沉浸性和拓展性特点[1-9]。通过数字化虚拟装备的操作、装配,把抽象的理论知识直观化，提高课程的趣味性和对知识理解度,进而提高课程教学效果[10-12]。

1 虚拟实验设计与课程安排与软件选择

“数控技术及应用”课程内容包括数控编程与操作、插补原理、数控系统软硬件结构与原理、数控机床的伺服系统、数控机床机械结构与原理、数控机床故障诊断等,课程实验主要集中在数控编程与操作、数控机床结构与原理认识、数控系统的连接与调试、数控机床故障与排除等内容。

虚拟实验内容的设计,既要考虑理论课程内容与实验课程内容安排,也要考虑实验教学要采用的虚拟实验软件。本“数控技术及应用”虚拟实验在时间和内容上与理论教学课时交叉安排,如图1所示。虚拟实验选择主要针对实践要求较高的教学环节,包括数控编程与操作、数控插补原理教学结合虚拟机床操作、编程虚拟加工实验；数控机床机械结构与原理教学结合虚拟机床结构剖析、虚拟装配与模拟运动实验；数控系统、伺服系统结构与原理教学结合CNC虚拟结构剖析与虚拟连接实验。

图1 课程内容与虚拟实验内容选择

目前“数控技术及应用”课程虚拟实验的常用软件包括VERICUT、NCSIMUL以及国内开发的斯沃数控仿真软件等。VERICUT软件可以实现用户自己创建机床、工装夹具、程序、数控机床控制器以及工艺等,能全方位的模拟加工中的实际情况；斯沃数控仿真软件包括数控加工仿真、数控机床维修仿真、装配仿真、数控电气装配仿真等功能。还有一些实用的免费软件(例如浙大辰光数控虚拟加工软件)也能实现虚拟操作机床及加工仿真等功能。

为方便学生实验和作业,本文采用了免费版的浙大辰光数控虚拟加工软件进行数控机床的虚拟操作与虚拟加工实验；采用UG软件的设计、装配和运动仿真功能进行虚拟数控机床结构剖析、虚拟装配与模拟运动实验；利用一些网络资源来实现数控系统、伺服系统结构与原理教学结合CNC虚拟结构剖析与虚拟连接实验及故障维修虚拟实验展示。

2 虚拟实验具体实现

2.1 虚拟数控机床操作

在数控机床工作原理教学中,采用单纯的文字和二维的图片的讲解仍比较抽象,故结合虚拟数控机床操作进行讲解。数控机床虚拟操作软件大都配置了与主流数控机床实际控制面板一致的工作界面,虚拟机床的操作流程设置与实际机床的操作流程也完全一致。

教学时,通过虚拟操作数控机床,引导学生联想金工实习时数控机床的操作。虚拟机床操作主要模拟机床回零、手动操作、MDI方式、自动操作等,教学中结合数控原理讲解动作的实现和指令信号的产生与传输执行过程。

数控机床虚拟仿真软件通常设计有操作安全提示,有行程开关保护等类似功能,一旦触发该功能,会及时发出警告,在解决问题后才能进行后续操作。在虚拟仿真实验中可以设计误操作情节,通过警告的识别和排除,加深学生对机床操作规范的理解和记忆。

实践证明,虚拟机床和实际机床具有高度一致性,可以通过虚拟操作机床,培训学生的机床操作能力。

2.2 虚拟数控加工实验

虚拟数控加工实验可以在课堂上对程序进行验证。

在虚拟数控机床仿真软件中,采用MDI(手动数据输入)方式输入单段数控加工程序。执行程序后,机床将显示程序代码的运行轨迹,并能显示出按该段程序加工零件的三维效果,通过加工效果来加深理解数控指令的功能含义。

在“数控技术及应用”编程教学中,程序的工艺合理性和有效性最终需要通过加工来验证,其中关键的一步是通过所加工零件的轮廓检查来判断工艺规划和程序指令的正确性。在数控编程教学中,通过虚拟数控加工实验可以很好地解决这个问题。

虚拟加工实验与实际加工操作过程一样,在虚拟仿真软件中进行开机—机床回零—程序输入与编辑—装刀具—装夹虚拟工件毛坯—手动方式对刀—建立工件坐标系—设置刀补参数—调出加工程序—选择自动方式—加工。软件将按所选择的数控加工程序逐步完成加工,整个过程连同对应正在执行的数控代码都可以在显示屏上完整地展示出来,如图2所示。虚拟零件的图像可以放大、缩小、旋转,以查看零件的细节。

2.3 数控机床运动结构认识实验——虚拟机床

实体数控机床封闭性很强,在现场很难对机床的结构进行完整的展现；而虚拟数控机床可以很好地解决这个问题。

2.3.1 机床机构虚拟剖析与传动机构认识

数控机床的机械结构特点主要体现在传动机构上。为方便认识机床的传动机构,在仿真软件中可以消隐机床的外罩,只显示运动机构,如图3(a)所示。在视图中可以采用放大、缩小和旋转功能来展示虚拟机床机构的细节,可以配合UG软件结构设计等其他资源对关键的传动机构做详细的展示,如图3(b)所示的主传动系统。

图2 虚拟加工展示

图3 虚拟机床机构展示

2.3.2 机床结构虚拟装配与运动仿真

基于UG软件对数控车床的传动件和主要基础件进行三维建模,在装配模块中可以方便地实现虚拟装配,如图4所示的装配爆炸图。在完成装配后,UG软件还可以方便地进行数控机床传动机构的运动仿真。在仿真过程中,结合数控原理介绍数控机床指令的传输过程和机械运动的最终实现。

图4 数控机床进给传动装配爆炸图

2.4 数控系统虚拟结构、接线与故障

2.4.1 数控系统结构虚拟设计与接线

数控系统电气结构与工作原理是“数控技术及应用”课程的教学难点。可以通过软件(例如数控机床调试与维修仿真软件)对数控机床电气结构进行虚拟展示,学生可以通过模拟连接掌握真实的连接过程。

学生还可以自己设计电气原理图,利用仿真软件的逻辑联系功能发出控制指令,让数控机床按照指令进行运动。如果电气设计不合理或有错误,可以及时调整设计,教学效果非常好。

2.4.2 数控机床故障诊断、排查和维修

当虚拟数控机床能正确运动以后,可以进行数控机床的故障虚拟设置。学生可根据故障现象查找故障原因,教学中也可以通过课堂演示现场故障的排查。学生可以亲自参与软件操作,实现教学的互动。

数控机床调试与维修仿真软件提供的故障都是根据真实的数控机床的故障来设置的。通过设置各种不同的故障,学生的动手能力会得到大幅度提高。

3 提高虚拟仿真教学效果的一些措施

由于教学大纲的变化,很多高校对专业课课时进行了压缩。为保证“数控技术及应用”课程教学效果,采用了以下一些措施:

(1) 紧凑、合理地安排教学内容与课时,多设计案例式教学,用案例串联起知识点,在重要环节增加虚拟实验以配合理论知识点教学。

(2) 发挥虚拟实验直观、成本低等优点,认真设计实验内容,在不占用太多课时的讲解中做到理论与实验的关联讲解,避免理论与实验脱节。

(3) 为使学生熟练掌握数控机床的操纵与加工过程,可以设计作业让学生课后自主完成,充分发挥虚拟实验的效用。

(4) 在学生能熟练、正确地完成虚拟数控机床的操作后,安排真实机床的操作实验,以检验虚拟实验教学效果。

教学实践证明:虚拟实验不但能活跃教学气氛、提高“数控技术及应用”课程的教学效果,而且大大提高了学生的学习效率,降低了教学成本。

4 结语

虚拟实验提高了“数控技术及应用”专业课程的教学效果。通过数控机床的仿真操作和实验过程的三维动态再现,能够激发学生对课程学习的兴趣,激活课堂教学气氛,使学生更好地掌握数控技术。学生可以反复动手进行数控机床的虚拟加工操作,很好地解决了因数控设备不足的问题,做到学生“一人一机”学习。