基于虚实同步的数控加工技术虚拟仿真教学研究

万 泉,蔡向龙,石春源,罗淑芹,孙汝苇

(哈尔滨理工大学机械动力工程学院,黑龙江哈尔滨,150000)

一、引言

《关于推动公共实训基地共建共享的指导意见》提出,鼓励在公共实训基地开展虚拟现实、虚拟仿真平台、工作过程模拟软件等培训,用于全面提升实验教学质量,提高教育信息化,缩短高素质人才培养周期。［1-2］工程训练作为高等工科院校重要的实践教学环节,在培养学生创新精神和工程实践能力方面发挥着重要作用。［3］工程训练是以工程项目为主要内容的实践性教学,旨在培养学生的实践能力和创新精神,提升学生的综合素质。通过工程训练,学生可以在实践中认识技术、掌握技能、增强创新意识和解决问题的能力,培养合作能力和团队精神。工程训练可以帮助学生将理论转化为实践,激发学生的学习兴趣,提高学生的综合素质和竞争力。数控加工实训是工程训练实践教学的重要组成部分。［4］数控加工技术是将数学、物理、机械、电子等多学科知识结合起来,通过计算机控制和数控系统实现对机械零件加工的精密控制。与传统的加工方式相比,数控加工技术更高效、更精确、自动化程度更高,能够大大提高加工效率。

由于数控加工设备少,人机比例失调,加上数控设备价格相对高昂,成本投入较大等,教学质量受到一定影响。［5］为切实增强实训教学效果,调动学生参与实验教学的积极性和主动性,本文基于虚实结合、虚实同步的数控加工虚拟仿真实验,采用真实数控面板,以虚拟仿真、虚实结合、虚实同步、教学过程实时控制等技术,构建数控设备物联网,延伸实验教学的时间和空间,从而激发学生的学习兴趣和学习潜能,增强学生的创新创造能力。

二、实验教学平台建设

该平台采用数控原理、数控维修、数控车削/铣削虚拟仿真实验教学等方式,通过延伸实验教学时间和空间,解决学员无法接触高端数控设备的实际问题。［6-7］系统通过真实的操作面板配合虚拟仿真程序,让学生学习数控机床的操作方法。同时,真实面板可通过网络直接切换到与智联网合作企业的真实加工设备,实现虚拟加工和真实加工完全同步,丰富学生实际设计加工的学习体验。

(一)数控智能实训教室建设

基于虚实结合、虚实同步的数控加工虚拟仿真实验教学,相关建设部门可按功能将数控智能实训教室分为车削实训教室和铣削实训教室。不同的教室由不同类型的实训终端构成,智能实训教室包括教师机实训终端、学生机实训终端、桌面型真实加工机床和虚拟仿真软件,如图1所示。

图1 数控智能实训教室结构图

(二)网络化桌面教学型数控车、铣床建设

车削/铣削实训教室由一体化智能实训终端(学生机)、智能实训管理终端(教师机)和网络化真实加工机床组成,如图2所示,通过局域网连接为一个整体。学生可通过学生机进行虚实结合的实训。有一定PLC编程基础的学生可以尝试编写较为复杂的程序。［8］操作过程会被实时传送到教师机进行存储,用于学生实训过程的回放和实训成绩的评估。仿真实训通过后,学生可以申请真实加工,如教师机开放真实加工权限,则可以连接真实机床,完成真实加工。一体化智能实训终端由多平台一体化智能实训终端内置虚拟机床图形工作站构成,主要用于虚拟机床的显示和操作,不需额外配置计算机。

(三)一体化多平台智能数控实训终端建设

一体化智能实训终端采用双屏幕显示方式,其人机操作界面与真实机床的数控系统控制面板相同,大LCD屏幕以三维立体的形式展示机床运动和加工过程,搭建了虚实结合的可视化智能制造实训平台。［9］该平台使学生既具有操作实际机床的真实感,又可以从不同角度和细节直观地感受机床的运动和加工过程的实际动作,不必担心机床的损坏、零件的加工成本和安全问题。学生通过反复实验能够熟练掌握数控机床的基本知识和操作技能,如对刀、刀具补偿、手动数据输入、程序编辑、加工过程控制等。

三、实验教学体系

(一)教学背景

数控加工技术(computer numerical control,CNC)是指通过计算机控制数控机床进行加工的一种先进的加工方法。［10］该技术通过采用计算机控制系统,可以达到零件加工的自动化、高精度、高效率要求,既能提高加工质量、精度和速度,也能提高工作效率和生产率,减少人工操作,降低劳动强度。在工程实训中,数控加工技术也是机械、自动化等专业学生必须掌握的项目。而常规实训教学多由教师现场讲解示范,学生基于设备实际操作,实训效果往往受场地、设备、学时等条件的限制。［11］为切实解决传统数控实训存在的问题,该教学体系提出将虚拟仿真实验技术与虚实同步技术一起应用于数控加工实训平台的方法,从根本上解决传统数控加工实训过程中产生的问题,即通过虚实结合拓宽智能制造虚拟仿真实训平台的承载能力,提高实训效果。［12］

(二)教学设计

该系统是基于数控系统参数区的可重构虚拟数控系统柔性内核,通过参数区的配置和面板的更换,开发出任意种类的实验平台。以真实的操作面板驱动虚拟机床的方式,通过硬面板的更换和虚拟机床仿真系统的配置,可以迅速重构为其他类型的数控系统,实现在同一平台上的多数控系统仿真教学。该实验平台有如下几种特点。

1.真实操作面板驱动虚拟机床设备的仿真模式

由于硬件操作面板和真实机床大体相同,这种仿真模式可以给操作者带来更加真实的数控加工操作体验。与纯软件仿真模式相比,这种仿真模式可以克服软件面板如手轮、波段开关、积停按钮操作状态不真实、不直观的缺陷。

2.上下位机通信与功能分析

虚拟仿真数控加工由上位主机和下位硬面板仿真器构成。上位主机负责虚拟仿真环境的生成和仿真器接口信号的处理等工作;下位硬面板仿真器主要完成数控系统显示屏幕生成、可替换面板的状态信号扫描、与主机的通信和操作面板状态的实时更新等工作。上下位机通过通信介质层通信,通信方式可以采用USB、RS232或TCP/IP方式。

3.系统控制软件功能分析

系统控制软件包括主CPU控制软件和从CPU控制软件,如图3所示。主CPU控制软件主要完成上位PC机通信、下位CPU通信和主要数控操作元件的状态扫描等工作;从CPU主要完成操作面板元件状态扫描和与主CPU的通信工作。主CPU控制软件的主要功能包括上位PC机通信功能、下位CPU通信功能、数控操作元件的操作状态扫描功能。从CPU控制软件的主要功能包括操作面板元件状态扫描功能、主CPU的通信功能。

图3 系统控制软件结构图

4.数控显示器动态生成技术

数控显示器是数控系统的表现层,包括虚拟数控显示屏幕和数控系统操作面板。以某型号的配置FANUC 0i系统的加工中心数控显示器为例,整个显示器由数控系统显示屏、系统键盘、系统软键盘和辅助操作键盘构成。操作原理是建立一个对构成数控显示器基础元件的统一描述方法,通过统一描述文件展示真实数控显示的构成。通过对统一描述文件的解析,由动态建模技术动态生成数控显示屏幕,再利用脚本解析引擎解析操作脚本,控制显示器产生交互操作的状态变化,实现对真实数控显示器的仿真。通过统一描述文件生成仿真数控系统显示器的方法是一种动态建模方法,这要求构成虚拟显示的基础元件库足够完整,可以模拟不受种类限制的数控显示屏,且必须是完全可配置的。

5.采用虚拟数控显示器OB(对象行为)模型

该模型是一种基于对象的模型,主要由对象和对象之间的交互行为构成。在该模型中,对象可以是数控显示器的各个组成部分,如键盘、屏幕、控制面板等。这些对象之间通过消息传递进行交互。在虚拟数控显示器OB模型中,对象之间可以执行各种行为,如读取键盘输入数据、显示图形数据、设置控制参数等。这些行为可以被视为对象方法,由其他对象调用或触发。例如,当用户在键盘上输入数据时,键盘对象会调用一个输入数据的方法,并将数据传递给显示器对象。

6.根据实际加工情况进行过程建模

以数控实际车削、铣削为例,可以将数控实际车削、铣削过程视为加工刀具以数控代码规定的轨迹行进,不断切除毛坯的过程。工件通常固定在机床上的旋转工作台上,而刀具则通过机床的刀架进行控制。刀具可以旋转,并在轴向和径向方向上移动,以切削工件上的材料。在切削过程中,刀具的进给速度、刀具路径以及切削深度等参数由预先编程的数控代码控制,通过直线和圆弧指令进行切削,采用公式解的最低点求解方法,以保证数控加工仿真的切削效率和实时效果。

(三)操作方法

对于专业新生或近机类实训学生,主要开展虚拟仿真智能数控加工实验,让学生快速了解数控加工虚拟仿真系统相关的基础知识,包括数控加工系统认知、虚拟仿真认知、金属切削原理等。学生需要了解关键设备如数控加工中心、虚拟实验平台、虚拟机床主机操作系统、仿真器终端操作系统等的组成、结构和原理。

操作步骤:开启实际机床—开启电脑与仿真设备—点击软件加载虚拟机床—加载毛坯—打开串口—操作仿真设备选定位置—设定手动模式—可完成主轴运转—可进行X/Y/Z轴运动—可编程或修改参数—选择自动模式—选定程序—运行加工—实现虚实结合。具体操作流程如图4所示。

图4 操作流程图

四、实验教学项目特色

(一)教学理念

借助云端管理、虚实结合、虚实同步的技术手段建立的数控加工仿真虚拟实验包含虚拟加工系统、真实加工系统和虚实同步加工系统三部分。实验教学应采用与真实数控机床相同的可更换的操作面板,创设零距离的真实加工训练环境,以学生为中心,注重学生综合实践能力与系统观念的培养,激发学生的学习兴趣与学习潜能,提升学生的综合素质。［13］

(二)虚实同步技术在数控机床实训中的应用效果

学生需操作真实面板,通过虚拟机床进行数控车铣加工的毛坯定义、刀具选择、刀具参数设置、对刀、手动操作、加工程序编制、自动虚拟加工、虚拟测量等数控操作实训环节,完成虚拟零件加工和程序校验过程。应用软件后,学生需在相同的操作环境操作真实机床,完成真实零件的加工过程,并通过虚实同步技术将实时加工过程提交到教师机进行加工过程评价。该技术解决了实际教学中数控设备成本高、数量少、操作复杂、易损坏、不安全等问题。同时,虚拟实验操作过程与真实操作过程相同,能够加深学生对理论知识的理解,增强学生对加工过程的认知,为学生实际数控机床操作奠定良好的基础。

(三)虚拟技术与传统教学结合

基于虚实结合、虚实同步技术的数控加工虚拟仿真实验项目,应结合传统实验教学环节。［14］教师可通过模拟真实的工厂加工环境, 利用云端发布教学任务。学生在仿真工作站可通过连接云端,自主下载实训任务。根据实训任务同步进行虚拟数控加工和真实数控加工过程,教师能够实现数控加工实训过程的无人值守教学,实现人手一机、预约上机,帮助学生自主安排实训时间,增强学生学习的灵活性、自主性和探究性。

五、结语

以云平台、大数据、三维建模、真实操作面板、虚实结合、虚实同步、虚拟仿真等现代信息技术为依托,开发基于对象的动态建模技术。面板更换技术的应用,能够在同一仿真工作站构建多系统的“真实操作+虚拟加工”“真实操作+真实加工”“真实操作+虚实同步加工”的实验模式,具有良好的适应性和柔性。虚实结合、虚实同步的数控加工虚拟仿真实验教学缓解了教学与实践的矛盾,巩固了学生的理论知识,培养了学生分析问题和解决问题的能力,为学生未来发展奠定了基础。