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        摘要: 針對傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)教學(xué)，分析了其存在的數(shù)控系統(tǒng)檔次低、類型單一和開放性不夠等問題，提出了開展虛實(shí)結(jié)合數(shù)控實(shí)驗(yàn)的必要性。在傳統(tǒng)數(shù)控實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)提出了在機(jī)床結(jié)構(gòu)剖析、原理演示、電氣控制和數(shù)控加工等環(huán)節(jié)進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合的數(shù)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。應(yīng)用實(shí)踐表明，虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)的有效結(jié)合，不僅可以有效的擴(kuò)展傳統(tǒng)數(shù)控實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，而且能夠提高學(xué)生對理論知識(shí)的理解和培養(yǎng)工程實(shí)踐能力，進(jìn)而提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。
 
      關(guān)鍵詞: 數(shù)控實(shí)驗(yàn); 虛擬機(jī)床; 物理樣機(jī); 實(shí)踐
 
      數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)通常包括機(jī)床的結(jié)構(gòu)及工作原理剖析、機(jī)床的硬件連接與電氣控制、交流伺服系統(tǒng)的調(diào)試與應(yīng)用、數(shù)控機(jī)床的操作面板使用及對刀換刀操作、簡單典型零件的數(shù)控編程與加工、典型復(fù)雜零件的編程與加工等。其實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、分析問題和解決問題等能力的任務(wù)，而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式由于其存在若干問題難以滿足此要求。
 
      1 、傳統(tǒng)數(shù)控實(shí)驗(yàn)存在的問題
 
      1． 1 數(shù)控系統(tǒng)檔次低且類型單一
 
      傳統(tǒng)的數(shù)控實(shí)驗(yàn)以機(jī)床演示和數(shù)控編程加工為主，但是隨著數(shù)控機(jī)床的普及，各種新型的機(jī)床層出不窮，結(jié)構(gòu)及數(shù)控系統(tǒng)不斷創(chuàng)新，機(jī)電一體化越來越強(qiáng)，對數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)和控制的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)要求也越來越高。而教學(xué)使用的數(shù)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)大多采用FAUNC 等國外常見類型以及我國生產(chǎn)的幾種性價(jià)比較高的數(shù)控系統(tǒng)，檔次較低且類型單一，這就造成
學(xué)生無法了解和掌握高端的數(shù)控系統(tǒng)。所以，只有在教學(xué)中很好地解決實(shí)驗(yàn)機(jī)床檔次低、型號(hào)單一的問題，才能較好地促進(jìn)我國數(shù)控設(shè)備制造業(yè)的有效發(fā)展［1 － 3］。
 
      1． 2 數(shù)控實(shí)驗(yàn)開放性不夠
 
      要真正了解和掌握數(shù)控機(jī)床的工作原理，就需要進(jìn)行機(jī)床的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和控制實(shí)驗(yàn)。而數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且體積龐大，在普通認(rèn)知實(shí)驗(yàn)中很難觀察其細(xì)節(jié)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。機(jī)床結(jié)構(gòu)剖析實(shí)驗(yàn)最好的辦法就是拆裝機(jī)床，但拆一臺(tái)簡單的機(jī)床耗時(shí)至少1周，而且有些內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法拆卸，所以現(xiàn)在許多高校的機(jī)床結(jié)構(gòu)和控制實(shí)驗(yàn)，只是觀察外部結(jié)構(gòu)并演示
其運(yùn)動(dòng)，無法進(jìn)行電氣連接的實(shí)驗(yàn)，開放程度不夠，學(xué)生不能充分理解各部分的工作原理，大大影響學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力的培養(yǎng)［4］。

      1． 3 實(shí)驗(yàn)條件受限
 
     學(xué)校要提高數(shù)控專業(yè)學(xué)生的專業(yè)與實(shí)踐技能，一般只能通過購買實(shí)體數(shù)控機(jī)床、機(jī)床功能部件等相關(guān)機(jī)械器件來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過設(shè)立數(shù)控綜合實(shí)驗(yàn)室，組織學(xué)生參加數(shù)控機(jī)床相關(guān)課程的上機(jī)操作培訓(xùn)。但數(shù)控實(shí)驗(yàn)設(shè)備大多為大型設(shè)備，價(jià)格昂貴，大部分學(xué)校可能還不具備這方面的經(jīng)濟(jì)能力，不能對數(shù)控機(jī)床綜合實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)提供足夠的資金支持。但如果不能為學(xué)生提供足夠的硬件設(shè)備，必然會(huì)嚴(yán)重影響其數(shù)控機(jī)床相關(guān)知識(shí)的汲取，學(xué)生的動(dòng)手能力也會(huì)大大降低［1，5］。
   
      2 、開展虛實(shí)結(jié)合數(shù)控實(shí)驗(yàn)的必要性

     虛擬實(shí)驗(yàn)是綜合運(yùn)用多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，建立一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，側(cè)重于實(shí)驗(yàn)操作的人機(jī)交互性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的仿真性，其特點(diǎn)是具有很強(qiáng)的開放性、創(chuàng)新性、可擴(kuò)充性，并能在線指導(dǎo)，成本低且搭建方便［2，6－ 7］。而傳統(tǒng)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)需要在專用的實(shí)驗(yàn)場地進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)的編排包括演示實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)驗(yàn)。對機(jī)床的結(jié)構(gòu)及其控制原理主要是演示，學(xué)生只看不做，直觀性強(qiáng)，但只能觀察機(jī)床的外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、裝配要求等，無法體會(huì)設(shè)計(jì)原則，因而對學(xué)生的動(dòng)手能力、實(shí)驗(yàn)技能、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)方法的訓(xùn)練和培養(yǎng)作用非常有限。
 
      為了有效解決以上問題，將數(shù)控機(jī)床演示實(shí)驗(yàn)采用虛擬方式進(jìn)行，即在計(jì)算機(jī)上營造相關(guān)的軟硬件操作環(huán)境，學(xué)生可象在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成機(jī)床結(jié)構(gòu)拆裝、控制和故障診斷等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并能從各個(gè)角度透視機(jī)床主軸的安裝情況、PLC( 可編程控制器) 的接線情況等。但由于虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)際編程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中以及對學(xué)生加工編程能力培養(yǎng)方面尚有很
多不足，例如虛擬實(shí)驗(yàn)對力和速度的概念反映不強(qiáng)，經(jīng)常出現(xiàn)學(xué)生在仿真系統(tǒng)中能夠很好的進(jìn)行編程和操作，而在實(shí)際加工中卻怯于動(dòng)手的現(xiàn)象。此外，系統(tǒng)仿真和實(shí)際加工系統(tǒng)在對刀、切削、潤滑等方面也存在一定的差異。為了充分改進(jìn)實(shí)驗(yàn)效果，在數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)過程中采用了虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑑煞N模式互補(bǔ)，全面滿足了實(shí)驗(yàn)要求，將課程培養(yǎng)目標(biāo)落到了實(shí)處［5，8－ 10］。
 
      3、 虛實(shí)結(jié)合的數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式及實(shí)踐
  
     “虛實(shí)結(jié)合”中的“虛”主要是指在如Virtools，EON studio 等虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中制作出結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)與真機(jī)一致的數(shù)控機(jī)床，對于某些不易在真機(jī)上操作的實(shí)驗(yàn)可在虛擬環(huán)境中進(jìn)行; “實(shí)”是指在部分易實(shí)現(xiàn)且非常重要的實(shí)驗(yàn)在真實(shí)的數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行。具體實(shí)踐過程如下:
 
     ( 1) 機(jī)床的結(jié)構(gòu)及工作原理剖析實(shí)驗(yàn)需采用虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑丛跀?shù)控綜合實(shí)驗(yàn)室對機(jī)床外圍結(jié)構(gòu)及能反映出來的工作原理進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)，但某些不可見也不易拆卸的部分如車床主軸箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)等可在虛擬環(huán)境中進(jìn)行。如圖1、圖2 所示為學(xué)生在虛擬環(huán)境中查看車床的總體結(jié)構(gòu)及主軸箱內(nèi)部生成，并按照工作原理對其進(jìn)行虛擬拆裝。
 
     機(jī)床的硬件連接與電氣控制、交流伺服系統(tǒng)的調(diào)試與應(yīng)用等實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生非常熟悉機(jī)床結(jié)構(gòu)，往往帶有一定的破壞性。為了避免學(xué)生誤操作而引起的設(shè)備損壞，這部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以在仿真軟件中進(jìn)行虛擬操作。
 
     機(jī)床驗(yàn)收和精度檢測實(shí)驗(yàn)對機(jī)床沒有破壞性，進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)時(shí)還可以將機(jī)床的防護(hù)罩等外部結(jié)構(gòu)拆除，進(jìn)而加深學(xué)生對機(jī)床結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，補(bǔ)充主軸結(jié)構(gòu)虛擬實(shí)驗(yàn)中的不足。
   

    
  
     圖1 臥式車床的總體結(jié)構(gòu)
  

    
  
     圖2 車床主軸箱內(nèi)部構(gòu)成

     ( 2) 數(shù)控機(jī)床實(shí)際加工的實(shí)驗(yàn)存在諸多風(fēng)險(xiǎn)，如工件是否裝夾牢固、各個(gè)切削參數(shù)的選擇是否合理、操作是否正確。實(shí)驗(yàn)中一旦出現(xiàn)誤操作就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備和刀具的損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)人身事故。在實(shí)驗(yàn)過程中采用仿真軟件進(jìn)行虛擬教學(xué)后，上述問題得到了有效合理的解決。在數(shù)控機(jī)床的操作面板使用及對刀換刀操作、簡單零件的手工編程與數(shù)控加工、典型復(fù)雜零件的自動(dòng)編程與數(shù)控加工過程中采用虛實(shí)結(jié)合的方式: 先由學(xué)生在仿真系統(tǒng)中熟悉控制面板并進(jìn)行零件程序的調(diào)試和虛擬加工，確定無誤后再在機(jī)床上進(jìn)行實(shí)際加工。
 
     虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式經(jīng)實(shí)踐證明: 能夠充分彌補(bǔ)實(shí)際實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的欠缺，以低成本、高效率培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力、實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

     4、 結(jié)語
 
    隨著數(shù)控機(jī)床的廣泛普及，其在工業(yè)生產(chǎn)方面的優(yōu)勢也愈加顯著，越來越多具有高技術(shù)含量的數(shù)控設(shè)備也相繼出現(xiàn)，因此，數(shù)控機(jī)床教學(xué)就變得越來越重要。必須在其實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)不斷探索新的教學(xué)方法，才能滿足日益更新的教學(xué)內(nèi)容的要求，虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式為教學(xué)提供了更好的思路，也為學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)控技術(shù)提供了更為直觀和生動(dòng)的學(xué)習(xí)條件。