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        摘要: 針對傳統數控機床實驗教學，分析了其存在的數控系統檔次低、類型單一和開放性不夠等問題，提出了開展虛實結合數控實驗的必要性。在傳統數控實驗內容基礎上，結合計算機仿真技術提出了在機床結構剖析、原理演示、電氣控制和數控加工等環節進行虛實結合的數控實驗教學模式。應用實踐表明，虛擬實驗與實物實驗的有效結合，不僅可以有效的擴展傳統數控實驗的內容，而且能夠提高學生對理論知識的理解和培養工程實踐能力，進而提高了實驗教學質量。
 
      關鍵詞: 數控實驗; 虛擬機床; 物理樣機; 實踐
 
      數控機床實驗通常包括機床的結構及工作原理剖析、機床的硬件連接與電氣控制、交流伺服系統的調試與應用、數控機床的操作面板使用及對刀換刀操作、簡單典型零件的數控編程與加工、典型復雜零件的編程與加工等。其實驗教學環節擔負著培養學生動手能力、分析問題和解決問題等能力的任務，而傳統實驗教學模式由于其存在若干問題難以滿足此要求。
 
      1 、傳統數控實驗存在的問題
 
      1． 1 數控系統檔次低且類型單一
 
      傳統的數控實驗以機床演示和數控編程加工為主，但是隨著數控機床的普及，各種新型的機床層出不窮，結構及數控系統不斷創新，機電一體化越來越強，對數控機床結構和控制的教學和實驗要求也越來越高。而教學使用的數控實驗平臺大多采用FAUNC 等國外常見類型以及我國生產的幾種性價比較高的數控系統，檔次較低且類型單一，這就造成
學生無法了解和掌握高端的數控系統。所以，只有在教學中很好地解決實驗機床檔次低、型號單一的問題，才能較好地促進我國數控設備制造業的有效發展［1 － 3］。
 
      1． 2 數控實驗開放性不夠
 
      要真正了解和掌握數控機床的工作原理，就需要進行機床的內部結構和控制實驗。而數控機床機械結構復雜，且體積龐大，在普通認知實驗中很難觀察其細節和內部結構。機床結構剖析實驗最好的辦法就是拆裝機床，但拆一臺簡單的機床耗時至少1周，而且有些內部結構無法拆卸，所以現在許多高校的機床結構和控制實驗，只是觀察外部結構并演示
其運動，無法進行電氣連接的實驗，開放程度不夠，學生不能充分理解各部分的工作原理，大大影響學習興趣和實踐能力的培養［4］。

      1． 3 實驗條件受限
 
     學校要提高數控專業學生的專業與實踐技能，一般只能通過購買實體數控機床、機床功能部件等相關機械器件來進行實驗，通過設立數控綜合實驗室，組織學生參加數控機床相關課程的上機操作培訓。但數控實驗設備大多為大型設備，價格昂貴，大部分學校可能還不具備這方面的經濟能力，不能對數控機床綜合實驗室的建設提供足夠的資金支持。但如果不能為學生提供足夠的硬件設備，必然會嚴重影響其數控機床相關知識的汲取，學生的動手能力也會大大降低［1，5］。
   
      2 、開展虛實結合數控實驗的必要性

     虛擬實驗是綜合運用多媒體技術、計算機網絡和虛擬現實等技術，建立一個虛擬的實驗環境，側重于實驗操作的人機交互性和實驗結果的仿真性，其特點是具有很強的開放性、創新性、可擴充性，并能在線指導，成本低且搭建方便［2，6－ 7］。而傳統的實物實驗需要在專用的實驗場地進行，實驗的編排包括演示實驗和分組實驗。對機床的結構及其控制原理主要是演示，學生只看不做，直觀性強，但只能觀察機床的外觀、內部結構、裝配要求等，無法體會設計原則，因而對學生的動手能力、實驗技能、科學態度、科學方法的訓練和培養作用非常有限。
 
      為了有效解決以上問題，將數控機床演示實驗采用虛擬方式進行，即在計算機上營造相關的軟硬件操作環境，學生可象在真實的環境中一樣完成機床結構拆裝、控制和故障診斷等實驗項目，并能從各個角度透視機床主軸的安裝情況、PLC( 可編程控制器) 的接線情況等。但由于虛擬實驗在實際編程設計實驗中以及對學生加工編程能力培養方面尚有很
多不足，例如虛擬實驗對力和速度的概念反映不強，經常出現學生在仿真系統中能夠很好的進行編程和操作，而在實際加工中卻怯于動手的現象。此外，系統仿真和實際加工系統在對刀、切削、潤滑等方面也存在一定的差異。為了充分改進實驗效果，在數控機床實驗過程中采用了虛實結合的實驗模式，兩種模式互補，全面滿足了實驗要求，將課程培養目標落到了實處［5，8－ 10］。
 
      3、 虛實結合的數控機床實驗教學模式及實踐
  
     “虛實結合”中的“虛”主要是指在如Virtools，EON studio 等虛擬現實軟件中制作出結構和運動與真機一致的數控機床，對于某些不易在真機上操作的實驗可在虛擬環境中進行; “實”是指在部分易實現且非常重要的實驗在真實的數控機床上進行。具體實踐過程如下:
 
     ( 1) 機床的結構及工作原理剖析實驗需采用虛實結合的實驗模式，即在數控綜合實驗室對機床外圍結構及能反映出來的工作原理進行實際實驗，但某些不可見也不易拆卸的部分如車床主軸箱內部結構等可在虛擬環境中進行。如圖1、圖2 所示為學生在虛擬環境中查看車床的總體結構及主軸箱內部生成，并按照工作原理對其進行虛擬拆裝。
 
     機床的硬件連接與電氣控制、交流伺服系統的調試與應用等實驗要求學生非常熟悉機床結構，往往帶有一定的破壞性。為了避免學生誤操作而引起的設備損壞，這部分實驗內容可以在仿真軟件中進行虛擬操作。
 
     機床驗收和精度檢測實驗對機床沒有破壞性，進行該實驗時還可以將機床的防護罩等外部結構拆除，進而加深學生對機床結構的認識，補充主軸結構虛擬實驗中的不足。
   

    
  
     圖1 臥式車床的總體結構
  

    
  
     圖2 車床主軸箱內部構成

     ( 2) 數控機床實際加工的實驗存在諸多風險，如工件是否裝夾牢固、各個切削參數的選擇是否合理、操作是否正確。實驗中一旦出現誤操作就會導致設備和刀具的損壞，嚴重時甚至引發人身事故。在實驗過程中采用仿真軟件進行虛擬教學后，上述問題得到了有效合理的解決。在數控機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控加工、典型復雜零件的自動編程與數控加工過程中采用虛實結合的方式: 先由學生在仿真系統中熟悉控制面板并進行零件程序的調試和虛擬加工，確定無誤后再在機床上進行實際加工。
 
     虛實結合的實驗教學模式經實踐證明: 能夠充分彌補實際實驗在教學中的欠缺，以低成本、高效率培養了學生的動手能力、實踐和創新能力。

     4、 結語
 
    隨著數控機床的廣泛普及，其在工業生產方面的優勢也愈加顯著，越來越多具有高技術含量的數控設備也相繼出現，因此，數控機床教學就變得越來越重要。必須在其實驗教學環節不斷探索新的教學方法，才能滿足日益更新的教學內容的要求，虛實結合的實驗教學模式為教學提供了更好的思路，也為學生學習數控技術提供了更為直觀和生動的學習條件。