虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控加工實訓(xùn)中的應(yīng)用

徐樂+楊東

【摘 要】數(shù)控加工實訓(xùn)課程是高校工程訓(xùn)練的重要課程，由于數(shù)控設(shè)備價格昂貴，各高校擁有數(shù)控設(shè)備數(shù)量較少、學(xué)生平均上機操作時間較短，學(xué)生實踐能力得不到真正提高。通過將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控加工實訓(xùn)教學(xué)中可以彌補上述不足，并能夠提高實訓(xùn)安全性，有效增強學(xué)生實訓(xùn)效果，提高學(xué)生創(chuàng)新能力，對提升數(shù)控加工實訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量有著重要意義。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真；數(shù)控加工；工程實訓(xùn)

中圖分類號： TG659-4 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）23-0015-002

【Abstract】The numerical control machining practical training course is very important in the university engineering training courses.Because the numerical control equipment is very expensive，the number of numerical control equipment in each school is less，which results in the shorter average operation time of students.Finally，the practical ability of students can not be truly improved.With the virtual simulation technology applied in the practical training of numerical control machining，the above deficiencies can be compensated，and the security of practical training can be improved.The effect of practical training and innovative ability of students are effectively enhanced，and the virtual simulation technology is of great importance in improving teaching quality of numerical control machining practical training.

【Key words】Virtual simulation；Numerical control machining；Engineering training

0 引言

隨著我國創(chuàng)新科技的發(fā)展和“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等多個理念的提出和實施，我國的經(jīng)濟、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)等正進行快速發(fā)展，而在各方面快速發(fā)展的狀態(tài)下，必然要求更多具有創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的工程型技術(shù)人才。同時，在“新工科”理念提出和實施后，我國對人工智能、高檔數(shù)控機床和機器人等多個專業(yè)人才的數(shù)量需求越來越多、質(zhì)量要求越來越高，這促使高校加強對復(fù)合型、綜合性技術(shù)人才培養(yǎng)，不斷提高學(xué)生創(chuàng)新能力、實踐能力、整合能力。

工程實訓(xùn)課程是高校培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型工程技術(shù)人才的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，是學(xué)生培養(yǎng)創(chuàng)新思維和提升創(chuàng)新意識的必修課程，也是高校中受眾人數(shù)最多的一門課程。數(shù)控加工技術(shù)是實訓(xùn)課程中應(yīng)用范圍最廣、實踐性最強的重要課程之一，對學(xué)生的實踐能力培養(yǎng)、創(chuàng)新意識形成、綜合能力提高等多方面有著重要的影響。然而，由于數(shù)控機床設(shè)備較為昂貴，機床的刀具、保養(yǎng)、維護等也需要大量資金投入，所以各高校用于實訓(xùn)的數(shù)控設(shè)備數(shù)量較為有限。將有限的數(shù)控設(shè)備用于學(xué)習(xí)人數(shù)較多的數(shù)控加工實訓(xùn)課程學(xué)習(xí)對高校來說無疑是一個大難題，而且讓眾多學(xué)生圍繞在高速旋轉(zhuǎn)的數(shù)控機床周圍進行入門學(xué)習(xí)和操作很容易引發(fā)安全事故。因此，如何解決數(shù)控加工實訓(xùn)條件問題、改進數(shù)控加工實訓(xùn)教學(xué)方法、提高學(xué)生數(shù)控加工實訓(xùn)效果是數(shù)控加工實訓(xùn)急需解決的重要問題。

1 數(shù)控加工虛擬仿真

數(shù)控加工虛擬仿真是通過計算機虛擬仿真模型將數(shù)控機床的各組成結(jié)構(gòu)、運行方式、邏輯關(guān)系等用三維動畫的方式展現(xiàn)出來。數(shù)控加工虛擬仿真軟件能夠?qū)ぜ庸さ娜^程進行模擬，并可以從多角度觀看加工時刀具的切削路徑和工件加工效果。對初學(xué)數(shù)控機床的學(xué)生來說，使用數(shù)控加工虛擬仿真軟件學(xué)習(xí)數(shù)控加工的操作步驟可以將機床的運作和工件的加工過程立體地呈現(xiàn)出來。

數(shù)控加工虛擬仿真可以對預(yù)加工工件進行多次反復(fù)模擬加工，并通過多次的模擬加工不斷改進工件的加工方法、提高工件的加工效果，為真實環(huán)境下加工工藝分析及程序編寫提供參照，保證了工藝分析的可行性、程序運行可靠性，避免因工藝不合理或程序出錯造成的刀具碰撞或引起其他突發(fā)狀況。

2 數(shù)控加工虛擬仿真在實訓(xùn)中的應(yīng)用

基于虛擬仿真技術(shù)的數(shù)控加工實訓(xùn)教學(xué)方法改變了以往僅在數(shù)控機床前對學(xué)生進行教學(xué)的單一形式，通過加入虛擬仿真技術(shù)可以讓學(xué)生通過仿真軟件和三維模型深化對數(shù)控機床的學(xué)習(xí)，并讓學(xué)生從多角度、全方位對數(shù)控機床的構(gòu)造及各組成結(jié)構(gòu)進行認識和學(xué)習(xí)。此外，在工件加工前學(xué)生可以對數(shù)控機床的整個操作和加工過程進行仿真和模擬。圖1為數(shù)控加工虛擬仿真在實訓(xùn)中的應(yīng)用方法。

首先，在學(xué)生參加數(shù)控機床實訓(xùn)時，學(xué)生要到數(shù)控機床實訓(xùn)場地對所操作機床的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、特征及操作面板等進行認識和學(xué)習(xí)。在此基礎(chǔ)上，讓學(xué)生學(xué)習(xí)工件安裝、刀具安裝、卡盤拆裝等知識點。在學(xué)生對數(shù)控機床知識有一定了解后，向?qū)W生演示對刀及簡單的操作加工。

學(xué)生對數(shù)控機床及數(shù)控加工過程有一定認識之后，學(xué)生就可通過數(shù)控虛擬仿真軟件學(xué)習(xí)和練習(xí)數(shù)控機床的開關(guān)機、換刀、對刀、工件旋轉(zhuǎn)、簡單的工件加工等操作過程，同時可以學(xué)習(xí)操作面板上各個功能鍵和輸入鍵的用法和作用，在學(xué)習(xí)過程中。如若學(xué)生操作錯誤或是虛擬機床停止運行，學(xué)生可以隨時返回操作或是重啟軟件，減少了實際中因誤操作引起的設(shè)備損壞和人員傷亡。endprint

在學(xué)生熟練數(shù)控加工的操作流程后，讓學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)控機床的加工原理及數(shù)控編程方法。數(shù)控編程的學(xué)習(xí)之所以放在學(xué)生熟悉數(shù)控機床之后，是因為這樣學(xué)生更容易學(xué)習(xí)數(shù)控編程的邏輯思維、程序代碼意義及各段編程的作用。在學(xué)習(xí)編程的過程中將工件加工的工藝分析和路徑分析貫穿其中，讓學(xué)生通過實例形象地學(xué)習(xí)數(shù)控編程。為了檢驗編程是否正確、合理，學(xué)生可以將所編程序輸入數(shù)控虛擬仿真軟件，通過仿真軟件對工件加工時的走刀路徑和加工后的效果進行模擬分析，從而檢驗編寫的程序是否準(zhǔn)確、合理。

最后，在學(xué)生對數(shù)控機床的操作過程、程序的編寫方法、工件加工的工藝分析等知識充分學(xué)習(xí)后，指導(dǎo)學(xué)生獨立上機操作，將前期所學(xué)的知識點在真實數(shù)控機床環(huán)境下進行演練。通過這種數(shù)控機床與數(shù)控虛擬仿真軟件的交互學(xué)習(xí)，增強學(xué)生對數(shù)控加工流程的認識，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)控加工的積極性，讓學(xué)生有充足的時間和機會，通過多種途徑深入學(xué)習(xí)數(shù)控加工技術(shù)。

3 數(shù)控加工虛擬仿真在實訓(xùn)中應(yīng)用的優(yōu)勢

3.1 增強了學(xué)生數(shù)控加工實訓(xùn)效果，提高了學(xué)生動手操作能力

數(shù)控加工虛擬仿真運用到實訓(xùn)教學(xué)中可以實現(xiàn)對數(shù)控機床的各個部件及輔助工具進行立體演示，擺脫了傳統(tǒng)教學(xué)中通過平面圖或是觀察數(shù)控設(shè)備外觀進行想象。同時，數(shù)控加工虛擬仿真軟件可以模擬出現(xiàn)實環(huán)境中數(shù)控操作和工件加工過程，能夠?qū)斎氲臄?shù)控程序進行識別和檢驗，其操作面板、運行系統(tǒng)等都可以按實際需求進行修改，學(xué)生像在真實環(huán)境下進行各項功能操作，給初學(xué)者提供大量的練習(xí)操作時間，為后續(xù)的上機實訓(xùn)奠定了扎實的基礎(chǔ)，有效提高學(xué)生的數(shù)控加工操作能力。

3.2 提高了數(shù)控機床的有效利用率，降低了實訓(xùn)耗材的浪費

各高校在開設(shè)數(shù)控加工課程時，由于數(shù)控設(shè)備數(shù)量及數(shù)控教學(xué)老師人員數(shù)量有限，數(shù)控加工教學(xué)模式一般是數(shù)十位學(xué)生集中在一臺數(shù)控設(shè)備周圍學(xué)習(xí)。由于開設(shè)數(shù)控加工的課時是固定的，所以在學(xué)習(xí)數(shù)控操作過程中，每個學(xué)生的實際上機操作時間較少、操作能力難以得到快速提高。將數(shù)控加工虛擬仿真運用到實訓(xùn)教學(xué)中可以讓學(xué)生在數(shù)控加工虛擬仿真實驗室內(nèi)學(xué)習(xí)基本的數(shù)控機床操作知識，反復(fù)鍛煉學(xué)生的數(shù)控操作能力，在學(xué)生具備數(shù)控操作能力后再分批次、分階段進行真實環(huán)境下的上機操作，最大程度實現(xiàn)數(shù)控機床的利用效率，同時減少學(xué)生在初學(xué)過程中對加工耗材不合理使用，降低了實訓(xùn)過程中耗材浪費。

3.3 增強了學(xué)生實訓(xùn)安全性、降低了數(shù)控機床故障發(fā)生率

數(shù)控加工虛擬仿真運用到實訓(xùn)教學(xué)中，合理地將學(xué)生的初學(xué)操作過程放到虛擬環(huán)境下，減少學(xué)生在實際初學(xué)過程中因誤操作造成的人員傷害及機床損壞，在提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率的同時增強了學(xué)生實訓(xùn)的安全性。同時，由于數(shù)控程序調(diào)試過程是在虛擬環(huán)境下先行完成，所以在后期上機過程中縮短了程序調(diào)試時間，降低了數(shù)控設(shè)備的消耗，在加工一些復(fù)雜零件時，有效降低了程序出錯的可能性，減少刀具損害及工件破壞的幾率，從而降低數(shù)控機床發(fā)生故障的概率。

3.4 拓寬了學(xué)生專業(yè)知識面、提高了學(xué)生創(chuàng)新能力

虛擬制造和智能加工已經(jīng)成為制造業(yè)發(fā)展的目標(biāo)和方向，虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控加工實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用可以讓學(xué)生認識到智能加工在行業(yè)應(yīng)用中的前景，促進學(xué)生對未來就業(yè)方向的正確把握。同時，數(shù)控虛擬仿真軟件給學(xué)生提供了一個生動、逼真的數(shù)控操作學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生成為虛擬環(huán)境的參與者，變被動的傳授為主動的交互學(xué)習(xí)，無形中培養(yǎng)了學(xué)生在智能加工行業(yè)的創(chuàng)新意識，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

4 結(jié)語

將數(shù)控加工虛擬仿真運用到實訓(xùn)中是對實訓(xùn)教學(xué)方法的探索與改進，它通過合理地安排數(shù)控加工教學(xué)內(nèi)容和授課方式來提高學(xué)生對數(shù)控加工的學(xué)習(xí)效果，為學(xué)生提供了足夠的學(xué)習(xí)時間和操作空間，從而有效提升了學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，為學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)營造了良好的學(xué)習(xí)氛圍。這種探索與改進對數(shù)控加工實訓(xùn)教學(xué)效果和質(zhì)量提升有很大的促進作用，對“新工科”背景下培養(yǎng)高技術(shù)綜合性人才具有重要意義。

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