“數控技術及應用”課程虛擬實驗設計與實踐

劉旭波, 熊智文, 李學文, 趙 麗, 陳 靜

(南昌大學 機電工程學院, 江西 南昌 330031)

“數控技術及應用”課程是機械類專業的主要專業課程,其內容涵蓋機械制造技術、計算機技術、自動控制技術等,對實踐性環節的教學要求很高。以往的課程教學注重課堂理論知識的傳授,實驗課課時少,且課程內容主要是對理論知識的驗證。傳統的實驗教學安排存在明顯的缺陷,例如無法讓每個學生都能親自動手實驗；學生因不熟悉操作而失誤造成設備的損壞；課堂教學模式單調,教學效果不理想。

為了提高實驗教學質量,本文探索了將虛擬實驗技術應用于“數控技術與應用”課程教學的實踐,加強實踐性環節與理論教學的交叉教學。虛擬實驗用計算機部分或者全部模擬真實實驗操作使用的操作系統,具有感知性、交互性、沉浸性和拓展性特點[1-9]。通過數字化虛擬裝備的操作、裝配,把抽象的理論知識直觀化，提高課程的趣味性和對知識理解度,進而提高課程教學效果[10-12]。

1 虛擬實驗設計與課程安排與軟件選擇

“數控技術及應用”課程內容包括數控編程與操作、插補原理、數控系統軟硬件結構與原理、數控機床的伺服系統、數控機床機械結構與原理、數控機床故障診斷等,課程實驗主要集中在數控編程與操作、數控機床結構與原理認識、數控系統的連接與調試、數控機床故障與排除等內容。

虛擬實驗內容的設計,既要考慮理論課程內容與實驗課程內容安排,也要考慮實驗教學要采用的虛擬實驗軟件。本“數控技術及應用”虛擬實驗在時間和內容上與理論教學課時交叉安排,如圖1所示。虛擬實驗選擇主要針對實踐要求較高的教學環節,包括數控編程與操作、數控插補原理教學結合虛擬機床操作、編程虛擬加工實驗；數控機床機械結構與原理教學結合虛擬機床結構剖析、虛擬裝配與模擬運動實驗；數控系統、伺服系統結構與原理教學結合CNC虛擬結構剖析與虛擬連接實驗。

圖1 課程內容與虛擬實驗內容選擇

目前“數控技術及應用”課程虛擬實驗的常用軟件包括VERICUT、NCSIMUL以及國內開發的斯沃數控仿真軟件等。VERICUT軟件可以實現用戶自己創建機床、工裝夾具、程序、數控機床控制器以及工藝等,能全方位的模擬加工中的實際情況；斯沃數控仿真軟件包括數控加工仿真、數控機床維修仿真、裝配仿真、數控電氣裝配仿真等功能。還有一些實用的免費軟件(例如浙大辰光數控虛擬加工軟件)也能實現虛擬操作機床及加工仿真等功能。

為方便學生實驗和作業,本文采用了免費版的浙大辰光數控虛擬加工軟件進行數控機床的虛擬操作與虛擬加工實驗；采用UG軟件的設計、裝配和運動仿真功能進行虛擬數控機床結構剖析、虛擬裝配與模擬運動實驗；利用一些網絡資源來實現數控系統、伺服系統結構與原理教學結合CNC虛擬結構剖析與虛擬連接實驗及故障維修虛擬實驗展示。

2 虛擬實驗具體實現

2.1 虛擬數控機床操作

在數控機床工作原理教學中,采用單純的文字和二維的圖片的講解仍比較抽象,故結合虛擬數控機床操作進行講解。數控機床虛擬操作軟件大都配置了與主流數控機床實際控制面板一致的工作界面,虛擬機床的操作流程設置與實際機床的操作流程也完全一致。

教學時,通過虛擬操作數控機床,引導學生聯想金工實習時數控機床的操作。虛擬機床操作主要模擬機床回零、手動操作、MDI方式、自動操作等,教學中結合數控原理講解動作的實現和指令信號的產生與傳輸執行過程。

數控機床虛擬仿真軟件通常設計有操作安全提示,有行程開關保護等類似功能,一旦觸發該功能,會及時發出警告,在解決問題后才能進行后續操作。在虛擬仿真實驗中可以設計誤操作情節,通過警告的識別和排除,加深學生對機床操作規范的理解和記憶。

實踐證明,虛擬機床和實際機床具有高度一致性,可以通過虛擬操作機床,培訓學生的機床操作能力。

2.2 虛擬數控加工實驗

虛擬數控加工實驗可以在課堂上對程序進行驗證。

在虛擬數控機床仿真軟件中,采用MDI(手動數據輸入)方式輸入單段數控加工程序。執行程序后,機床將顯示程序代碼的運行軌跡,并能顯示出按該段程序加工零件的三維效果,通過加工效果來加深理解數控指令的功能含義。

在“數控技術及應用”編程教學中,程序的工藝合理性和有效性最終需要通過加工來驗證,其中關鍵的一步是通過所加工零件的輪廓檢查來判斷工藝規劃和程序指令的正確性。在數控編程教學中,通過虛擬數控加工實驗可以很好地解決這個問題。

虛擬加工實驗與實際加工操作過程一樣,在虛擬仿真軟件中進行開機—機床回零—程序輸入與編輯—裝刀具—裝夾虛擬工件毛坯—手動方式對刀—建立工件坐標系—設置刀補參數—調出加工程序—選擇自動方式—加工。軟件將按所選擇的數控加工程序逐步完成加工,整個過程連同對應正在執行的數控代碼都可以在顯示屏上完整地展示出來,如圖2所示。虛擬零件的圖像可以放大、縮小、旋轉,以查看零件的細節。

2.3 數控機床運動結構認識實驗——虛擬機床

實體數控機床封閉性很強,在現場很難對機床的結構進行完整的展現；而虛擬數控機床可以很好地解決這個問題。

2.3.1 機床機構虛擬剖析與傳動機構認識

數控機床的機械結構特點主要體現在傳動機構上。為方便認識機床的傳動機構,在仿真軟件中可以消隱機床的外罩,只顯示運動機構,如圖3(a)所示。在視圖中可以采用放大、縮小和旋轉功能來展示虛擬機床機構的細節,可以配合UG軟件結構設計等其他資源對關鍵的傳動機構做詳細的展示,如圖3(b)所示的主傳動系統。

圖2 虛擬加工展示

圖3 虛擬機床機構展示

2.3.2 機床結構虛擬裝配與運動仿真

基于UG軟件對數控車床的傳動件和主要基礎件進行三維建模,在裝配模塊中可以方便地實現虛擬裝配,如圖4所示的裝配爆炸圖。在完成裝配后,UG軟件還可以方便地進行數控機床傳動機構的運動仿真。在仿真過程中,結合數控原理介紹數控機床指令的傳輸過程和機械運動的最終實現。

圖4 數控機床進給傳動裝配爆炸圖

2.4 數控系統虛擬結構、接線與故障

2.4.1 數控系統結構虛擬設計與接線

數控系統電氣結構與工作原理是“數控技術及應用”課程的教學難點。可以通過軟件(例如數控機床調試與維修仿真軟件)對數控機床電氣結構進行虛擬展示,學生可以通過模擬連接掌握真實的連接過程。

學生還可以自己設計電氣原理圖,利用仿真軟件的邏輯聯系功能發出控制指令,讓數控機床按照指令進行運動。如果電氣設計不合理或有錯誤,可以及時調整設計,教學效果非常好。

2.4.2 數控機床故障診斷、排查和維修

當虛擬數控機床能正確運動以后,可以進行數控機床的故障虛擬設置。學生可根據故障現象查找故障原因,教學中也可以通過課堂演示現場故障的排查。學生可以親自參與軟件操作,實現教學的互動。

數控機床調試與維修仿真軟件提供的故障都是根據真實的數控機床的故障來設置的。通過設置各種不同的故障,學生的動手能力會得到大幅度提高。

3 提高虛擬仿真教學效果的一些措施

由于教學大綱的變化,很多高校對專業課課時進行了壓縮。為保證“數控技術及應用”課程教學效果,采用了以下一些措施:

(1) 緊湊、合理地安排教學內容與課時,多設計案例式教學,用案例串聯起知識點,在重要環節增加虛擬實驗以配合理論知識點教學。

(2) 發揮虛擬實驗直觀、成本低等優點,認真設計實驗內容,在不占用太多課時的講解中做到理論與實驗的關聯講解,避免理論與實驗脫節。

(3) 為使學生熟練掌握數控機床的操縱與加工過程,可以設計作業讓學生課后自主完成,充分發揮虛擬實驗的效用。

(4) 在學生能熟練、正確地完成虛擬數控機床的操作后,安排真實機床的操作實驗,以檢驗虛擬實驗教學效果。

教學實踐證明:虛擬實驗不但能活躍教學氣氛、提高“數控技術及應用”課程的教學效果,而且大大提高了學生的學習效率,降低了教學成本。

4 結語

虛擬實驗提高了“數控技術及應用”專業課程的教學效果。通過數控機床的仿真操作和實驗過程的三維動態再現,能夠激發學生對課程學習的興趣,激活課堂教學氣氛,使學生更好地掌握數控技術。學生可以反復動手進行數控機床的虛擬加工操作,很好地解決了因數控設備不足的問題,做到學生“一人一機”學習。