基于虛實(shí)同步的數(shù)控加工技術(shù)虛擬仿真教學(xué)研究

萬(wàn) 泉,蔡向龍,石春源,羅淑芹,孫汝葦

(哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱,150000)

一、引言

《關(guān)于推動(dòng)公共實(shí)訓(xùn)基地共建共享的指導(dǎo)意見》提出,鼓勵(lì)在公共實(shí)訓(xùn)基地開展虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬仿真平臺(tái)、工作過(guò)程模擬軟件等培訓(xùn),用于全面提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量,提高教育信息化,縮短高素質(zhì)人才培養(yǎng)周期。［1-2］工程訓(xùn)練作為高等工科院校重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和工程實(shí)踐能力方面發(fā)揮著重要作用。［3］工程訓(xùn)練是以工程項(xiàng)目為主要內(nèi)容的實(shí)踐性教學(xué),旨在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神,提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。通過(guò)工程訓(xùn)練,學(xué)生可以在實(shí)踐中認(rèn)識(shí)技術(shù)、掌握技能、增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和解決問(wèn)題的能力,培養(yǎng)合作能力和團(tuán)隊(duì)精神。工程訓(xùn)練可以幫助學(xué)生將理論轉(zhuǎn)化為實(shí)踐,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和競(jìng)爭(zhēng)力。數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)是工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)的重要組成部分。［4］數(shù)控加工技術(shù)是將數(shù)學(xué)、物理、機(jī)械、電子等多學(xué)科知識(shí)結(jié)合起來(lái),通過(guò)計(jì)算機(jī)控制和數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械零件加工的精密控制。與傳統(tǒng)的加工方式相比,數(shù)控加工技術(shù)更高效、更精確、自動(dòng)化程度更高,能夠大大提高加工效率。

由于數(shù)控加工設(shè)備少,人機(jī)比例失調(diào),加上數(shù)控設(shè)備價(jià)格相對(duì)高昂,成本投入較大等,教學(xué)質(zhì)量受到一定影響。［5］為切實(shí)增強(qiáng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果,調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極性和主動(dòng)性,本文基于虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)同步的數(shù)控加工虛擬仿真實(shí)驗(yàn),采用真實(shí)數(shù)控面板,以虛擬仿真、虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)同步、教學(xué)過(guò)程實(shí)時(shí)控制等技術(shù),構(gòu)建數(shù)控設(shè)備物聯(lián)網(wǎng),延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間,從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)潛能,增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

該平臺(tái)采用數(shù)控原理、數(shù)控維修、數(shù)控車削/銑削虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方式,通過(guò)延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間,解決學(xué)員無(wú)法接觸高端數(shù)控設(shè)備的實(shí)際問(wèn)題。［6-7］系統(tǒng)通過(guò)真實(shí)的操作面板配合虛擬仿真程序,讓學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)控機(jī)床的操作方法。同時(shí),真實(shí)面板可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接切換到與智聯(lián)網(wǎng)合作企業(yè)的真實(shí)加工設(shè)備,實(shí)現(xiàn)虛擬加工和真實(shí)加工完全同步,豐富學(xué)生實(shí)際設(shè)計(jì)加工的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

(一)數(shù)控智能實(shí)訓(xùn)教室建設(shè)

基于虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)同步的數(shù)控加工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué),相關(guān)建設(shè)部門可按功能將數(shù)控智能實(shí)訓(xùn)教室分為車削實(shí)訓(xùn)教室和銑削實(shí)訓(xùn)教室。不同的教室由不同類型的實(shí)訓(xùn)終端構(gòu)成,智能實(shí)訓(xùn)教室包括教師機(jī)實(shí)訓(xùn)終端、學(xué)生機(jī)實(shí)訓(xùn)終端、桌面型真實(shí)加工機(jī)床和虛擬仿真軟件,如圖1所示。

圖1 數(shù)控智能實(shí)訓(xùn)教室結(jié)構(gòu)圖

(二)網(wǎng)絡(luò)化桌面教學(xué)型數(shù)控車、銑床建設(shè)

車削/銑削實(shí)訓(xùn)教室由一體化智能實(shí)訓(xùn)終端(學(xué)生機(jī))、智能實(shí)訓(xùn)管理終端(教師機(jī))和網(wǎng)絡(luò)化真實(shí)加工機(jī)床組成,如圖2所示,通過(guò)局域網(wǎng)連接為一個(gè)整體。學(xué)生可通過(guò)學(xué)生機(jī)進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合的實(shí)訓(xùn)。有一定PLC編程基礎(chǔ)的學(xué)生可以嘗試編寫較為復(fù)雜的程序。［8］操作過(guò)程會(huì)被實(shí)時(shí)傳送到教師機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ),用于學(xué)生實(shí)訓(xùn)過(guò)程的回放和實(shí)訓(xùn)成績(jī)的評(píng)估。仿真實(shí)訓(xùn)通過(guò)后,學(xué)生可以申請(qǐng)真實(shí)加工,如教師機(jī)開放真實(shí)加工權(quán)限,則可以連接真實(shí)機(jī)床,完成真實(shí)加工。一體化智能實(shí)訓(xùn)終端由多平臺(tái)一體化智能實(shí)訓(xùn)終端內(nèi)置虛擬機(jī)床圖形工作站構(gòu)成,主要用于虛擬機(jī)床的顯示和操作,不需額外配置計(jì)算機(jī)。

(三)一體化多平臺(tái)智能數(shù)控實(shí)訓(xùn)終端建設(shè)

一體化智能實(shí)訓(xùn)終端采用雙屏幕顯示方式,其人機(jī)操作界面與真實(shí)機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)控制面板相同,大LCD屏幕以三維立體的形式展示機(jī)床運(yùn)動(dòng)和加工過(guò)程,搭建了虛實(shí)結(jié)合的可視化智能制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。［9］該平臺(tái)使學(xué)生既具有操作實(shí)際機(jī)床的真實(shí)感,又可以從不同角度和細(xì)節(jié)直觀地感受機(jī)床的運(yùn)動(dòng)和加工過(guò)程的實(shí)際動(dòng)作,不必?fù)?dān)心機(jī)床的損壞、零件的加工成本和安全問(wèn)題。學(xué)生通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴炀氄莆諗?shù)控機(jī)床的基本知識(shí)和操作技能,如對(duì)刀、刀具補(bǔ)償、手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入、程序編輯、加工過(guò)程控制等。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

(一)教學(xué)背景

數(shù)控加工技術(shù)(computer numerical control,CNC)是指通過(guò)計(jì)算機(jī)控制數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工的一種先進(jìn)的加工方法。［10］該技術(shù)通過(guò)采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),可以達(dá)到零件加工的自動(dòng)化、高精度、高效率要求,既能提高加工質(zhì)量、精度和速度,也能提高工作效率和生產(chǎn)率,減少人工操作,降低勞動(dòng)強(qiáng)度。在工程實(shí)訓(xùn)中,數(shù)控加工技術(shù)也是機(jī)械、自動(dòng)化等專業(yè)學(xué)生必須掌握的項(xiàng)目。而常規(guī)實(shí)訓(xùn)教學(xué)多由教師現(xiàn)場(chǎng)講解示范,學(xué)生基于設(shè)備實(shí)際操作,實(shí)訓(xùn)效果往往受場(chǎng)地、設(shè)備、學(xué)時(shí)等條件的限制。［11］為切實(shí)解決傳統(tǒng)數(shù)控實(shí)訓(xùn)存在的問(wèn)題,該教學(xué)體系提出將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)與虛實(shí)同步技術(shù)一起應(yīng)用于數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的方法,從根本上解決傳統(tǒng)數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題,即通過(guò)虛實(shí)結(jié)合拓寬智能制造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的承載能力,提高實(shí)訓(xùn)效果。［12］

(二)教學(xué)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)是基于數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)區(qū)的可重構(gòu)虛擬數(shù)控系統(tǒng)柔性內(nèi)核,通過(guò)參數(shù)區(qū)的配置和面板的更換,開發(fā)出任意種類的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。以真實(shí)的操作面板驅(qū)動(dòng)虛擬機(jī)床的方式,通過(guò)硬面板的更換和虛擬機(jī)床仿真系統(tǒng)的配置,可以迅速重構(gòu)為其他類型的數(shù)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)在同一平臺(tái)上的多數(shù)控系統(tǒng)仿真教學(xué)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有如下幾種特點(diǎn)。

1.真實(shí)操作面板驅(qū)動(dòng)虛擬機(jī)床設(shè)備的仿真模式

由于硬件操作面板和真實(shí)機(jī)床大體相同,這種仿真模式可以給操作者帶來(lái)更加真實(shí)的數(shù)控加工操作體驗(yàn)。與純軟件仿真模式相比,這種仿真模式可以克服軟件面板如手輪、波段開關(guān)、積停按鈕操作狀態(tài)不真實(shí)、不直觀的缺陷。

2.上下位機(jī)通信與功能分析

虛擬仿真數(shù)控加工由上位主機(jī)和下位硬面板仿真器構(gòu)成。上位主機(jī)負(fù)責(zé)虛擬仿真環(huán)境的生成和仿真器接口信號(hào)的處理等工作;下位硬面板仿真器主要完成數(shù)控系統(tǒng)顯示屏幕生成、可替換面板的狀態(tài)信號(hào)掃描、與主機(jī)的通信和操作面板狀態(tài)的實(shí)時(shí)更新等工作。上下位機(jī)通過(guò)通信介質(zhì)層通信,通信方式可以采用USB、RS232或TCP/IP方式。

3.系統(tǒng)控制軟件功能分析

系統(tǒng)控制軟件包括主CPU控制軟件和從CPU控制軟件,如圖3所示。主CPU控制軟件主要完成上位PC機(jī)通信、下位CPU通信和主要數(shù)控操作元件的狀態(tài)掃描等工作;從CPU主要完成操作面板元件狀態(tài)掃描和與主CPU的通信工作。主CPU控制軟件的主要功能包括上位PC機(jī)通信功能、下位CPU通信功能、數(shù)控操作元件的操作狀態(tài)掃描功能。從CPU控制軟件的主要功能包括操作面板元件狀態(tài)掃描功能、主CPU的通信功能。

圖3 系統(tǒng)控制軟件結(jié)構(gòu)圖

4.數(shù)控顯示器動(dòng)態(tài)生成技術(shù)

數(shù)控顯示器是數(shù)控系統(tǒng)的表現(xiàn)層,包括虛擬數(shù)控顯示屏幕和數(shù)控系統(tǒng)操作面板。以某型號(hào)的配置FANUC 0i系統(tǒng)的加工中心數(shù)控顯示器為例,整個(gè)顯示器由數(shù)控系統(tǒng)顯示屏、系統(tǒng)鍵盤、系統(tǒng)軟鍵盤和輔助操作鍵盤構(gòu)成。操作原理是建立一個(gè)對(duì)構(gòu)成數(shù)控顯示器基礎(chǔ)元件的統(tǒng)一描述方法,通過(guò)統(tǒng)一描述文件展示真實(shí)數(shù)控顯示的構(gòu)成。通過(guò)對(duì)統(tǒng)一描述文件的解析,由動(dòng)態(tài)建模技術(shù)動(dòng)態(tài)生成數(shù)控顯示屏幕,再利用腳本解析引擎解析操作腳本,控制顯示器產(chǎn)生交互操作的狀態(tài)變化,實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)數(shù)控顯示器的仿真。通過(guò)統(tǒng)一描述文件生成仿真數(shù)控系統(tǒng)顯示器的方法是一種動(dòng)態(tài)建模方法,這要求構(gòu)成虛擬顯示的基礎(chǔ)元件庫(kù)足夠完整,可以模擬不受種類限制的數(shù)控顯示屏,且必須是完全可配置的。

5.采用虛擬數(shù)控顯示器OB(對(duì)象行為)模型

該模型是一種基于對(duì)象的模型,主要由對(duì)象和對(duì)象之間的交互行為構(gòu)成。在該模型中,對(duì)象可以是數(shù)控顯示器的各個(gè)組成部分,如鍵盤、屏幕、控制面板等。這些對(duì)象之間通過(guò)消息傳遞進(jìn)行交互。在虛擬數(shù)控顯示器OB模型中,對(duì)象之間可以執(zhí)行各種行為,如讀取鍵盤輸入數(shù)據(jù)、顯示圖形數(shù)據(jù)、設(shè)置控制參數(shù)等。這些行為可以被視為對(duì)象方法,由其他對(duì)象調(diào)用或觸發(fā)。例如,當(dāng)用戶在鍵盤上輸入數(shù)據(jù)時(shí),鍵盤對(duì)象會(huì)調(diào)用一個(gè)輸入數(shù)據(jù)的方法,并將數(shù)據(jù)傳遞給顯示器對(duì)象。

6.根據(jù)實(shí)際加工情況進(jìn)行過(guò)程建模

以數(shù)控實(shí)際車削、銑削為例,可以將數(shù)控實(shí)際車削、銑削過(guò)程視為加工刀具以數(shù)控代碼規(guī)定的軌跡行進(jìn),不斷切除毛坯的過(guò)程。工件通常固定在機(jī)床上的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上,而刀具則通過(guò)機(jī)床的刀架進(jìn)行控制。刀具可以旋轉(zhuǎn),并在軸向和徑向方向上移動(dòng),以切削工件上的材料。在切削過(guò)程中,刀具的進(jìn)給速度、刀具路徑以及切削深度等參數(shù)由預(yù)先編程的數(shù)控代碼控制,通過(guò)直線和圓弧指令進(jìn)行切削,采用公式解的最低點(diǎn)求解方法,以保證數(shù)控加工仿真的切削效率和實(shí)時(shí)效果。

(三)操作方法

對(duì)于專業(yè)新生或近機(jī)類實(shí)訓(xùn)學(xué)生,主要開展虛擬仿真智能數(shù)控加工實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生快速了解數(shù)控加工虛擬仿真系統(tǒng)相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí),包括數(shù)控加工系統(tǒng)認(rèn)知、虛擬仿真認(rèn)知、金屬切削原理等。學(xué)生需要了解關(guān)鍵設(shè)備如數(shù)控加工中心、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、虛擬機(jī)床主機(jī)操作系統(tǒng)、仿真器終端操作系統(tǒng)等的組成、結(jié)構(gòu)和原理。

操作步驟:開啟實(shí)際機(jī)床—開啟電腦與仿真設(shè)備—點(diǎn)擊軟件加載虛擬機(jī)床—加載毛坯—打開串口—操作仿真設(shè)備選定位置—設(shè)定手動(dòng)模式—可完成主軸運(yùn)轉(zhuǎn)—可進(jìn)行X/Y/Z軸運(yùn)動(dòng)—可編程或修改參數(shù)—選擇自動(dòng)模式—選定程序—運(yùn)行加工—實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合。具體操作流程如圖4所示。

圖4 操作流程圖

四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目特色

(一)教學(xué)理念

借助云端管理、虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)同步的技術(shù)手段建立的數(shù)控加工仿真虛擬實(shí)驗(yàn)包含虛擬加工系統(tǒng)、真實(shí)加工系統(tǒng)和虛實(shí)同步加工系統(tǒng)三部分。實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)采用與真實(shí)數(shù)控機(jī)床相同的可更換的操作面板,創(chuàng)設(shè)零距離的真實(shí)加工訓(xùn)練環(huán)境,以學(xué)生為中心,注重學(xué)生綜合實(shí)踐能力與系統(tǒng)觀念的培養(yǎng),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)潛能,提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。［13］

(二)虛實(shí)同步技術(shù)在數(shù)控機(jī)床實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用效果

學(xué)生需操作真實(shí)面板,通過(guò)虛擬機(jī)床進(jìn)行數(shù)控車銑加工的毛坯定義、刀具選擇、刀具參數(shù)設(shè)置、對(duì)刀、手動(dòng)操作、加工程序編制、自動(dòng)虛擬加工、虛擬測(cè)量等數(shù)控操作實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié),完成虛擬零件加工和程序校驗(yàn)過(guò)程。應(yīng)用軟件后,學(xué)生需在相同的操作環(huán)境操作真實(shí)機(jī)床,完成真實(shí)零件的加工過(guò)程,并通過(guò)虛實(shí)同步技術(shù)將實(shí)時(shí)加工過(guò)程提交到教師機(jī)進(jìn)行加工過(guò)程評(píng)價(jià)。該技術(shù)解決了實(shí)際教學(xué)中數(shù)控設(shè)備成本高、數(shù)量少、操作復(fù)雜、易損壞、不安全等問(wèn)題。同時(shí),虛擬實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程與真實(shí)操作過(guò)程相同,能夠加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解,增強(qiáng)學(xué)生對(duì)加工過(guò)程的認(rèn)知,為學(xué)生實(shí)際數(shù)控機(jī)床操作奠定良好的基礎(chǔ)。

(三)虛擬技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)合

基于虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)同步技術(shù)的數(shù)控加工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,應(yīng)結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。［14］教師可通過(guò)模擬真實(shí)的工廠加工環(huán)境, 利用云端發(fā)布教學(xué)任務(wù)。學(xué)生在仿真工作站可通過(guò)連接云端,自主下載實(shí)訓(xùn)任務(wù)。根據(jù)實(shí)訓(xùn)任務(wù)同步進(jìn)行虛擬數(shù)控加工和真實(shí)數(shù)控加工過(guò)程,教師能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)過(guò)程的無(wú)人值守教學(xué),實(shí)現(xiàn)人手一機(jī)、預(yù)約上機(jī),幫助學(xué)生自主安排實(shí)訓(xùn)時(shí)間,增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的靈活性、自主性和探究性。

五、結(jié)語(yǔ)

以云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)、三維建模、真實(shí)操作面板、虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)同步、虛擬仿真等現(xiàn)代信息技術(shù)為依托,開發(fā)基于對(duì)象的動(dòng)態(tài)建模技術(shù)。面板更換技術(shù)的應(yīng)用,能夠在同一仿真工作站構(gòu)建多系統(tǒng)的“真實(shí)操作+虛擬加工”“真實(shí)操作+真實(shí)加工”“真實(shí)操作+虛實(shí)同步加工”的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?具有良好的適應(yīng)性和柔性。虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)同步的數(shù)控加工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)緩解了教學(xué)與實(shí)踐的矛盾,鞏固了學(xué)生的理論知識(shí),培養(yǎng)了學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,為學(xué)生未來(lái)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。