潘宏歌，魏家鵬

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心，阜新 123000）

0 引言

隨著現(xiàn)代技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性變革，數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造行業(yè)中的廣泛應(yīng)用已成為社會(huì)的生產(chǎn)支柱。在現(xiàn)今數(shù)控人才極度缺乏的情況下，如何將最新、最實(shí)用的數(shù)控技術(shù)高效地傳授給數(shù)控技術(shù)學(xué)習(xí)者，是數(shù)控教學(xué)要著重考慮的問題。由于數(shù)控教學(xué)離不開數(shù)控機(jī)床，而數(shù)控機(jī)床本身價(jià)格比較昂貴，嚴(yán)重限制了學(xué)校的購(gòu)買力。此外，數(shù)控設(shè)備的種類之多、更新之快，對(duì)于任何一所高校都是望塵莫及的。為了解決以上種種困難，本文將結(jié)合數(shù)控加工的特點(diǎn)，借助數(shù)控仿真技術(shù)、相關(guān)編程軟件和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等相關(guān)知識(shí)，開發(fā)數(shù)控技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室，從而有效地提高數(shù)控技術(shù)的教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。

1 數(shù)控技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)成

虛擬實(shí)驗(yàn)室（Virtual Laboratory）是以計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)為支撐，使用軟件開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)的一種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通過(guò)開發(fā)一系列虛擬實(shí)驗(yàn)組件來(lái)模擬和再現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)過(guò)程，使實(shí)驗(yàn)者脫離實(shí)際試驗(yàn)條件的束縛，互動(dòng)的感受實(shí)驗(yàn)信息，在更加方便和快捷的條件下，通過(guò)一個(gè)具有豐富的界面信息、友好的互動(dòng)能力和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力的實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)，筆者開發(fā)了一套應(yīng)用于數(shù)控實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的數(shù)控技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。其構(gòu)成主要有數(shù)控仿真模塊、自動(dòng)編程模塊和網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。

1.1 數(shù)控仿真模塊

仿真模塊采用了上海宇龍數(shù)控仿真軟件，該軟件是一個(gè)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)于數(shù)控加工操作技能培訓(xùn)和考核的仿真軟件。采用數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一管理刀具材料和性能參數(shù)庫(kù)，提供車床、立式銑床、臥式加工中心和立式加工中心，以及機(jī)床廠家的多種常用面板，控制系統(tǒng)有FANUC、Siemens、三菱、大森、華中數(shù)控和廣州數(shù)控等；具備對(duì)數(shù)控機(jī)床操作全過(guò)程和加工運(yùn)行全環(huán)境仿真的功能（其中包括毛坯定義與夾具，刀具定義與選用，零件基準(zhǔn)測(cè)量和設(shè)置，數(shù)控程序輸入、編輯和調(diào)試，加工仿真以及各種錯(cuò)誤加檢測(cè)功能）。在操作過(guò)程中，具有完全自動(dòng)、智能化的高精度測(cè)量功能和全面的碰撞檢測(cè)功能，還可以對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行處理。

1.2 自動(dòng)編程模塊

CAXA制造工程師是針對(duì)數(shù)控銑、加工中心的CAD/CAM軟件，它可以完成零件幾何建模、加工代碼生成、聯(lián)機(jī)通訊等功能，集圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和代碼編程于一體。該軟件具有強(qiáng)大的造型功能，可快速建立復(fù)雜的三維模型，具有靈活多樣的加工方式，快速生成加工軌跡。這種軟件通用后置處理適用于各種數(shù)控系統(tǒng)，支持三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，具有數(shù)控代碼反讀和真實(shí)感仿真功能。

1.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

該模塊主要由數(shù)十臺(tái)學(xué)生機(jī)、一臺(tái)作為服務(wù)器的教師機(jī)和一個(gè)交換機(jī)組成。學(xué)生機(jī)和教師機(jī)通過(guò)網(wǎng)線連接在交換機(jī)上，構(gòu)成一個(gè)小型的局域網(wǎng)。且計(jì)算機(jī)均裝有上海宇龍數(shù)控仿真軟件、CAXA制造工程師及其配套操作指導(dǎo)書，學(xué)生們可以在各自的學(xué)生機(jī)上進(jìn)行機(jī)床仿真操作和自動(dòng)編程練習(xí)。該模塊主要用于教師指導(dǎo)實(shí)習(xí)和學(xué)生提交作業(yè)等。

2 數(shù)控虛擬實(shí)驗(yàn)室的工作原理

虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立使學(xué)生可以在虛擬化的環(huán)境中完成實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。首先，學(xué)生在數(shù)控仿真模塊中選擇一種機(jī)床，然后在相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書的提示下，完成機(jī)床基礎(chǔ)操作部分（包括開機(jī)、回零、對(duì)刀、選擇程序、模擬加工等）的訓(xùn)練內(nèi)容；接下來(lái)，學(xué)生進(jìn)入自動(dòng)編程模塊，在此模塊中，學(xué)生可參照自動(dòng)編程課件，完成從自行設(shè)計(jì)圖形、選擇加工方式、生成刀具軌跡、軌跡仿真到生成程序代碼的流程；最后，學(xué)生可以把生成的代碼實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒抡嫦到y(tǒng)中模擬加工，確認(rèn)無(wú)誤后，方可從客戶機(jī)存儲(chǔ)到服務(wù)器上，待上機(jī)床實(shí)際操作。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)

將虛擬實(shí)驗(yàn)室引入到教學(xué)當(dāng)中，可以說(shuō)是教育領(lǐng)域應(yīng)用信息技術(shù)的一種創(chuàng)新。虛擬實(shí)驗(yàn)室增強(qiáng)并擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能，以前所未有的方式將學(xué)生和實(shí)驗(yàn)儀器聯(lián)系起來(lái)，為學(xué)生提供了一種嶄新的實(shí)驗(yàn)方式。

3.1 節(jié)約實(shí)訓(xùn)成本

虛擬技術(shù)的引入使得大部分的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目可以首先在仿真系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，從而大大減少了在數(shù)控設(shè)備上的資金投入。同時(shí)，單個(gè)學(xué)生的有效上機(jī)時(shí)間也相應(yīng)增加，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率大幅度提高。另外，又可避免實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的損壞、訓(xùn)練材料的消耗等問題，從而有效降低了實(shí)訓(xùn)成本。

3.2 激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

由于仿真模塊中的虛擬機(jī)床與數(shù)控機(jī)床操作系統(tǒng)具有相同的面板和按鍵功能，學(xué)習(xí)者可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室中身臨其境般的操作虛擬機(jī)床，并且在操作過(guò)程中，即使出現(xiàn)人為的編程或操作失誤也不會(huì)危及機(jī)床和人身安全，反而學(xué)生們還可以從中汲取大量的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。這使得學(xué)生可以進(jìn)行自我學(xué)習(xí)、自我檢測(cè)，充分調(diào)動(dòng)了他們的學(xué)習(xí)積極性。

3.3 教學(xué)成果顯著

在以往的數(shù)控實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，教師通常首先在課堂上講解一些有關(guān)機(jī)床的基礎(chǔ)知識(shí)，然后再到機(jī)床上示范機(jī)床的操作過(guò)程，但是這樣的教學(xué)模式往往不能夠保證每一位學(xué)生都能掌握所學(xué)內(nèi)容，教學(xué)效果不夠理想。數(shù)控虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了師生互動(dòng)教學(xué)，教師可以以廣播的形式在每個(gè)學(xué)生的屏幕上演示其教學(xué)內(nèi)容，使所有的學(xué)生都能清楚地觀看并進(jìn)行模仿，同時(shí)教師也可以在自己屏幕上看到每個(gè)學(xué)生的操作情況，實(shí)時(shí)了解教學(xué)情況并對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)。由于是在教學(xué)中邊教邊學(xué)、邊學(xué)邊做、在學(xué)中做、在做中學(xué)，學(xué)生的積極性被調(diào)動(dòng)起來(lái)，老師也在教學(xué)活動(dòng)中得到解放，和學(xué)生一樣感受到非常輕松，大大提高了教學(xué)效果。

3.4 有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)

利用虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可以發(fā)揮同學(xué)們的想像力，去實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)，而不受機(jī)床、刀具等的限制，同時(shí)也不用擔(dān)心實(shí)驗(yàn)的失敗對(duì)人身和設(shè)備造成的損壞，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力提供了廣闊的實(shí)驗(yàn)空間，這是傳統(tǒng)模式下無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，更像是“量體裁衣”，具有“個(gè)性色彩”。

3.5 為實(shí)際機(jī)床操作打好基礎(chǔ)

在數(shù)控技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生們通過(guò)反復(fù)練習(xí)數(shù)控機(jī)床的操作，對(duì)常見的一些問題操作有了更加全面的了解。相信有了這樣良好的基礎(chǔ)，學(xué)生們?cè)俚綑C(jī)床上操作可以迅速的將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐之中。

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室以先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用軟硬件結(jié)合、功能模塊重組配置的方式，增加了教學(xué)平臺(tái)的適用性和實(shí)驗(yàn)技術(shù)可擴(kuò)展性，有助于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神。在使用虛擬實(shí)驗(yàn)室的過(guò)程中，如果能把模擬的與現(xiàn)實(shí)的相比較，加強(qiáng)學(xué)習(xí)者之間的相互合作，并注重激發(fā)學(xué)習(xí)者的興趣、促使其進(jìn)行探究，那必將會(huì)產(chǎn)生巨大的教育價(jià)值。

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