摘要: 針對傳統數控（kòng）機床實驗教學，分析了其存在的（de）數控係統檔次低、類型單一和開放（fàng）性不夠等問題，提出了開展虛實結合數控實驗的必要性（xìng）。在傳統數控實驗內容（róng）基礎上，結（jié）合計算機仿真技術提出了在機床結構剖（pōu）析、原理演示、電氣控製和數控（kòng）加（jiā）工等環節進行（háng）虛實結合的數控實（shí）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（kuò）展傳統數控（kòng）實驗的內（nèi）容，而且能夠提高學（xué）生（shēng）對理論知識的理解和培養工程實踐能力，進而提高了（le）實驗教學質量。
 
      關（guān）鍵詞: 數控實驗; 虛擬機床; 物理樣（yàng）機; 實踐
 
      數（shù）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（yìng）件連接與（yǔ）電氣控製、交流伺服係統的（de）調（diào）試與應用、數控（kòng）機床的操作（zuò）麵板使用及對刀換刀操作、簡單典型零件（jiàn）的數控編程與加工（gōng）、典型（xíng）複雜零件的編程與加工等。其實（shí）驗教學環（huán）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（chuán）統實驗（yàn）教學模式（shì）由於其存在若幹問題難以滿足此（cǐ）要求。
 
      1 、傳統數控實驗存在的問題
 
      1． 1 數控係統檔次低且類型單一
 
      傳統的數控（kòng）實驗以機床（chuáng）演示和數控編程加（jiā）工為主，但是隨著數控機床的普及（jí），各種新型的機床層出不窮（qióng），結構及（jí）數控係統不斷創新，機電一體化越來越強，對數控機床結構和控製（zhì）的（de）教學和實驗要（yào）求也越（yuè）來（lái）越高。而教學使用的數（shù）控實驗平（píng）台大多采用FAUNC 等國外常見類（lèi）型以及我國生產的幾種性價比較高的數控係統，檔（dàng）次較低且類型單（dān）一，這就造（zào）成
學生無法（fǎ）了解和掌握高端的數控係統。所以，隻有（yǒu）在教學中很好（hǎo）地解決實驗機床檔次低、型（xíng）號（hào）單一的問題，才能較好地促進（jìn）我國數（shù）控設（shè）備製造業的有（yǒu）效發展［1 － 3］。
 
      1． 2 數控實驗開（kāi）放性（xìng）不夠
 
      要真正了解和掌握數控機床的工作原理，就需要（yào）進行機床的內部結構和控製實（shí）驗。而（ér）數控機（jī）床機械（xiè）結構複雜，且體積龐大，在普通認（rèn）知實驗中很難觀察其細節和（hé）內部結構。機床（chuáng）結（jié）構剖析實驗最好（hǎo）的辦法（fǎ）就是拆（chāi）裝機床，但拆一台簡單的機床耗（hào）時至少1周，而且有些內部結構（gòu）無法拆卸，所以現在許多（duō）高校的機床結構和控製實驗，隻是（shì）觀察外（wài）部結構並演示
其運動，無法進行電（diàn）氣連（lián）接的實驗，開（kāi）放程度不夠，學生不（bú）能（néng）充分理解各部分的工作原（yuán）理，大大（dà）影響學習興趣和實踐能力的培養［4］。

      1． 3 實驗（yàn）條件受限
 
     學校要提高數（shù）控專（zhuān）業（yè）學生的專（zhuān）業與實踐技能，一般隻能通過購買實體數控機床、機床功能部（bù）件等相關機械（xiè）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（shàng）機操（cāo）作培訓。但數控實驗設備大多為大型設（shè）備，價格昂貴，大部分學校可能還不具（jù）備這方麵（miàn）的經濟能力，不能對數控機床（chuáng）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（gòu）的硬件設（shè）備（bèi），必然會嚴重影響其數控機床相關知識的汲取，學生（shēng）的動（dòng）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（shù），建立一個虛擬的實驗環境，側重於實驗操（cāo）作的人機交互性（xìng）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（chōng）性，並能在線（xiàn）指導，成本低且搭建方便［2，6－ 7］。而（ér）傳統的實物實驗需要在（zài）專（zhuān）用的實驗場地進行，實驗的（de）編（biān）排包括演示實驗和分組實驗。對機床的結構及其控製原理主要是演示，學生隻看不做，直觀性強，但隻能觀察機床的外觀、內部結構、裝配要求等，無法體會設計原則（zé），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（wèn）題，將數控機床演示實驗采用虛（xū）擬方式進行（háng），即在計算機上營造相關的（de）軟硬件操（cāo）作環境，學生可象在真（zhēn）實的環境中一樣完成機床結構拆裝、控製和故障診斷等實驗（yàn）項目，並能從（cóng）各個角度透視機床主軸的安裝情況、PLC( 可編程控製器) 的接線情況等。但由於虛擬實驗在實際編程設計實驗中以及對學生加工（gōng）編程能力（lì）培養方麵尚有很
多不足，例如虛擬實驗對力和速度的概念反（fǎn）映不強，經常出現學生在仿真係統中能夠很好的進（jìn）行編程和操作，而在實（shí）際（jì）加工中卻怯於動（dòng）手的現象。此外，係統仿真和（hé）實際加工係（xì）統在對刀、切削、潤（rùn）滑等方麵也存（cún）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（hù）補，全麵滿足了實驗要求，將課程培養目標落（luò）到了實處［5，8－ 10］。
 
      3、 虛實結合的數控（kòng）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 等虛擬現實軟件中製作出結構和運動與（yǔ）真機一致的數控機床，對於某些不易在真（zhēn）機上操作的實驗可在（zài）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（jī）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（jí）在數控綜合實驗室對機床外圍結構及（jí）能（néng）反映出來的工作原理進行實際實驗，但（dàn）某些不可見也不易拆卸的部分如車床（chuáng）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（zǒng）體結構及主（zhǔ）軸箱（xiāng）內部生成，並按照（zhào）工作原理對其（qí）進行虛擬拆裝。
 
     機床的硬件連（lián）接與電氣控製、交流伺服係統的調試與應用等（děng）實驗（yàn）要求學生非常熟悉機床結構，往往帶有一定的破壞性。為了（le）避免學生誤操作而引起的設備損（sǔn）壞，這部分實驗內容可（kě）以在仿真軟件中進行虛擬操作。
 
     機床（chuáng）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（jiāng）機床的防護罩等外部結構拆（chāi）除，進而加深學生對機床結構的認識，補充主（zhǔ）軸結構（gòu）虛擬（nǐ）實驗中的不足。
   

    
  
     圖1 臥式車床的總體（tǐ）結構
  

    
  
     圖2 車床主軸箱內部構（gòu）成

     ( 2) 數控機床實際加工的實驗存（cún）在諸多風險，如工件是否裝夾牢固、各個切削參數（shù）的選擇是否合理、操作是否正確（què）。實驗中一旦出現誤（wù）操（cāo）作就會導致設備和刀具的損壞，嚴重時（shí）甚至引發人身事故。在實（shí）驗過程中采用仿真軟件進行虛擬教學後，上述問題得到了有效合理的解決。在數控機床的操作麵（miàn）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（xíng）複雜零件的自動編程（chéng）與數控加（jiā）工過程中采（cǎi）用虛實結合的方式: 先由學生在仿真係統中（zhōng）熟悉控製麵（miàn）板並進行零件程序的調試和虛擬加（jiā）工，確定無誤後再在機（jī）床上進（jìn）行實際加（jiā）工。
 
     虛實結合的實驗教學模式經實踐證明: 能夠充分彌補實（shí）際實驗在教學中的欠缺（quē），以低成本（běn）、高效率培養了學（xué）生的動手能力、實踐和創新能力。

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