摘要: 針對傳統數控機（jī）床實驗教學，分析了其存在的數控係統檔次低、類型單一和開放性不夠等問題，提出了開展（zhǎn）虛實結合數控實驗的必（bì）要性。在傳統數控實驗內容基礎上，結（jié）合計算機仿真技術提出了在機床結構剖析、原理演示、電氣（qì）控製和數控加工（gōng）等環節進行虛實結合（hé）的數控（kòng）實驗教學模式。應（yīng）用實踐表（biǎo）明，虛擬實驗與實物實驗的有效結合，不僅可以有效的擴展傳統數（shù）控（kòng）實驗（yàn）的（de）內容，而（ér）且能（néng）夠提高學生對理（lǐ）論知識的理解和（hé）培養工程實踐能力，進而提高了實驗教學質量。
 
      關鍵詞: 數控實驗; 虛擬（nǐ）機床; 物理樣機; 實踐（jiàn）
 
      數（shù）控（kòng）機床實驗（yàn）通常包括機床的結（jié）構及工作原理剖（pōu）析、機床的硬件（jiàn）連接與電氣控製、交流伺服係統的調試與應（yīng）用、數控機床的操作麵板使用及（jí）對刀換刀操作、簡單典型零件的數（shù）控編程與加工、典型（xíng）複雜零件的編程與加（jiā）工等。其實驗教學環節擔負著培養學生動手能（néng）力、分析問（wèn）題和解決（jué）問（wèn）題等能力的任（rèn）務，而傳統實驗教學模式由於其存在若幹（gàn）問題難以滿足此要求。
 
      1 、傳統數控實驗存在的問題
 
      1． 1 數控（kòng）係統檔次低且類型單一
 
      傳統的數控實驗以機床演（yǎn）示和數控編程加（jiā）工為主，但是隨著數控機床的普及，各種新型（xíng）的機床層（céng）出不窮，結構及數控係統不斷創新，機電一體化越來越強，對數控機床結構和控製（zhì）的教學和實驗要求也（yě）越來越高（gāo）。而教學使用的數控實驗平台大多采（cǎi）用FAUNC 等國外常見類型以及我國生產的幾種性價比較（jiào）高的數控（kòng）係統，檔次較低且類型單（dān）一，這就造成（chéng）
學生無法了解和掌握高端的數控係統。所以，隻有在教學中很好地解決實驗機床檔次低、型號單一的問題（tí），才能較好地促進我國數控設備製造（zào）業的有效發展［1 － 3］。
 
      1． 2 數控實驗開放性（xìng）不夠
 
      要真正（zhèng）了（le）解和掌握數控機床的工作原理，就需（xū）要進（jìn）行機床的內部結構（gòu）和控製實驗。而數控機床機械結構複雜，且體積龐大，在普通認（rèn）知實驗中（zhōng）很難觀察其細節和內部結構。機床結構剖析實驗最好（hǎo）的辦法（fǎ）就是拆裝機床，但拆一台簡單的機床耗時至少1周，而且有些內（nèi）部結構（gòu）無法拆卸，所以現在許多高校的機床結構和（hé）控製實驗，隻是觀察外部結構並演示
其運動，無法進行電（diàn）氣連接的（de）實驗，開放程度不夠，學生不能充分理解各部分（fèn）的工作原理，大大（dà）影（yǐng）響學習興趣和實踐能力的培養［4］。

      1． 3 實驗條件受限
 
     學校要提（tí）高數控專業學生的專業與實踐技能，一般（bān）隻能通過購買實體（tǐ）數控機床、機床功能部件等相關機械器件來進行實（shí）驗，通（tōng）過設立數控綜合實驗室，組織學生參加數控機床相關課程（chéng）的上機（jī）操作培訓。但數控實驗設備大多為大型（xíng）設備，價格昂貴，大部分學校可能還不具備（bèi）這（zhè）方麵的經濟能力（lì），不能對數控機床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的硬件設備，必然（rán）會嚴重（chóng）影響（xiǎng）其數控機床相關（guān）知識的汲取，學生的動手能力也會大大降低［1，5］。
   
      2 、開展虛實結合數控實（shí）驗的必要性

     虛擬（nǐ）實驗是綜合運用多媒體技（jì）術、計算機網絡（luò）和（hé）虛擬現實等技術，建立一個（gè）虛擬的（de）實（shí）驗環境（jìng），側重於實驗（yàn）操作的人（rén）機交互性和實驗結果的仿真性，其特點是具有很強的開放性、創新性、可擴充性，並能（néng）在線指導，成（chéng）本低且搭建方便［2，6－ 7］。而傳統的實物實驗需要在專用的實驗場地進（jìn）行，實（shí）驗的編排（pái）包括演示（shì）實驗和分組（zǔ）實驗。對機床的結構及其控製（zhì）原理主要（yào）是演（yǎn）示，學生隻看不做，直觀性強，但隻能觀（guān）察機床的外觀、內部結構、裝配要求等，無法體會設計原則，因而（ér）對學（xué）生的動手能力、實驗技（jì）能、科學態度、科學方法的訓練和培養作用（yòng）非常有（yǒu）限。
 
      為了（le）有效解決以上問題，將數（shù）控機床演示實驗采用虛（xū）擬（nǐ）方式（shì）進行，即在計算機上營造相關的軟硬件操（cāo）作環境，學（xué）生可象在真實的環境中（zhōng）一樣完成機床結構拆裝、控製和（hé）故障診斷等實驗項目，並能（néng）從各個角度透視（shì）機床主軸的安（ān）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（jì）實驗中以及對學生加工編程能力培養方麵（miàn）尚有很
多不足（zú），例如虛（xū）擬實（shí）驗（yàn）對力和速度（dù）的概念反映不強，經常出現學生在仿真（zhēn）係（xì）統中能夠很好的進行編程和操作，而在實際（jì）加工中卻怯於動手的現象。此外，係統仿真和實際加工係統在對刀、切削（xuē）、潤滑等方麵也存在一定的差異。為了充分改進實驗效果，在數控機床（chuáng）實驗過程中（zhōng）采用了虛實結合的實驗模式，兩種模式互補，全麵滿足了實驗（yàn）要求，將課程培養目標落到（dào）了實處［5，8－ 10］。
 
      3、 虛實結合的數控機床實驗教學模式及實踐
  
     “虛實結合”中的“虛”主要（yào）是指在如（rú）Virtools，EON studio 等虛擬現實軟件中製作出結構和運（yùn）動與（yǔ）真機一致的數控機床，對於某些不易在真機上操作的實驗可在虛擬環境中進行; “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（chuáng）上進行。具體實踐過程如（rú）下:
 
     ( 1) 機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，即在數控綜合（hé）實驗室（shì）對機床外圍結構及能反映出來的工作（zuò）原理進行實際實驗，但某些不可見也不易拆卸（xiè）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體結（jié）構及主軸箱內部生成，並按（àn）照工作原理對其進（jìn）行虛擬拆裝。
 
     機床的硬件連接與電氣控製、交流伺服係統的調試與應用等實驗要求學生非常熟悉機床結（jié）構，往往帶有一定的破壞性。為了避免學生誤操作而引（yǐn）起的設（shè）備損壞，這部分實驗內容可以在仿真軟件（jiàn）中進行虛擬操作。
 
     機床驗收和精度檢測實驗對機床沒有破壞性，進（jìn）行該（gāi）實（shí）驗時還可以將機床的（de）防護罩等外部（bù）結構拆除，進而（ér）加深學生對機（jī）床結構的認識（shí），補充（chōng）主軸結構虛擬實驗中的不足。
   

    
  
     圖1 臥式（shì）車床的總體結構
  

    
  
     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在諸多（duō）風（fēng）險，如工件是否裝（zhuāng）夾牢固、各個（gè）切削參數（shù）的選擇是否合理（lǐ）、操作是否正確。實驗中一旦出現誤操作就會導致設備和刀具的損壞（huài），嚴重時甚至引發人身事故。在實驗過程中（zhōng）采（cǎi）用仿真軟件進行虛擬教學後（hòu），上述問題得到了有效合理的（de）解決。在數控機床的操作麵板使用及（jí）對刀換刀操作、簡（jiǎn）單零件的手工編程與數（shù）控加工、典型複雜（zá）零（líng）件的自動編程與數控加工過程中采（cǎi）用虛實結合的方式: 先由學生（shēng）在仿真係統中熟悉控製麵板並進行零件程序的調試和虛擬加工，確（què）定無誤後再在機床上進行實際加工。
 
     虛（xū）實結合的實驗教學（xué）模式經實踐證明: 能夠充分彌補實際實驗（yàn）在教學中的欠缺，以低成本、高效率培養了學生的動手能力、實踐和創新能力。

     4、 結語
 
    隨（suí）著數控（kòng）機床的廣泛（fàn）普及，其在工（gōng）業生產方麵的優勢也愈加顯著，越來（lái）越多具有高技術（shù）含量（liàng）的數控設備也相繼出現，因此，數控機床教（jiāo）學就變得越來越重要。必（bì）須（xū）在其實驗教（jiāo）學環節不斷探（tàn）索新的教學方法，才（cái）能滿足日（rì）益更新的教學內容的要求，虛實結（jié）合的實驗教學模式為教學提供了更好的思路，也（yě）為學生（shēng）學習數控技術提供了更為（wéi）直觀和生動的學（xué）習條件。