摘要: 針對傳統數控機床實驗教學，分析了其存在的數控係統檔次低、類型（xíng）單一和開放性不夠等問題，提（tí）出了開展虛實結合數控實驗的必要性。在傳統數控實（shí）驗內容基礎（chǔ）上，結合計算機（jī）仿真（zhēn）技術提出了在機床結構剖（pōu）析、原理演示（shì）、電氣（qì）控製和數控加工（gōng）等（děng）環節進行虛實結合的數控實驗教學模式。應（yīng）用實踐表（biǎo）明，虛擬實驗與實物實驗的有效結合，不僅（jǐn）可以有效（xiào）的擴（kuò）展傳統數控（kòng）實驗的內（nèi）容，而且能夠提高學生（shēng）對理論知識的理解和培養工程實踐能力，進而提（tí）高了實驗教學質量。
 
      關鍵詞: 數控（kòng）實驗; 虛擬機床（chuáng）; 物理（lǐ）樣機（jī）; 實踐
 
      數控機床實驗通（tōng）常包括機床的結構及工作原理剖析、機床的硬件連接與電氣控製、交流伺（sì）服係（xì）統的調試與應用、數控機床的操作麵板使用及對刀換刀操作、簡單典型（xíng）零件的數控（kòng）編（biān）程與加工、典型（xíng）複雜（zá）零件的編程與加工等。其實驗教學環節擔負（fù）著培養學生動手能力、分析問題和解決問題等（děng）能力的任務，而傳統實（shí）驗（yàn）教學模式由於其存在若幹問題難以滿足此要求。
 
      1 、傳統數控實驗存在的問題
 
      1． 1 數控係統檔次低且（qiě）類型單（dān）一
 
      傳統（tǒng）的數控實驗以機（jī）床演示和數控編程加工為主，但是隨著數（shù）控機床的普及，各種新型的機床層出不窮，結構及數控係統不斷創新，機電一（yī）體化越來越（yuè）強，對數控（kòng）機床結構和控製的教學和實驗要求也越來越高（gāo）。而教學使用的數控實驗平台大多采用FAUNC 等國外常見類型以及我國生（shēng）產的幾種性價比較高的數控係統，檔次較低且（qiě）類型單一，這就造成
學生無法了解（jiě）和掌握高端的數控係統。所以，隻有在（zài）教學中很好（hǎo）地解決實驗機床檔次低、型（xíng）號單一的問題，才能較好地促進我國數控設備製造業的有效發展［1 － 3］。
 
      1． 2 數控實驗開放性不夠（gòu）
 
      要真正了解和掌握數控機床的工作原理，就需要進行機床的內部結構（gòu）和控製實驗。而數控（kòng）機床機械結（jié）構複雜，且體積龐大，在普通認知實驗中很難觀察其細節和內部結構（gòu）。機床結構剖析實驗最好的辦法就是拆（chāi）裝機床，但拆一台簡單（dān）的機床耗（hào）時（shí）至少1周，而且有些內部結構無法拆（chāi）卸，所以現在許多高校的機床結構和控製實驗，隻是觀察外部結構並演示
其運動，無法進行電氣連接的實驗，開放程度不夠，學生不能充分理解各部分的（de）工作原理，大大影響學習興（xìng）趣和實踐能力的培養［4］。

      1． 3 實驗條件受（shòu）限
 
     學校（xiào）要提高（gāo）數（shù）控專業學生的專業與實（shí）踐技能，一（yī）般隻能通過購買實體數控機床、機床功能部件等相關機械器件（jiàn）來進行實驗，通過設立數（shù）控綜合實驗室，組（zǔ）織（zhī）學生參加數控機床相關課（kè）程的上機操作培訓。但（dàn）數控實驗設備大多為大型設備，價格昂貴，大部分學校可能還不具備這方麵（miàn）的經濟能力（lì），不能對數（shù）控機（jī）床綜（zōng）合實驗室的建設提供（gòng）足夠的資金支持。但如果不能為學生提供（gòng）足夠（gòu）的（de）硬件設備，必然會嚴重影響其數控機床相關（guān）知識的汲取，學生的動手能（néng）力（lì）也（yě）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（hé）運用多媒體技術、計算機網絡和虛擬現實等技術，建立一個虛擬（nǐ）的（de）實驗環境，側重於實驗（yàn）操（cāo）作（zuò）的人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（chuàng）新性、可（kě）擴充性，並能在線指導，成本低且搭建方便［2，6－ 7］。而傳統的（de）實物實驗需要在專用的實驗場地進行，實驗的編排包括（kuò）演示實驗和分組實驗。對機（jī）床的結構及其控製原理主要（yào）是演（yǎn）示，學生隻看不做，直觀（guān）性強，但隻（zhī）能（néng）觀察機床的（de）外觀、內（nèi）部結構（gòu）、裝配要求等，無法體會設計原則，因而對學生的動手能力、實驗技能、科學態（tài）度、科學方法的訓練和培養作用非常有限。
 
      為（wéi）了有效解決以上問題，將數控機床演示實驗采（cǎi）用（yòng）虛擬方式進（jìn）行，即在（zài）計（jì）算機上營造相關的軟硬件（jiàn）操作環境，學生可象（xiàng）在真實的環境（jìng）中一樣完成機（jī）床結構拆裝、控製和故障診斷等實驗項目，並能從各個角度透視機床主軸的安裝情況、PLC( 可編程控製器) 的接（jiē）線情況等。但由於虛擬實驗在實際編程設（shè）計實驗中以及（jí）對學（xué）生加工編程能力培養方麵尚有很
多不（bú）足，例如虛擬實（shí）驗對（duì）力和速度的概念反映不強，經常出現學生在仿真係（xì）統中能夠（gòu）很好的（de）進行編程和操作（zuò），而在實（shí）際（jì）加工中卻怯於動手的現象。此外（wài），係統仿（fǎng）真和實際加工係統在對刀、切削、潤滑等方麵也存在一（yī）定（dìng）的差異。為了（le）充分改進實驗效果（guǒ），在數控機床實（shí）驗過程中采用了虛實結合的實驗模式，兩種模式互補，全麵滿足了實驗要求，將課程培養目標落到了實處［5，8－ 10］。
 
      3、 虛（xū）實結合（hé）的數控機床實驗教學模（mó）式及實踐
  
     “虛實（shí）結合”中的“虛”主要是指在如（rú）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（shù）控機床，對於某些不易在真機（jī）上（shàng）操作的實驗可（kě）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上進（jìn）行。具體實踐過程（chéng）如下:
 
     ( 1) 機（jī）床的結構及工作原理剖析實驗需采用虛實結（jié）合的實驗模（mó）式，即在數控綜合實驗室（shì）對機床外（wài）圍結構及能反映出來的工作原理進行實際實（shí）驗，但某些不可（kě）見也不易拆卸的部（bù）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構及主軸箱內部生（shēng）成，並按照工作原理對其進行（háng）虛擬拆裝。
 
     機床的硬件連接與電氣控製、交流伺（sì）服係統的調試與應用（yòng）等（děng）實驗要求學（xué）生非常熟悉機（jī）床結構，往往帶有一定的破壞（huài）性（xìng）。為了避免學生誤（wù）操作而引起的設備損（sǔn）壞，這部分實驗內容可以（yǐ）在仿（fǎng）真（zhēn）軟件中進（jìn）行虛擬操作。
 
     機床（chuáng）驗收和精度檢測實驗對機床沒（méi）有破壞性，進行該實驗時還可以將機床（chuáng）的防（fáng）護罩等外部結構拆除，進而加深學生對機床結構的認識，補充主軸結構虛擬實驗中的不足。
   

    
  
     圖1 臥（wò）式車床的總體結構
  

    
  
     圖2 車床主軸箱內部構成

     ( 2) 數控機床實際加（jiā）工的實驗（yàn）存在諸多風險，如工件是否裝夾牢固、各（gè）個切削參數的選擇（zé）是否（fǒu）合理、操作是否正確。實驗中一旦出現誤操作（zuò）就會導致設備和刀（dāo）具（jù）的損壞，嚴重時甚（shèn）至（zhì）引發人身（shēn）事故。在實驗過程中采用仿真軟件進行虛擬教（jiāo）學後，上述問（wèn）題得到了有效（xiào）合理的解決。在數控機床的操作麵板（bǎn）使用及對刀換刀操作、簡單零件的手工編程與數控加工、典型複雜零件的自（zì）動編程與數控加工過程中采用虛實結合的（de）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（jiā）工（gōng），確定無誤後再在機床上進行實際加工。
 
     虛實結合的實驗教（jiāo）學模式經（jīng）實踐證明（míng）: 能夠充分彌補（bǔ）實際實驗在教學中的欠缺，以低成本、高效率培養了學生的動（dòng）手能力、實踐和創新（xīn）能力。

     4、 結語
 
    隨著數控機床的廣泛（fàn）普及，其在工業生產方麵（miàn）的優勢也愈加顯著，越來越多具有高技術含量的（de）數控設備也相繼出現，因此，數控（kòng）機床教學就變得越來越重要。必須在其實驗教（jiāo）學環節不斷探索新的教學方法（fǎ），才能滿足日益更新的教（jiāo）學內容（róng）的要（yào）求，虛實（shí）結合的實驗教學模式為教學提供了更好的思路，也（yě）為（wéi）學生學（xué）習數控技術提供了更為直觀和生動的學習條件。