摘要: 針對傳統數（shù）控機床實驗教學，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（tí），提出（chū）了開展虛實結合數（shù）控實驗的必要性。在傳（chuán）統數控實驗內容基礎上，結合計算機仿真技術提出了（le）在機床結構剖析、原理演（yǎn）示、電氣控（kòng）製和數控加工等環節進行虛實（shí）結合的數控實驗教學模式。應用實踐表明，虛擬實驗與實物實驗的有效結合，不僅（jǐn）可以有效（xiào）的擴展傳統數控（kòng）實驗的（de）內容，而且能夠提高學生對理論知識的理解和培養工程實踐能力，進而提（tí）高了實（shí）驗教學質量。
 
      關鍵詞: 數控實驗; 虛擬機（jī）床（chuáng）; 物理樣機; 實踐
 
      數控機床（chuáng）實驗通常包括（kuò）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（jiāo）流（liú）伺服係統的調試與應用、數控機床的操作麵板使用及對刀換刀操作、簡單典（diǎn）型零件的數（shù）控編程與加工、典型複雜零件的編程與加工等。其實驗教學環節擔負著（zhe）培養學生動手能力、分析問題（tí）和解決問題（tí）等能力的任務，而傳統實（shí）驗教學模式由於其存在若幹問題難以滿（mǎn）足此要求。
 
      1 、傳統數控實（shí）驗存在的問題
 
      1． 1 數控係統檔次低且類型單（dān）一
 
      傳統的數控實驗以機床演示和數控編程加工為主，但是隨著數控機床的普及，各種新型的機床層出不窮，結構及數控係統不斷創新，機電一體（tǐ）化越來越強，對數控機床結構和控製（zhì）的教學（xué）和實驗要求也越來越高。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產的幾種性價（jià）比較高的數控係統，檔次較低且類型單一，這（zhè）就造成
學生無（wú）法了解和掌握（wò）高端的數（shù）控係統。所以，隻有在教（jiāo）學中很好（hǎo）地解決實（shí）驗機床檔次低、型號（hào）單一的（de）問（wèn）題，才能較好地促（cù）進我國數控設備（bèi）製造業的有效發展［1 － 3］。
 
      1． 2 數控實驗開放性不（bú）夠
 
      要真正了（le）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和控製實驗（yàn）。而（ér）數控機床機械結構複雜，且體積龐大，在普通（tōng）認（rèn）知實驗中很難觀察其細節和內部結構。機床結構剖析實驗最好的辦法就是（shì）拆裝機（jī）床，但拆一（yī）台簡單的機床（chuáng）耗時至少1周，而且（qiě）有些內部結（jié）構無法拆卸，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（jìn）行電氣連接的實驗，開放程度不夠，學生不能充分理解（jiě）各部分的工作原理，大大影響學習興趣和實（shí）踐能力的培養［4］。

      1． 3 實（shí）驗（yàn）條件受限
 
     學校要提高數控專業（yè）學生的專業與（yǔ）實踐技能，一般隻能通過購買實（shí）體數控機床、機（jī）床功能部（bù）件等相關機械器件來進行實（shí）驗，通過設立數控綜合實（shí）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（yàn）設備大多為大型設備（bèi），價（jià）格昂（áng）貴，大部分學校可能還不（bú）具備（bèi）這方麵的經濟能力，不能對數控機床綜合實（shí）驗室的建設（shè）提供足夠的資金支持。但如果不能為學生提供足夠的硬件（jiàn）設備，必然（rán）會嚴重影響（xiǎng）其數控機床相關知識的汲（jí）取，學生的動（dòng）手能力也會大大降低［1，5］。
   
      2 、開（kāi）展虛實結合數控實驗的必要性

     虛擬實驗是綜（zōng）合運用多媒體技術、計算機網絡和虛擬現實等技術，建立一個虛（xū）擬的實驗環境，側重於實驗操作的人機（jī）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（bìng）能在線指導，成本低且（qiě）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行，實驗的編（biān）排包括演示實驗和分組實驗。對（duì）機床的結構及其控製原理主要是演示，學生隻看（kàn）不做（zuò），直（zhí）觀（guān）性強，但（dàn）隻能觀察機床的外觀、內（nèi）部結（jié）構、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（néng）、科學態度、科學方法的訓練和培養作用非（fēi）常有限。
 
      為了有效解決以上問題，將數控機床演示實驗采用（yòng）虛擬（nǐ）方式進行，即在計算機上營造相關的軟硬件操（cāo）作環境，學生可象在真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項目，並能從各個（gè）角度透視（shì）機床主軸的安裝情況、PLC( 可編（biān）程控製器) 的接線情況等。但由於虛擬實驗在實際（jì）編程設計實驗中以及對學生加工編程能力培養方麵尚有很
多不足，例如虛擬實驗（yàn）對力和速度的概（gài）念反映不強，經（jīng）常出現學（xué）生在仿真係統中能夠很好的進行（háng）編程和操作，而在實際加工中（zhōng）卻怯於動手的現（xiàn）象。此外（wài），係統仿真和實際加工係統在對刀、切削、潤滑等方麵也存在一定的差異。為了充分改進（jìn）實驗效果，在數控機床實驗過程中采用了虛實結合（hé）的實驗模式，兩種模式互補，全麵滿足了實驗要求（qiú），將課程培養目標（biāo）落到了實處［5，8－ 10］。
 
      3、 虛實結（jié）合（hé）的數控機床實驗（yàn）教學模式及實踐
  
     “虛實結合”中的“虛（xū）”主要是指在如Virtools，EON studio 等虛擬現（xiàn）實軟件中製作出結構和運動與真機一（yī）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（xiàn）且非常重（chóng）要的實驗在真實的（de）數控機床上進行。具體實踐過程（chéng）如下:
 
     ( 1) 機床（chuáng）的結構及（jí）工作原理剖（pōu）析實驗需采用虛實結合的實驗模式，即在數控綜合實驗室對（duì）機床（chuáng）外圍結（jié）構及（jí）能反映出來的（de）工作原理進行實際實驗，但某些不可見也不易拆卸的部分如車床主軸箱（xiāng）內部結構等可在虛（xū）擬環境中（zhōng）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成，並按（àn）照工作原（yuán）理對其進行虛擬拆裝。
 
     機床的硬件連接與電氣控製、交流伺服係統的調試與（yǔ）應用等實驗要（yào）求學生非常熟悉機床結構，往往帶有一定的破（pò）壞性（xìng）。為了避免學生誤操作而（ér）引起的設備（bèi）損壞（huài），這部分實驗內容可以在仿真軟件中（zhōng）進行虛擬操作（zuò）。
 
     機床（chuáng）驗收和（hé）精度（dù）檢測實驗對機床沒有破壞（huài）性，進行該實驗時還可以將機（jī）床的防護罩等外部結構拆除，進而加深學生（shēng）對機床結構的認識，補（bǔ）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（bù）構成

     ( 2) 數控機床實際（jì）加工的實驗存在諸多風險，如工件是否裝（zhuāng）夾牢固、各個切削參（cān）數的選擇是否合理（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，嚴重時甚至引發人身事故。在（zài）實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（yǒu）效合理的解決。在數控（kòng）機床的操作麵板使用及對刀換刀操作（zuò）、簡單零件的手工編程與數控加工、典型（xíng）複雜零（líng）件的自動編程與數控加工過程中采用虛實結合的方式: 先由學生在仿真係統（tǒng）中熟悉控製麵板並進行零件程序的調試和虛擬加工，確定無誤後再在（zài）機床上進行實際（jì）加工。
 
     虛（xū）實（shí）結合的實驗教學模式經實（shí）踐證明: 能夠充分彌補實際（jì）實驗在教（jiāo）學中的欠缺，以低成（chéng）本、高效率培養（yǎng）了學生的動手能力、實踐和創新能力。

     4、 結語
 
    隨著數控機（jī）床的廣泛普及（jí），其在工業生產方麵的優勢也愈（yù）加（jiā）顯（xiǎn）著，越來越多具有高（gāo）技術含量的數控設（shè）備也相繼出現，因此，數控機床教學就變得越來越重要。必須在其實驗教學環節（jiē）不斷探索新的教學方法，才能滿足日（rì）益更新的教學內（nèi）容的要（yào）求，虛（xū）實結合的實驗教學模式為（wéi）教學提供了更好（hǎo）的思路，也為學生學習數控（kòng）技術（shù）提供了更為直觀和生動的學習條件。