摘要: 针对传统数控机床实验教学，分析了其存在的数控系统档次低、类型单一和开放性不够等问题，提出了开展虚实结合数控实验的必要性。在传统数控实验内容基础上，结合计算机仿真技术提出了在机床结构剖析、原理演示、电气控制和数控加工等环节进行虚实结合的数控实验教学模式。应用实践表明，虚拟实验与实物实验的有效结合，不仅可以有效的扩展传统数控实验的内容，而且能够提高学生对理论知识的理解和培养工程实践能力，进而提高了实验教学质量。
 
      关键词: 数控实验; 虚拟机床; 物理样机; 实践
 
      数控机床实验通常包括机床的结构及工作原理剖析、机床的硬件连接与电气控制、交流伺服系统的调试与应用、数控机床的操作面板使用及对刀换刀操作、简单典型零件的数控编程与加工、典型复杂零件的编程与加工等。其实验教学环节担负着培养学生动手能力、分析问题和解决问题等能力的任务，而传统实验教学模式由于其存在若干问题难以满足此要求。
 
      1 、传统数控实验存在的问题
 
      1． 1 数控系统档次低且类型单一
 
      传统的数控实验以机床演示和数控编程加工为主，但是随着数控机床的普及，各种新型的机床层出不穷，结构及数控系统不断创新，机电一体化越来越强，对数控机床结构和控制的教学和实验要求也越来越高。而教学使用的数控实验平台大多采用FAUNC 等国外常见类型以及我国生产的几种性价比较高的数控系统，档次较低且类型单一，这就造成
学生无法了解和掌握高端的数控系统。所以，只有在教学中很好地解决实验机床档次低、型号单一的问题，才能较好地促进我国数控设备制造业的有效发展［1 － 3］。
 
      1． 2 数控实验开放性不够
 
      要真正了解和掌握数控机床的工作原理，就需要进行机床的内部结构和控制实验。而数控机床机械结构复杂，且体积庞大，在普通认知实验中很难观察其细节和内部结构。机床结构剖析实验最好的办法就是拆装机床，但拆一台简单的机床耗时至少1周，而且有些内部结构无法拆卸，所以现在许多高校的机床结构和控制实验，只是观察外部结构并演示
其运动，无法进行电气连接的实验，开放程度不够，学生不能充分理解各部分的工作原理，大大影响学习兴趣和实践能力的培养［4］。

      1． 3 实验条件受限
 
     学校要提高数控专业学生的专业与实践技能，一般只能通过购买实体数控机床、机床功能部件等相关机械器件来进行实验，通过设立数控综合实验室，组织学生参加数控机床相关课程的上机操作培训。但数控实验设备大多为大型设备，价格昂贵，大部分学校可能还不具备这方面的经济能力，不能对数控机床综合实验室的建设提供足够的资金支持。但如果不能为学生提供足够的硬件设备，必然会严重影响其数控机床相关知识的汲取，学生的动手能力也会大大降低［1，5］。
   
      2 、开展虚实结合数控实验的必要性

     虚拟实验是综合运用多媒体技术、计算机网络和虚拟现实等技术，建立一个虚拟的实验环境，侧重于实验操作的人机交互性和实验结果的仿真性，其特点是具有很强的开放性、创新性、可扩充性，并能在线指导，成本低且搭建方便［2，6－ 7］。而传统的实物实验需要在专用的实验场地进行，实验的编排包括演示实验和分组实验。对机床的结构及其控制原理主要是演示，学生只看不做，直观性强，但只能观察机床的外观、内部结构、装配要求等，无法体会设计原则，因而对学生的动手能力、实验技能、科学态度、科学方法的训练和培养作用非常有限。
 
      为了有效解决以上问题，将数控机床演示实验采用虚拟方式进行，即在计算机上营造相关的软硬件操作环境，学生可象在真实的环境中一样完成机床结构拆装、控制和故障诊断等实验项目，并能从各个角度透视机床主轴的安装情况、PLC( 可编程控制器) 的接线情况等。但由于虚拟实验在实际编程设计实验中以及对学生加工编程能力培养方面尚有很
多不足，例如虚拟实验对力和速度的概念反映不强，经常出现学生在仿真系统中能够很好的进行编程和操作，而在实际加工中却怯于动手的现象。此外，系统仿真和实际加工系统在对刀、切削、润滑等方面也存在一定的差异。为了充分改进实验效果，在数控机床实验过程中采用了虚实结合的实验模式，两种模式互补，全面满足了实验要求，将课程培养目标落到了实处［5，8－ 10］。
 
      3、 虚实结合的数控机床实验教学模式及实践
  
     “虚实结合”中的“虚”主要是指在如Virtools，EON studio 等虚拟现实软件中制作出结构和运动与真机一致的数控机床，对于某些不易在真机上操作的实验可在虚拟环境中进行; “实”是指在部分易实现且非常重要的实验在真实的数控机床上进行。具体实践过程如下:
 
     ( 1) 机床的结构及工作原理剖析实验需采用虚实结合的实验模式，即在数控综合实验室对机床外围结构及能反映出来的工作原理进行实际实验，但某些不可见也不易拆卸的部分如车床主轴箱内部结构等可在虚拟环境中进行。如图1、图2 所示为学生在虚拟环境中查看车床的总体结构及主轴箱内部生成，并按照工作原理对其进行虚拟拆装。
 
     机床的硬件连接与电气控制、交流伺服系统的调试与应用等实验要求学生非常熟悉机床结构，往往带有一定的破坏性。为了避免学生误操作而引起的设备损坏，这部分实验内容可以在仿真软件中进行虚拟操作。
 
     机床验收和精度检测实验对机床没有破坏性，进行该实验时还可以将机床的防护罩等外部结构拆除，进而加深学生对机床结构的认识，补充主轴结构虚拟实验中的不足。
   

    
  
     图1 卧式车床的总体结构
  

    
  
     图2 车床主轴箱内部构成

     ( 2) 数控机床实际加工的实验存在诸多风险，如工件是否装夹牢固、各个切削参数的选择是否合理、操作是否正确。实验中一旦出现误操作就会导致设备和刀具的损坏，严重时甚至引发人身事故。在实验过程中采用仿真软件进行虚拟教学后，上述问题得到了有效合理的解决。在数控机床的操作面板使用及对刀换刀操作、简单零件的手工编程与数控加工、典型复杂零件的自动编程与数控加工过程中采用虚实结合的方式: 先由学生在仿真系统中熟悉控制面板并进行零件程序的调试和虚拟加工，确定无误后再在机床上进行实际加工。
 
     虚实结合的实验教学模式经实践证明: 能够充分弥补实际实验在教学中的欠缺，以低成本、高效率培养了学生的动手能力、实践和创新能力。

     4、 结语
 
    随着数控机床的广泛普及，其在工业生产方面的优势也愈加显著，越来越多具有高技术含量的数控设备也相继出现，因此，数控机床教学就变得越来越重要。必须在其实验教学环节不断探索新的教学方法，才能满足日益更新的教学内容的要求，虚实结合的实验教学模式为教学提供了更好的思路，也为学生学习数控技术提供了更为直观和生动的学习条件。