任炳新

摘 要：在當(dāng)前的數(shù)控專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)中，普遍存在的問題是學(xué)習(xí)效率低、實訓(xùn)費用高，培訓(xùn)教師事倍功半，學(xué)生反映收獲寥寥。這種情況已經(jīng)嚴(yán)重制約了數(shù)控專業(yè)學(xué)生實際操作能力的培養(yǎng)提高，不能滿足當(dāng)前職業(yè)教育的發(fā)展要求。因此設(shè)計開發(fā)一種新的數(shù)控實訓(xùn)教學(xué)解決方案來代替當(dāng)前的實訓(xùn)教學(xué)方式，就成為大勢所趨。數(shù)控系統(tǒng)仿真技術(shù)的出現(xiàn)，是解決這一問題的重要途徑。但是在數(shù)控教學(xué)中引入仿真系統(tǒng)，應(yīng)該作為學(xué)生熟悉了解數(shù)控系統(tǒng)實際操作的過渡手段，在一定范圍內(nèi)進(jìn)行，之后仍然需要讓學(xué)生在做好準(zhǔn)備的情況下參與數(shù)控系統(tǒng)的實際操作學(xué)習(xí)。在此需求下，應(yīng)用虛實一體化的原則，采取數(shù)字化雙胞胎的工作原理，提出了一個全新的模擬仿真實訓(xùn)平臺設(shè)計項目，使得學(xué)生培訓(xùn)時首先能夠結(jié)合上課學(xué)習(xí)到的理論知識完成PLC程序編寫和數(shù)控項目設(shè)計，通過在模擬仿真單元測試無誤后，同步在實際試驗平臺上面運行確認(rèn)實際效果，大大提高了學(xué)生的操作安全性和實際動手能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)控模擬仿真;虛實一體化;數(shù)字化雙胞胎

一、項目背景

在當(dāng)前的數(shù)控專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)中，要求對控制系統(tǒng)加工編程與實際操作的培訓(xùn)練習(xí)必須在真正的數(shù)控設(shè)備上進(jìn)行。但是隨著數(shù)控專業(yè)學(xué)生人數(shù)的持續(xù)增長，傳統(tǒng)實訓(xùn)培養(yǎng)模式出現(xiàn)了一些瓶頸。首先，受資金和場地的限制，學(xué)校先進(jìn)數(shù)控機床的增長遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足每位學(xué)生有充分的實際操作需求。而且，數(shù)控技術(shù)的進(jìn)步日新月異，應(yīng)用新技術(shù)的數(shù)控機床成本較高;數(shù)控機床的技術(shù)含量高，價格昂貴，維修保養(yǎng)的費用極高，很多學(xué)校都無法承受大量數(shù)控機床的投入。其次，學(xué)生在真實機床上操作具有一定的危險性，學(xué)生在數(shù)控機床上面進(jìn)行實際操作練習(xí)的時候，如果準(zhǔn)備不充分，出錯在所難免，訓(xùn)練中的操作錯誤經(jīng)常會引起數(shù)控設(shè)備的受損，甚至發(fā)生人身傷害事故。在當(dāng)前的數(shù)控專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)中，普遍存在的問題是學(xué)習(xí)效率低、實訓(xùn)費用高，培訓(xùn)教師事倍功半，學(xué)生反映收獲寥寥。這種情況已經(jīng)嚴(yán)重制約了數(shù)控專業(yè)學(xué)生實際操作能力的培養(yǎng)提高，不能滿足當(dāng)前職業(yè)教育的發(fā)展要求。因此設(shè)計開發(fā)一種新的數(shù)控實訓(xùn)教學(xué)解決方案來代替當(dāng)前的實訓(xùn)教學(xué)方式，，就成為大勢所趨。數(shù)控系統(tǒng)仿真技術(shù)的出現(xiàn)，是解決這一問題的重要途徑。

數(shù)控系統(tǒng)模擬仿真技術(shù)，能夠模擬數(shù)控機床系統(tǒng)實際運行環(huán)境和工作狀態(tài)，是一種能夠?qū)?shù)控仿真技術(shù)應(yīng)用于實際數(shù)控系統(tǒng)操作編程技能培訓(xùn)的設(shè)計方法。使用數(shù)控模擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行實訓(xùn)練習(xí)和操作培訓(xùn)，不但能夠迅速的提升學(xué)生的實際操作水平和數(shù)控理論基礎(chǔ)，而且安全性高、可靠性強，學(xué)習(xí)培訓(xùn)的費用較低。數(shù)控模擬仿真系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)成為了現(xiàn)代化數(shù)控數(shù)控專業(yè)對學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)編程和實際操作培養(yǎng)的重要方式。通過數(shù)字模擬仿真系統(tǒng)采用自動控制原理、人工智能理論和專業(yè)教學(xué)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，對數(shù)控機床從結(jié)構(gòu)到生產(chǎn)工藝流程，為每一個功能模塊建立出內(nèi)在模型，用通用電腦系統(tǒng)能夠兼容運行的模擬仿真設(shè)計方法，實現(xiàn)了數(shù)控專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)的各個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。

但是這種方式也存在一定的缺點，不論是通過物理手段進(jìn)行模擬仿真還是通過數(shù)字設(shè)計模擬仿真，它們的設(shè)計原理只是盡可能接近實際工作環(huán)境，而不可能與客觀實際情況完全一致。因此，不論數(shù)控模擬仿真系統(tǒng)采用何種先進(jìn)設(shè)計手段，也不可能完全等同于實際的加工過程。

在數(shù)控教學(xué)中引入仿真系統(tǒng)，應(yīng)該作為學(xué)生熟悉了解數(shù)控系統(tǒng)實際操作的過渡手段，在一定范圍內(nèi)進(jìn)行，之后仍然需要讓學(xué)生在做好準(zhǔn)備的情況下參與數(shù)控系統(tǒng)的實際操作學(xué)習(xí)。對于數(shù)控專業(yè)學(xué)生初期實際操作學(xué)習(xí)，應(yīng)當(dāng)以數(shù)控模擬仿真培訓(xùn)為主，數(shù)控機床實際操作培訓(xùn)為輔。到了數(shù)控專業(yè)學(xué)生后期實際操作學(xué)習(xí)，就應(yīng)該以數(shù)控機床實際操作培訓(xùn)為主，讓學(xué)員能夠在實際機床培訓(xùn)中積累操作經(jīng)驗。如此一方面讓學(xué)生了解和熟悉數(shù)控實際操作步驟，而前期模擬另一方面也是對仿真實習(xí)成果的驗證和提升。

還有很重要的一點就是，如果缺乏在實際數(shù)控機床上面動手操作，長期只在數(shù)控模擬仿真系統(tǒng)上訓(xùn)練實習(xí)，容易造成學(xué)生的安全意識淡漠、對操作要求態(tài)度隨意，為以后工作留下隱患;這些缺點只有通過實際操作才能加以糾正。

在此需求下，應(yīng)用虛實一體化的原則，采取數(shù)字化雙胞胎的工作原理，提出了一個全新的模擬仿真實訓(xùn)平臺設(shè)計項目，結(jié)合了計算機+PLC模擬仿真平臺和實際數(shù)控試驗平臺為一體，集成了當(dāng)前較先進(jìn)的設(shè)計理念和技術(shù)，使得學(xué)生培訓(xùn)時首先能夠結(jié)合上課學(xué)習(xí)到的理論知識完成PLC程序編寫和數(shù)控項目設(shè)計，通過在模擬仿真單元測試無誤后，同步在實際試驗平臺上面運行確認(rèn)實際效果，大大提高了學(xué)生的操作安全性和實際動手能力。而且此設(shè)計項目能夠成為學(xué)生日后學(xué)習(xí)了解數(shù)字化雙胞胎技術(shù)的前置學(xué)習(xí)平臺。

二、應(yīng)用場合和范圍

將模擬仿真系統(tǒng)實訓(xùn)平臺應(yīng)用在數(shù)控理論課程練習(xí)中，能夠讓課堂上的數(shù)控理論教學(xué)更加具體生動，能夠有效提升教學(xué)效果。數(shù)控專業(yè)教學(xué)中理論和實踐結(jié)合緊密，教師在課堂中數(shù)控編程方法進(jìn)行分析講解，闡述數(shù)控機床的操作注意事項和加工工藝的處理技巧;而且能夠使用模擬仿真數(shù)控系統(tǒng)直觀明了的展示數(shù)控系統(tǒng)加工過程。而學(xué)生則能夠使用數(shù)控模擬仿真平臺來測試自己設(shè)計編寫的加工程序及生產(chǎn)工藝操作處理在不同類型機床和不同數(shù)控系統(tǒng)上面的運行狀況。而且還能夠在實訓(xùn)平臺上面同步運行模擬仿真通過的設(shè)計程序，觀察和驗證實際工作情況，提高學(xué)生的實操能力和學(xué)習(xí)效率。模擬仿真實訓(xùn)平臺這種虛實一體的設(shè)計方式和數(shù)字化雙胞胎的理念運用能夠讓學(xué)生更直觀的在現(xiàn)場實時觀察到實際的運行效果。

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