虛擬數控機床在教育領(lǐng)域的應用
傳統數控機床教學(xué)是以數控機床編程、操作以及加工模擬為重要內容。常見(jiàn)的數控機床編程模擬軟件多以點(diǎn)、面，線(xiàn)條等平面圖形來(lái)實(shí)現機床模型及工作原理，因為平面圖形模擬實(shí)物直觀(guān)性很差，學(xué)生對數控機床模擬大都覺(jué)得抽象難以理解，更無(wú)法對數控機床的操作過(guò)程進(jìn)行模擬。因此，學(xué)生在學(xué)習過(guò)程中，花在機床模擬上的時(shí)間很長(cháng)，難以理解機床的工作原理，動(dòng)手操作更是難以實(shí)現，學(xué)習效率低。并且，如果要讓所有學(xué)員都能進(jìn)行模擬，機床數量要有很多，投資成本大大增加。由于學(xué)生對數控技術(shù)不熟悉，培訓成本較高，也容易造成機床的損壞。這些都是影響數控技術(shù)教學(xué)培訓的重要因素。多媒體教學(xué)在教育領(lǐng)域的應用對傳統教學(xué)方式產(chǎn)生了重大影響，但隨著(zhù)專(zhuān)業(yè)學(xué)科的不斷發(fā)展，多媒體教學(xué)在很多領(lǐng)域，特別是職業(yè)教育領(lǐng)域，已經(jīng)顯得不足，甚至可以說(shuō)已經(jīng)跟不上教學(xué)多樣化的需要?，F在，教學(xué)技術(shù)領(lǐng)域又出現了一種新型教學(xué)媒體，它就是虛擬技術(shù)（Virtual Reality）。雖然虛擬現實(shí)技術(shù)很早就被提出，但直到上世紀末才有所發(fā)展，所以它仍被認為是一項新的技術(shù)。
隨著(zhù)現代計算機科技的不斷進(jìn)步，圖形圖像處理及虛擬加工技術(shù)的成熟，在通用計算機中實(shí)現數控機床的虛擬化已經(jīng)成為可能。使用虛擬化加工技術(shù)能夠在計算機上以逼真的、直觀(guān)的三維模型將數控機床及各主要部件仿真顯示出來(lái)，仿真實(shí)踐者在生動(dòng)直觀(guān)的動(dòng)畫(huà)環(huán)境下，猶如在操作一臺真正的數控機床。這些特點(diǎn)使得在普通計算機上實(shí)現的虛擬三維數控機床在數控技術(shù)培訓教學(xué)中的應用越來(lái)越廣。
1.虛擬數控技術(shù)及其特征
虛擬數控技術(shù)是利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，生成三維逼真的虛擬環(huán)境，使客戶(hù)成為虛擬環(huán)境的一員，進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而獲得身臨其境的感受和體驗。
虛擬數控技術(shù)的基本特征是沉浸性、交互性和想象性。沉浸性是指由計算機生成的逼真的三維立體圖像，使用戶(hù)產(chǎn)生一種身臨其境的感覺(jué)，如同在真實(shí)的客觀(guān)世界一樣。交互性是指用戶(hù)能夠自然地同虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互操作，從而感知和響應虛擬環(huán)境。想象性是指虛擬環(huán)境向用戶(hù)提供了發(fā)揮想象力的機制，能夠啟發(fā)用戶(hù)的創(chuàng )造性思維，提高感性認識和理性認識。
由于虛擬技術(shù)具有可操作性、真實(shí)性、可重復性等優(yōu)點(diǎn)，應用在教育行業(yè)上為教育技術(shù)的發(fā)展提供了一個(gè)飛躍的平臺，它營(yíng)造了“自主學(xué)習”的環(huán)境，由傳統的“以教促學(xué)”的學(xué)習方式代之為學(xué)習者通過(guò)自身與信息環(huán)境的互動(dòng)來(lái)獲得知識和技能的新型學(xué)習方式。它已經(jīng)成為了當今教育技術(shù)和計算機多媒體輔助教學(xué)的重要發(fā)展方向之一。
這就是某一特定數控系統借助計算機軟硬件的功能，通過(guò)用戶(hù)控制計算機的演示，分析數控加工從零件設計圖到動(dòng)態(tài)切削演示實(shí)現的全過(guò)程。仿真機床操作的整個(gè)過(guò)程包括：機床與數控系統的選擇、毛坯定義、工件裝夾、壓板安裝、安裝刀具、基準對刀、機床手動(dòng)操作等內容。虛擬數控加工仿真教學(xué)系統完全模擬真實(shí)零件的加工過(guò)程，可以檢驗各種數控指令是否正確，能提供與真實(shí)機床完全相同的操作面板，其調試、編輯、修改和跟蹤執行等功能也一應俱全。學(xué)習者可身臨其境地操作各類(lèi)數控加工設備，能有充分的機會(huì )去練習數控加工中的常用操作，如基本運行方式的選擇操作、對刀操作、刀具補償量的確定及輸入輸出操作和程序的編輯修改操作等。解決了初學(xué)數控技術(shù)者需要的大量機床操作練習，提高了機床操作訓練的時(shí)間。把數控加工仿真教學(xué)系統引入到教學(xué)之中，這樣既可以避免因誤操作造成價(jià)格昂貴的機床的損壞，又可以使操作人員在對仿真數控機床操作過(guò)程中產(chǎn)生現場(chǎng)感和真實(shí)感。同時(shí)由于其成本較低，可以大量地配置終端，徹底解決了數控機床數量不足的難題，使每位學(xué)生都能夠有足夠多的實(shí)踐機會(huì )，從而為數控機床教學(xué)提供良好的教育平臺。
該套系統是目前國內唯一一套集虛擬數控加工仿真以及機械原理、結構與拆裝、電氣原理、電路接線(xiàn)以及故障設置、故障排除以及數控系統、PLC梯形圖系統故障診斷排除于一身的完整的三維虛擬數控機床培訓系統，機械部分包括加工中心、車(chē)床(包括銑床、平床)，同時(shí)還包括激光干涉儀，用于數控機床安裝精度糾正以及測量的操作原理演示。并且能夠逼真仿真千分表的所有功能用于數控機械安裝精度檢測裝調，用戶(hù)能夠用鼠標隨意拖動(dòng)千分表將其吸附定位到數控機床的任意部位并根據需要任意調整千分表測頭的位置來(lái)檢測所要測試部位的精度。虛擬數控機床培訓系統采用實(shí)體機床進(jìn)行逼真重建的方法，對數控機床的每一個(gè)零部件，每一個(gè)螺絲，每一個(gè)電氣元器件進(jìn)行模擬仿真，每一個(gè)部件都可以進(jìn)行虛擬拆卸、安裝，而且每一個(gè)元器件都具有屬性，可以隨意組成電路，設置故障，讓學(xué)生學(xué)習故障排除方法。同時(shí)為電路及故障排除提供了一個(gè)逼真的三維虛擬環(huán)境和符合人們自然交互習慣的人機交互界面。數控加工操作面板，與實(shí)際系統運轉一模一樣，完全仿真，同時(shí)系統能夠實(shí)現真正的自由式人機互動(dòng)，最重要的是它能夠讓學(xué)生進(jìn)行拆卸安裝以及故障診斷排除，學(xué)生自己做什么樣的三維互動(dòng)操作，系統就能做出相應的反應。虛擬數控培訓系統能讓學(xué)生自己決定每一個(gè)使用操作步驟，系統能夠根據學(xué)生的操作做出實(shí)時(shí)的反應，判斷。這樣才能真正達到學(xué)生動(dòng)手參與實(shí)驗操作的目的。教師模塊的功能除了教學(xué)、實(shí)訓、考核功能與學(xué)生模塊功能相同之外，還具有考核維護、課件管理等功能?？梢陨蟼鞲鞣N課件、編輯考題等等，考題可以是問(wèn)答題、選擇題、填空題，也可以使實(shí)操題目，拆卸安裝、電路接線(xiàn)、故障診斷、排除等等，選擇題、填空題、實(shí)操都有自動(dòng)評分功能。系統自帶Web3D編輯工具供用戶(hù)任意編輯系統中所有三維模型及其相關(guān)動(dòng)畫(huà)，或編輯制作新的數控機床3D模型及動(dòng)畫(huà)等。同時(shí)系統軟件還自帶梯型圖編輯工具及電路自繪工具，用戶(hù)可以任意自繪具有3D互動(dòng)功能的電路圖并根據用戶(hù)所繪電路圖自動(dòng)生成3D裝配圖讓用戶(hù)進(jìn)行接線(xiàn)，同時(shí)系統提供電路接線(xiàn)自動(dòng)驗證輸出接線(xiàn)的正確性判斷結果。
