虚拟数控加工在教学中的应用

虚拟数控加工在教学中的应用
摘要：数控加工技术是现代工业发展的趋势，《数控加工技术》是高职高专数控专业的骨干课程；虚拟现实与数控加工技术相结合，开发出数控加工仿真软件；将数控加工虚拟系统引入教学，对教学进行改革，培养专业的数控技术人才。

关键词：虚拟现实仿真数控加工教学改革
一、引言
《数控加工技术》是高职高专学校“数控专业”的主干课程。

近年来，我国大力发展数控产业，但是对于数控机床的设计、制造、使用和维护严重缺乏专家人才和熟练技术工人。

因此高职高专学校有必要培养一批熟练数控技术的专业人才。

在传统的数控教学中，由于资源和资金的限制，学生在课堂上学习理论知识的时间比较多，几乎可以占总课时的百分之七十；而试验、实训的时间仅占了百分之三十。

这样必然导致学生所学的理论知识得不到强化，动手能力差；学生也会对专业失去兴趣，课堂必然失去活力。

因此有必要将数控教学进行一下改革。

理论与实际相结合，编程和实训相穿
插，课堂和工厂相交互，巩固学生的理论知识，提高学生的动手能力，更好的为国家培养数控技术能人。

二、虚拟现实
随着科学技术的迅猛发展，新的教学媒体不断涌出，继多媒体之后，教学技术领域又出现了一个新型教学媒体，它就是虚拟现实（Virtual Reality）。

（一）虚拟现实的概念
虚拟现实技术是一门新兴学科。

虚拟现实技术是利用三维图形生成技术、多传感技术以及高分辨显示技术，生成三维逼真的虚拟环境，仿真出实际的活动场景，用户利用键盘、鼠标等输入设备，便可以进入虚拟空间，成为虚拟环境的一员，进行时实交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而获得身临其境的感受和体会。

（二）虚拟现实的特点
虚拟现实技术的主要特征有以下几方面：
多感知性（Multi-Sensory）――所谓多感知是指除了一
般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。

理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。

由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术
所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。

浸没感（Immersion）――又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。

理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。

交互性（Interactivity）――指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。

例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。

构想性（Imagination）――强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。

三、虚拟数控应用于教学
（一）数控与虚拟现实相结合
数控技术包括很多方面，不同的厂家生产的数控机床型
号和数控控制系统都是不同的。

培养专业的数控人才有必要让他们理解各种型号的数控机床，全面的熟悉掌握不同的数控系统，这样才能使学生不局限于课堂，扩展探马的知识面。

但是由于实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因，学校不可能购买每个数控系统，学生不可能人手一台机床。

原因有三点：1、数控机床并不是一件日用小商品，它的价格比较昂贵。

购买如此多的数控机床必然造成资源的浪费。

2、在机床实际操作中，学生仅仅是实验型的操作加工，加工工件的原料也是一个很大的浪费。

3、在实际加工中，由于学生缺乏加工经验，可能会出现意外事故，会对学生的生命安全造成危险。

依据以上分析，我们有必要将虚拟现实技术引入到数控教学上来。

1、弥补教学条件的不足，避免资金和资源的浪费.在数控教学中，往往因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因,而使数控教学开展的不合理和不科学，利用数控虚拟现实系统，可以弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以学习不同的数控机床和掌握不同的操作系统，并且逼真的模拟加工场景,使学生的动手能力大大提高。

2、避免真实实验或操作所带来的各种危险。

以往在数控实训中，为了避免各种危险，一般不会让学生独立的操作机床，或者完全不让学生操作机床仅仅只是观看。

在数控虚拟现实系统中学生可以自己独立的操作机床,出现问题自己
解决，培养他们的动手能力，不必担心人生安全。

现在国内有很多大学和研究所进行了数控和虚拟现实
相结合的研究。

比如：南京航天航空大学与南京宇航自动化技术研究所开发的《宇航数控机床仿真模拟教学软件》；还有北京航天航空大学也进行了这方面的研究和开发。

（二）数控专业教学改革措施
传统的数控教学存在许多弊端，将数控的虚拟仿真软件应用教学，促使教学进行一系列的改革，使课程安排更合理,教学方法更科学。

我们在教学中尽量采用行为导向的教学方式，让学生有更多自主学习的机会。

在开学之初将授课计划发给学生，让学生知道本学期的学习内容和教学进度。

在授课过程中采取多种教学方法相互交叉，充分利用学校教学资源--多媒体、机房、实习工厂，另外采用布置自行研究课题的形式，在教学和实训期间提供一些教材，让学生分组完成。

在学期之末，开展数控大赛，举办数控加工作品展览。

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1、学生预先知道自己本学期干什么。

在开学之初，我们就将课题内容公布给学生，并告知学生如何做、为何要做。

学生在老师的引导下去查阅相关的资料，了解相关的信息。

还可以组织学生去观看数控展览、工业展览、让学生了解现代数控技术的的发展方向，知道自己将来的定位。

2、多媒体、机房、工厂三结合开展教学。

根据教学内
容的不同，采用不同的教学方式。

在讲授手工编程和自动编程时，采用多媒体教学方法。

老师将编程原理、工艺设定讲授给学生然后通过实例在数控虚拟仿真软件下演示给同学
观看，学生对于数控技术有一个从感性到理性的认识。

学生掌握了解理论知识就要用于实际，在机房里学生自主动手操作，机房里每一台计算机装置数控虚拟仿真软件，这样学生可以人手一台，每个人可以操作不同的车床，应用不同的数控控制系统。

老师合理安排去实习工厂的时间，定期的带领学生在实际机床上进行实际操作。

从理论到实践、从课堂到工厂，学生的理论知识得到强化，动手能力得到提高。

3、加强实验、实训环节.实验实训一直是学生最喜欢的环节。

学生确实在这一环节能巩固数控加工知识并进一步学到实践知识。

我们以行为导向模式为依据，尽量为学生提供自我认定参与的机会。

在实验环节中，才用老师和学生互动的方式。

首先老师讲解并演示数控操作，然后学生讲解给同学听，老师在一旁作指导。

这种方式使学生参与的机会更多，发现的问题也更多，学到的实践知识也更多，实验效果也更好。

在实训环节中，将机房和工厂的结合。

学生预先在数控虚拟软件上进行一段实训，掌握机床的操作和数控编程以及加工知识，在数控虚拟软件下仿真出整个零件的加工过程，然后分批分组的到工厂进行实际实训，这样既可以提高实训的效果,又可以保证学生的安全。

4、开展以数控加工为主题的各种活动。

在教学和实训
的过程中布置学生研究课题，老师提供各种题材，学生分组完成，课题完成后进行评比。

学校可以举办学校级的数控大赛，可以采用实际机床加工形式或者在数控虚拟软件下进行。

举办数控作品展览,将学生好的数控作品予以展出，充分调动学生的积极性，在学生之余丰富大学生活。

四、结论
（一）现实是一门新兴科技。

将数控和虚拟现实结合，应用数控专业的教学，带来了教学的大改革。

（二）虚拟仿真软件应用教学，使传统的数控教学发生了变化，大大提高了教学的质量，并且，在数控实训中避免了资源和资金的浪费。

（三）课和实现交叉进行，提高了学生的学习兴趣，巩固了理论知识，提高了动手能力。

更重要的是学生能够比较全面的掌数控技术，成为社会所需之人。

（四）充分利用数控虚拟仿真软件，开展数控大赛，数控展览。

在学生学习之余丰富了生活。

参考文献：
[1] 华丽娟，徐朔.《数控加工技术》教学改革比较研究
[J].《上海电机学院学报》2005年03期
[2]机械工业教育发展中心，华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心.关于数控人才需求与数控职业教育教学改革的调研报告.2003年7月
[3]唐秋华.虚拟现实工具包WTK接口开发技术[J].武汉理工大学学报，2001，23（10）□。