基于虛實同步的數(shù)控加工技術(shù)虛擬仿真教學(xué)研究

萬 泉,蔡向龍,石春源,羅淑芹,孫汝葦

(哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動力工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱,150000)

一、引言

《關(guān)于推動公共實訓(xùn)基地共建共享的指導(dǎo)意見》提出,鼓勵在公共實訓(xùn)基地開展虛擬現(xiàn)實、虛擬仿真平臺、工作過程模擬軟件等培訓(xùn),用于全面提升實驗教學(xué)質(zhì)量,提高教育信息化,縮短高素質(zhì)人才培養(yǎng)周期。［1-2］工程訓(xùn)練作為高等工科院校重要的實踐教學(xué)環(huán)節(jié),在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和工程實踐能力方面發(fā)揮著重要作用。［3］工程訓(xùn)練是以工程項目為主要內(nèi)容的實踐性教學(xué),旨在培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神,提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。通過工程訓(xùn)練,學(xué)生可以在實踐中認(rèn)識技術(shù)、掌握技能、增強(qiáng)創(chuàng)新意識和解決問題的能力,培養(yǎng)合作能力和團(tuán)隊精神。工程訓(xùn)練可以幫助學(xué)生將理論轉(zhuǎn)化為實踐,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和競爭力。數(shù)控加工實訓(xùn)是工程訓(xùn)練實踐教學(xué)的重要組成部分。［4］數(shù)控加工技術(shù)是將數(shù)學(xué)、物理、機(jī)械、電子等多學(xué)科知識結(jié)合起來,通過計算機(jī)控制和數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)對機(jī)械零件加工的精密控制。與傳統(tǒng)的加工方式相比,數(shù)控加工技術(shù)更高效、更精確、自動化程度更高,能夠大大提高加工效率。

由于數(shù)控加工設(shè)備少,人機(jī)比例失調(diào),加上數(shù)控設(shè)備價格相對高昂,成本投入較大等,教學(xué)質(zhì)量受到一定影響。［5］為切實增強(qiáng)實訓(xùn)教學(xué)效果,調(diào)動學(xué)生參與實驗教學(xué)的積極性和主動性,本文基于虛實結(jié)合、虛實同步的數(shù)控加工虛擬仿真實驗,采用真實數(shù)控面板,以虛擬仿真、虛實結(jié)合、虛實同步、教學(xué)過程實時控制等技術(shù),構(gòu)建數(shù)控設(shè)備物聯(lián)網(wǎng),延伸實驗教學(xué)的時間和空間,從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)潛能,增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

二、實驗教學(xué)平臺建設(shè)

該平臺采用數(shù)控原理、數(shù)控維修、數(shù)控車削/銑削虛擬仿真實驗教學(xué)等方式,通過延伸實驗教學(xué)時間和空間,解決學(xué)員無法接觸高端數(shù)控設(shè)備的實際問題。［6-7］系統(tǒng)通過真實的操作面板配合虛擬仿真程序,讓學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)控機(jī)床的操作方法。同時,真實面板可通過網(wǎng)絡(luò)直接切換到與智聯(lián)網(wǎng)合作企業(yè)的真實加工設(shè)備,實現(xiàn)虛擬加工和真實加工完全同步,豐富學(xué)生實際設(shè)計加工的學(xué)習(xí)體驗。

(一)數(shù)控智能實訓(xùn)教室建設(shè)

基于虛實結(jié)合、虛實同步的數(shù)控加工虛擬仿真實驗教學(xué),相關(guān)建設(shè)部門可按功能將數(shù)控智能實訓(xùn)教室分為車削實訓(xùn)教室和銑削實訓(xùn)教室。不同的教室由不同類型的實訓(xùn)終端構(gòu)成,智能實訓(xùn)教室包括教師機(jī)實訓(xùn)終端、學(xué)生機(jī)實訓(xùn)終端、桌面型真實加工機(jī)床和虛擬仿真軟件,如圖1所示。

圖1 數(shù)控智能實訓(xùn)教室結(jié)構(gòu)圖

(二)網(wǎng)絡(luò)化桌面教學(xué)型數(shù)控車、銑床建設(shè)

車削/銑削實訓(xùn)教室由一體化智能實訓(xùn)終端(學(xué)生機(jī))、智能實訓(xùn)管理終端(教師機(jī))和網(wǎng)絡(luò)化真實加工機(jī)床組成,如圖2所示,通過局域網(wǎng)連接為一個整體。學(xué)生可通過學(xué)生機(jī)進(jìn)行虛實結(jié)合的實訓(xùn)。有一定PLC編程基礎(chǔ)的學(xué)生可以嘗試編寫較為復(fù)雜的程序。［8］操作過程會被實時傳送到教師機(jī)進(jìn)行存儲,用于學(xué)生實訓(xùn)過程的回放和實訓(xùn)成績的評估。仿真實訓(xùn)通過后,學(xué)生可以申請真實加工,如教師機(jī)開放真實加工權(quán)限,則可以連接真實機(jī)床,完成真實加工。一體化智能實訓(xùn)終端由多平臺一體化智能實訓(xùn)終端內(nèi)置虛擬機(jī)床圖形工作站構(gòu)成,主要用于虛擬機(jī)床的顯示和操作,不需額外配置計算機(jī)。

(三)一體化多平臺智能數(shù)控實訓(xùn)終端建設(shè)

一體化智能實訓(xùn)終端采用雙屏幕顯示方式,其人機(jī)操作界面與真實機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)控制面板相同,大LCD屏幕以三維立體的形式展示機(jī)床運(yùn)動和加工過程,搭建了虛實結(jié)合的可視化智能制造實訓(xùn)平臺。［9］該平臺使學(xué)生既具有操作實際機(jī)床的真實感,又可以從不同角度和細(xì)節(jié)直觀地感受機(jī)床的運(yùn)動和加工過程的實際動作,不必?fù)?dān)心機(jī)床的損壞、零件的加工成本和安全問題。學(xué)生通過反復(fù)實驗?zāi)軌蚴炀氄莆諗?shù)控機(jī)床的基本知識和操作技能,如對刀、刀具補(bǔ)償、手動數(shù)據(jù)輸入、程序編輯、加工過程控制等。

三、實驗教學(xué)體系

(一)教學(xué)背景

數(shù)控加工技術(shù)(computer numerical control,CNC)是指通過計算機(jī)控制數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工的一種先進(jìn)的加工方法。［10］該技術(shù)通過采用計算機(jī)控制系統(tǒng),可以達(dá)到零件加工的自動化、高精度、高效率要求,既能提高加工質(zhì)量、精度和速度,也能提高工作效率和生產(chǎn)率,減少人工操作,降低勞動強(qiáng)度。在工程實訓(xùn)中,數(shù)控加工技術(shù)也是機(jī)械、自動化等專業(yè)學(xué)生必須掌握的項目。而常規(guī)實訓(xùn)教學(xué)多由教師現(xiàn)場講解示范,學(xué)生基于設(shè)備實際操作,實訓(xùn)效果往往受場地、設(shè)備、學(xué)時等條件的限制。［11］為切實解決傳統(tǒng)數(shù)控實訓(xùn)存在的問題,該教學(xué)體系提出將虛擬仿真實驗技術(shù)與虛實同步技術(shù)一起應(yīng)用于數(shù)控加工實訓(xùn)平臺的方法,從根本上解決傳統(tǒng)數(shù)控加工實訓(xùn)過程中產(chǎn)生的問題,即通過虛實結(jié)合拓寬智能制造虛擬仿真實訓(xùn)平臺的承載能力,提高實訓(xùn)效果。［12］

(二)教學(xué)設(shè)計

該系統(tǒng)是基于數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)區(qū)的可重構(gòu)虛擬數(shù)控系統(tǒng)柔性內(nèi)核,通過參數(shù)區(qū)的配置和面板的更換,開發(fā)出任意種類的實驗平臺。以真實的操作面板驅(qū)動虛擬機(jī)床的方式,通過硬面板的更換和虛擬機(jī)床仿真系統(tǒng)的配置,可以迅速重構(gòu)為其他類型的數(shù)控系統(tǒng),實現(xiàn)在同一平臺上的多數(shù)控系統(tǒng)仿真教學(xué)。該實驗平臺有如下幾種特點。

1.真實操作面板驅(qū)動虛擬機(jī)床設(shè)備的仿真模式

由于硬件操作面板和真實機(jī)床大體相同,這種仿真模式可以給操作者帶來更加真實的數(shù)控加工操作體驗。與純軟件仿真模式相比,這種仿真模式可以克服軟件面板如手輪、波段開關(guān)、積停按鈕操作狀態(tài)不真實、不直觀的缺陷。

2.上下位機(jī)通信與功能分析

虛擬仿真數(shù)控加工由上位主機(jī)和下位硬面板仿真器構(gòu)成。上位主機(jī)負(fù)責(zé)虛擬仿真環(huán)境的生成和仿真器接口信號的處理等工作;下位硬面板仿真器主要完成數(shù)控系統(tǒng)顯示屏幕生成、可替換面板的狀態(tài)信號掃描、與主機(jī)的通信和操作面板狀態(tài)的實時更新等工作。上下位機(jī)通過通信介質(zhì)層通信,通信方式可以采用USB、RS232或TCP/IP方式。

3.系統(tǒng)控制軟件功能分析

系統(tǒng)控制軟件包括主CPU控制軟件和從CPU控制軟件,如圖3所示。主CPU控制軟件主要完成上位PC機(jī)通信、下位CPU通信和主要數(shù)控操作元件的狀態(tài)掃描等工作;從CPU主要完成操作面板元件狀態(tài)掃描和與主CPU的通信工作。主CPU控制軟件的主要功能包括上位PC機(jī)通信功能、下位CPU通信功能、數(shù)控操作元件的操作狀態(tài)掃描功能。從CPU控制軟件的主要功能包括操作面板元件狀態(tài)掃描功能、主CPU的通信功能。

圖3 系統(tǒng)控制軟件結(jié)構(gòu)圖

4.數(shù)控顯示器動態(tài)生成技術(shù)

數(shù)控顯示器是數(shù)控系統(tǒng)的表現(xiàn)層,包括虛擬數(shù)控顯示屏幕和數(shù)控系統(tǒng)操作面板。以某型號的配置FANUC 0i系統(tǒng)的加工中心數(shù)控顯示器為例,整個顯示器由數(shù)控系統(tǒng)顯示屏、系統(tǒng)鍵盤、系統(tǒng)軟鍵盤和輔助操作鍵盤構(gòu)成。操作原理是建立一個對構(gòu)成數(shù)控顯示器基礎(chǔ)元件的統(tǒng)一描述方法,通過統(tǒng)一描述文件展示真實數(shù)控顯示的構(gòu)成。通過對統(tǒng)一描述文件的解析,由動態(tài)建模技術(shù)動態(tài)生成數(shù)控顯示屏幕,再利用腳本解析引擎解析操作腳本,控制顯示器產(chǎn)生交互操作的狀態(tài)變化,實現(xiàn)對真實數(shù)控顯示器的仿真。通過統(tǒng)一描述文件生成仿真數(shù)控系統(tǒng)顯示器的方法是一種動態(tài)建模方法,這要求構(gòu)成虛擬顯示的基礎(chǔ)元件庫足夠完整,可以模擬不受種類限制的數(shù)控顯示屏,且必須是完全可配置的。

5.采用虛擬數(shù)控顯示器OB(對象行為)模型

該模型是一種基于對象的模型,主要由對象和對象之間的交互行為構(gòu)成。在該模型中,對象可以是數(shù)控顯示器的各個組成部分,如鍵盤、屏幕、控制面板等。這些對象之間通過消息傳遞進(jìn)行交互。在虛擬數(shù)控顯示器OB模型中,對象之間可以執(zhí)行各種行為,如讀取鍵盤輸入數(shù)據(jù)、顯示圖形數(shù)據(jù)、設(shè)置控制參數(shù)等。這些行為可以被視為對象方法,由其他對象調(diào)用或觸發(fā)。例如,當(dāng)用戶在鍵盤上輸入數(shù)據(jù)時,鍵盤對象會調(diào)用一個輸入數(shù)據(jù)的方法,并將數(shù)據(jù)傳遞給顯示器對象。

6.根據(jù)實際加工情況進(jìn)行過程建模

以數(shù)控實際車削、銑削為例,可以將數(shù)控實際車削、銑削過程視為加工刀具以數(shù)控代碼規(guī)定的軌跡行進(jìn),不斷切除毛坯的過程。工件通常固定在機(jī)床上的旋轉(zhuǎn)工作臺上,而刀具則通過機(jī)床的刀架進(jìn)行控制。刀具可以旋轉(zhuǎn),并在軸向和徑向方向上移動,以切削工件上的材料。在切削過程中,刀具的進(jìn)給速度、刀具路徑以及切削深度等參數(shù)由預(yù)先編程的數(shù)控代碼控制,通過直線和圓弧指令進(jìn)行切削,采用公式解的最低點求解方法,以保證數(shù)控加工仿真的切削效率和實時效果。

(三)操作方法

對于專業(yè)新生或近機(jī)類實訓(xùn)學(xué)生,主要開展虛擬仿真智能數(shù)控加工實驗,讓學(xué)生快速了解數(shù)控加工虛擬仿真系統(tǒng)相關(guān)的基礎(chǔ)知識,包括數(shù)控加工系統(tǒng)認(rèn)知、虛擬仿真認(rèn)知、金屬切削原理等。學(xué)生需要了解關(guān)鍵設(shè)備如數(shù)控加工中心、虛擬實驗平臺、虛擬機(jī)床主機(jī)操作系統(tǒng)、仿真器終端操作系統(tǒng)等的組成、結(jié)構(gòu)和原理。

操作步驟:開啟實際機(jī)床—開啟電腦與仿真設(shè)備—點擊軟件加載虛擬機(jī)床—加載毛坯—打開串口—操作仿真設(shè)備選定位置—設(shè)定手動模式—可完成主軸運(yùn)轉(zhuǎn)—可進(jìn)行X/Y/Z軸運(yùn)動—可編程或修改參數(shù)—選擇自動模式—選定程序—運(yùn)行加工—實現(xiàn)虛實結(jié)合。具體操作流程如圖4所示。

圖4 操作流程圖

四、實驗教學(xué)項目特色

(一)教學(xué)理念

借助云端管理、虛實結(jié)合、虛實同步的技術(shù)手段建立的數(shù)控加工仿真虛擬實驗包含虛擬加工系統(tǒng)、真實加工系統(tǒng)和虛實同步加工系統(tǒng)三部分。實驗教學(xué)應(yīng)采用與真實數(shù)控機(jī)床相同的可更換的操作面板,創(chuàng)設(shè)零距離的真實加工訓(xùn)練環(huán)境,以學(xué)生為中心,注重學(xué)生綜合實踐能力與系統(tǒng)觀念的培養(yǎng),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)潛能,提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。［13］

(二)虛實同步技術(shù)在數(shù)控機(jī)床實訓(xùn)中的應(yīng)用效果

學(xué)生需操作真實面板,通過虛擬機(jī)床進(jìn)行數(shù)控車銑加工的毛坯定義、刀具選擇、刀具參數(shù)設(shè)置、對刀、手動操作、加工程序編制、自動虛擬加工、虛擬測量等數(shù)控操作實訓(xùn)環(huán)節(jié),完成虛擬零件加工和程序校驗過程。應(yīng)用軟件后,學(xué)生需在相同的操作環(huán)境操作真實機(jī)床,完成真實零件的加工過程,并通過虛實同步技術(shù)將實時加工過程提交到教師機(jī)進(jìn)行加工過程評價。該技術(shù)解決了實際教學(xué)中數(shù)控設(shè)備成本高、數(shù)量少、操作復(fù)雜、易損壞、不安全等問題。同時,虛擬實驗操作過程與真實操作過程相同,能夠加深學(xué)生對理論知識的理解,增強(qiáng)學(xué)生對加工過程的認(rèn)知,為學(xué)生實際數(shù)控機(jī)床操作奠定良好的基礎(chǔ)。

(三)虛擬技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)合

基于虛實結(jié)合、虛實同步技術(shù)的數(shù)控加工虛擬仿真實驗項目,應(yīng)結(jié)合傳統(tǒng)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)。［14］教師可通過模擬真實的工廠加工環(huán)境, 利用云端發(fā)布教學(xué)任務(wù)。學(xué)生在仿真工作站可通過連接云端,自主下載實訓(xùn)任務(wù)。根據(jù)實訓(xùn)任務(wù)同步進(jìn)行虛擬數(shù)控加工和真實數(shù)控加工過程,教師能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控加工實訓(xùn)過程的無人值守教學(xué),實現(xiàn)人手一機(jī)、預(yù)約上機(jī),幫助學(xué)生自主安排實訓(xùn)時間,增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的靈活性、自主性和探究性。

五、結(jié)語

以云平臺、大數(shù)據(jù)、三維建模、真實操作面板、虛實結(jié)合、虛實同步、虛擬仿真等現(xiàn)代信息技術(shù)為依托,開發(fā)基于對象的動態(tài)建模技術(shù)。面板更換技術(shù)的應(yīng)用,能夠在同一仿真工作站構(gòu)建多系統(tǒng)的“真實操作+虛擬加工”“真實操作+真實加工”“真實操作+虛實同步加工”的實驗?zāi)Ｊ?具有良好的適應(yīng)性和柔性。虛實結(jié)合、虛實同步的數(shù)控加工虛擬仿真實驗教學(xué)緩解了教學(xué)與實踐的矛盾,鞏固了學(xué)生的理論知識,培養(yǎng)了學(xué)生分析問題和解決問題的能力,為學(xué)生未來發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。