虚拟数控机床在教育领域的应用

        传统数控机床教学是以数控机床编程、操作以及加工模拟为重要内容。常见的数控机床编程模拟软件多以点、面，线条等平面图形来实现机床模型及工作原理，因为平面图形模拟实物直观性很差，学生对数控机床模拟大都觉得抽象难以理解，更无法对数控机床的操作过程进行模拟。因此，学生在学习过程中，花在机床模拟上的时间很长，难以理解机床的工作原理，动手操作更是难以实现，学习效率低。并且，如果要让所有学员都能进行模拟，机床数量要有很多，投资成本大大增加。由于学生对数控技术不熟悉，培训成本较高，也容易造成机床的损坏。这些都是影响数控技术教学培训的重要因素。
        多媒体教学在教育领域的应用对传统教学方式产生了重大影响，但随着专业学科的不断发展，多媒体教学在很多领域，特别是职业教育领域，已经显得不足，甚至可以说已经跟不上教学多样化的需要。现在，教学技术领域又出现了一种新型教学媒体，它就是虚拟技术（Virtual Reality）。虽然虚拟现实技术很早就被提出，但直到上世纪末才有所发展，所以它仍被认为是一项新的技术。 
         随着现代计算机科技的不断进步，图形图像处理及虚拟加工技术的成熟，在通用计算机中实现数控机床的虚拟化已经成为可能。使用虚拟化加工技术能够在计算机上以逼真的、直观的三维模型将数控机床及各主要部件仿真显示出来，仿真实践者在生动直观的动画环境下，犹如在操作一台真正的数控机床。这些特点使得在普通计算机上实现的虚拟三维数控机床在数控技术培训教学中的应用越来越广。
1.虚拟数控技术及其特征
        虚拟数控技术是利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成三维逼真的虚拟环境，使客户成为虚拟环境的一员，进行实时交互，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验。
        虚拟数控技术的基本特征是沉浸性、交互性和想象性。沉浸性是指由计算机生成的逼真的三维立体图像，使用户产生一种身临其境的感觉，如同在真实的客观世界一样。交互性是指用户能够自然地同虚拟环境中的对象进行交互操作，从而感知和响应虚拟环境。想象性是指虚拟环境向用户提供了发挥想象力的机制，能够启发用户的创造性思维，提高感性认识和理性认识。
        由于虚拟技术具有可操作性、真实性、可重复性等优点，应用在教育行业上为教育技术的发展提供了一个飞跃的平台，它营造了“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式代之为学习者通过自身与信息环境的互动来获得知识和技能的新型学习方式。它已经成为了当今教育技术和计算机多媒体辅助教学的重要发展方向之一。 2.利用虚拟技术进行数控机床模拟加工和仿真教学
        这就是某一特定数控系统借助计算机软硬件的功能，通过用户控制计算机的演示，分析数控加工从零件设计图到动态切削演示实现的全过程。仿真机床操作的整个过程包括：机床与数控系统的选择、毛坯定义、工件装夹、压板安装、安装刀具、基准对刀、机床手动操作等内容。虚拟数控加工仿真教学系统完全模拟真实零件的加工过程，可以检验各种数控指令是否正确，能提供与真实机床完全相同的操作面板，其调试、编辑、修改和跟踪执行等功能也一应俱全。学习者可身临其境地操作各类数控加工设备，能有充分的机会去练习数控加工中的常用操作，如基本运行方式的选择操作、对刀操作、刀具补偿量的确定及输入输出操作和程序的编辑修改操作等。解决了初学数控技术者需要的大量机床操作练习，提高了机床操作训练的时间。把数控加工仿真教学系统引入到教学之中，这样既可以避免因误操作造成价格昂贵的机床的损坏，又可以使操作人员在对仿真数控机床操作过程中产生现场感和真实感。同时由于其成本较低，可以大量地配置终端，彻底解决了数控机床数量不足的难题，使每位学生都能够有足够多的实践机会，从而为数控机床教学提供良好的教育平台。 3.凤凰创壹虚拟数控机床培训系统
        该套系统是目前国内唯一一套集虚拟数控加工仿真以及机械原理、结构与拆装、电气原理、电路接线以及故障设置、故障排除以及数控系统、PLC梯形图系统故障诊断排除于一身的完整的三维虚拟数控机床培训系统，机械部分包括加工中心、车床(包括铣床、平床)，同时还包括激光干涉仪，用于数控机床安装精度纠正以及测量的操作原理演示。并且能够逼真仿真千分表的所有功能用于数控机械安装精度检测装调，用户能够用鼠标随意拖动千分表将其吸附定位到数控机床的任意部位并根据需要任意调整千分表测头的位置来检测所要测试部位的精度。虚拟数控机床培训系统采用实体机床进行逼真重建的方法，对数控机床的每一个零部件，每一个螺丝，每一个电气元器件进行模拟仿真，每一个部件都可以进行虚拟拆卸、安装，而且每一个元器件都具有属性，可以随意组成电路，设置故障，让学生学习故障排除方法。同时为电路及故障排除提供了一个逼真的三维虚拟环境和符合人们自然交互习惯的人机交互界面。数控加工操作面板，与实际系统运转一模一样，完全仿真，同时系统能够实现真正的自由式人机互动，最重要的是它能够让学生进行拆卸安装以及故障诊断排除，学生自己做什么样的三维互动操作，系统就能做出相应的反应。虚拟数控培训系统能让学生自己决定每一个使用操作步骤，系统能够根据学生的操作做出实时的反应，判断。这样才能真正达到学生动手参与实验操作的目的。教师模块的功能除了教学、实训、考核功能与学生模块功能相同之外，还具有考核维护、课件管理等功能。可以上传各种课件、编辑考题等等，考题可以是问答题、选择题、填空题，也可以使实操题目，拆卸安装、电路接线、故障诊断、排除等等，选择题、填空题、实操都有自动评分功能。系统自带Web3D编辑工具供用户任意编辑系统中所有三维模型及其相关动画，或编辑制作新的数控机床3D模型及动画等。同时系统软件还自带梯型图编辑工具及电路自绘工具，用户可以任意自绘具有3D互动功能的电路图并根据用户所绘电路图自动生成3D装配图让用户进行接线，同时系统提供电路接线自动验证输出接线的正确性判断结果。         以上的种种功能，都是数控机床教学过程中的诸多难点，凤凰创壹虚拟数控机床培训系统带来了很好的解决方案：一是解决的教学方法和教学工具的问题，二是解决了学校的教学经费问题，从现在的学校实际应用来看，推广和普及虚拟数控机床教学和培训模式，是我国大规模培养数控机床高端人才的必选之路！