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摘要：本文针对中等职业学校数控专业的教学现状、特点及人才培养过程中存在的主要问题，提出了采用虚拟仿真技术的数控仿真软件应用于数控专业教学，通过对软件功能特点的介绍，详细说明了软件在教学中应用方法，并采用实验研究方法验证其教学效果。
关键词：虚拟仿真技术；数控技术专业；数控仿真软件；中职学校
中图分类号：G642
1虚拟数控仿真系统
虚拟数控技术是利用计算机来模仿真实的数控设备工作环境和工作过程的一门技术。它以计算机仿真和数控加工技术为基础，集计算机图形学、人工智能、网络技术、多媒体技术和虚拟现实技术为一体，在虚拟的条件下，对数控设备的工作过程和环境进行全面的仿真。目前国内外研究人员在加工过程仿真方面做了许多工作，如美国Maryland大学开发了用于培训数控操作人员的虚拟数控机床仿真器。同济大学研制的数控程序微机动画仿真系统。清华大学CIMS工程研究中心开发的“通用加工过程仿真器”等等，但目前的虚拟系统都属于几何仿真的范畴，将刀具与零件视为刚体，不考虑切削参数、切削力及其他物理因素对切削加工的影响，只是对数控程序进行翻译，产生刀具位置数据，并以此数据驱动机床运动部件和刀架运动，对工件进行虚拟切削，同时检查是否有干涉和碰撞。未来虚拟数控技术的主要发展方向是向物理仿真发展，包括加工精度分析，切削过程的热变形，切削力作用下的系统弹性变形、夹紧变形，以及机床的动态和静态分析等。
2虚拟数控仿真系统在中职数控教学中的应用
2.1传统数控实训教学中存在的问题
职业教育以岗位需求和职业能力为本位，突出实践技能的训练。目前很多学校都投入购置了数控设备，虽然数控机床的数量增加了很多，但仍不能满足实训教学的需要，教学只能“在黑板上开机床，在练习本上编工艺”；学生从理论学习转入实际操作缺少中间过渡环节，实训的危险性增加；实训教师在现场指导多名学生同时操作时，环境嘈杂，且很多学生围着一台机床，教学效果不好；数控机床结构复杂紧凑，学生在学习过程中观察了解机床的工作状态和工作原理及机床的机构时，观察角度受到限制等等。基于这些在实训教学中存在的问题，我们利用计算机虚拟现实技术，对数控机床的工作过程和环境进行全面的仿真,开发了《虚拟数控机床仿真实训与考核系统》。
2.2利用虚拟仿真技术实现的数控加工仿真教学系统
《虚拟数控机床仿真实训与考核系统》总体上设计了三个部分，即学习帮助、仿真实训和仿真考核。
学习帮助部分是入门学习的资源库,包括了自动操作、手动操作和学生难以掌握的对刀操作的过程。软件的核心部分是采用虚拟现实技术实现的仿真实训与考核部分，对机床、工件和刀具进行了三维实体造型，通过实体间的布尔运算来实现整个数控加工过程的仿真，系统采用OPEN GL作为图形开发引擎，使动态仿真过程变得流畅，实现了机床操作全过程仿真和加工运行的全环境仿真。学生根据图纸确定加工工艺、编制好程序后，就可以在平台上输入程序，完成对刀及零件加工的全部工作。
图2虚拟数控仿真系统
软件针对中职学生的特点，注重过程性，强调细节，增加了安全性训练和工艺性训练功能。比如背吃刀量是根据机床、工件和刀具的刚度决定的，当加工不同的材料时，其取值是不同的，学生往往给出很大的背吃刀量，而这在实际的机床上加工时，是非常危险的，我们的软件中充分考虑了这一点，教师可以根据加工需要来设置背吃刀量，当学生给出的数值过大时，系统就会提示，并停止运行，让学生养成正确的加工习惯。
考核平台，可利用试题生成工具生成试题，通过考试服务界面导入到系统，还可以导入报名表、进行成绩处理等。系统通过网络能够对实操的全过程进行考核，对编程中出现的语法错误和操作运行时发生的碰撞进行检测并扣分，考试结束后学生可查询什么地方出现了错误以及扣掉了多少分。
软件通过三个平台的设置，学生在训练的过程中发现的问题，可以在学习平台上找到答案，之后还可以通过考试系统检验自己学习的效果，使学生能够自主学习、独立操作和自我测评。
3基于《虚拟数控机床仿真实训与考核系统》课堂教学模式实验
为了检验基于《虚拟数控机床仿真实训与考核系统》的教学模式对数控技术专业教学的应用效果，选取了《数控设备与编程》，这一中职数控技术专业的主干课程。该课程在内容相同的情况下，采用《虚拟数控机床仿真实训与考核系统》后，在沈阳市装备制造工程学校的教学课时数从原来的160学时减少为120学时。我们选取开设同样课程、学生总体水平相同的两个班级作为实验研究对象，实验班为09数控1班，对照班为09数控3班，两个班均为38人，其中实验班采用基于《虚拟数控机床仿真实训与考核系统》的课堂教学模式，对照班采用传统教学模式。
通过一学年教学实践，《数控设备与编程》课程对照班与实验班教学情况如表1所示：
表1数控教学情况对比分析表
班级 09数控3班38人（对照班） 09数控1班38人（实验班）
理论教学学时 54 54
实验教学学时 16 6
实训教学学时 3周 2周
总教学学时 160 120
教学组织形式 传统的集体授课 基于数控仿真软件的小班小组教学
教学模式 理论课 教师讲解，并运用有相关示意图演示，学生听、记。 基于虚拟仿真软件的数控课课堂模式
实验课 采用先在黑板上理论讲解，再动手操作。 小组探究，仿真展示、验证，动手操作。
实训课 采用教师指导，学生操作练习。 教师布置项目，学生自主探究、仿真验证、操作练习。
实验班和对照班数控专业技能考试后测对比分析如表2所示：
表2控制班与实验班数控专业后测情况对比分析表
09数控3班38人
（对照班） 09数控1班38人
（实验班）
数控编程正确率 61％（23人） 79％（30人）
操作撞刀 17人次 5人次
工件合格率 53％（20人） 76％（29人）
4结语
《虚拟数控机床仿真实训与考核系统》在数控教学实践中起到了很好的助学和助教的作用，受到老师和学生的欢迎。系统弥补了实训设备的不足，节约了大量的实训材料的投入；仿真系统作为学生从理论学习转入实际操作过程的中间过渡环节，降低了实训的危险性；仿真软件通过三维建模，可以放大、缩小、随意旋转查看机床，直观、清晰，有良好的助教功能，改善了教学效果；学习平台的设立有助于引导学生自主学习，激发学生的学习兴趣。比如一个学生，学完数控车床的操作后，对仿真操作产生了浓厚的兴趣，自己学习了数控铣床的相关知识，编程加工出了自己的名字；对于数控操作中的难点，采用信息技术进行“虚拟现实”的仿真教学，不仅可提高操作学习的安全性，也很容易让技能操作符合规范；仿真系统扩展了课堂容量，提高了教学质量。信息化教学资源的应用打破了传统以教师为“中心”或“标准”的“说教”式教学模式，换之以师生互动、共同探究的“引导式”教学模式，师生之间变得平等。相互尊重的氛围，极大地调动了学生的学习兴趣，提高了课堂教学质量。
数控仿真软件将课堂教学的知识点和实践教学的实训点整合在一起，改变了传统教学模式，让学生在做中学、在学中做，使我们的数控教学取得了事半功倍的效果。
参考文献：
[1]张滢,刘冀伟,杨者青.NC车削加工仿真体系结构研究及实例设计[J].制造技术与机床,2004,10:18-20.
[2]周凡,潘振显,毛勋才等.虚拟制造中的数控车削过程仿真系统研究[J].新技术新工艺,2004,1:6-8.
[3]崔蔚,徐铁钢,韩卫华.虚拟培训技术及其系统开发[J].成都信息工程学院学报,2003,18(4):361-365.
[4]张潞第,朱群雄.新型虚拟现实交互建模方法[J].计算机工程,2008,1:72-77.
[5]黄明吉.虚拟数控技术及应用[M].北京:化学工业出版社,2005,6.
[6]刘启文,邱枫.虚拟现实技术在产品开发过程中的应用研究[J].武汉理工大学学报,2009,12:161-164.
[7]赵骥,朱名铨,罗琦.虚拟生产线框架及其系统开发[J].中国工程机械,2000,11(6):671-674.
[8]傅建平,巫修海.虚拟制造技术及其应用研究[J].机床与液压,2004,6:6-8.
作者简介：周文（1968-），女，四川人，沈阳市装备制造工程学校信息中心主任，高级讲师，高级工程师，计算机应用技术专业工学硕士，研究方向：教学多媒体制作。
关键词：虚拟仿真技术；数控技术专业；数控仿真软件；中职学校
中图分类号：G642
1虚拟数控仿真系统
虚拟数控技术是利用计算机来模仿真实的数控设备工作环境和工作过程的一门技术。它以计算机仿真和数控加工技术为基础，集计算机图形学、人工智能、网络技术、多媒体技术和虚拟现实技术为一体，在虚拟的条件下，对数控设备的工作过程和环境进行全面的仿真。目前国内外研究人员在加工过程仿真方面做了许多工作，如美国Maryland大学开发了用于培训数控操作人员的虚拟数控机床仿真器。同济大学研制的数控程序微机动画仿真系统。清华大学CIMS工程研究中心开发的“通用加工过程仿真器”等等，但目前的虚拟系统都属于几何仿真的范畴，将刀具与零件视为刚体，不考虑切削参数、切削力及其他物理因素对切削加工的影响，只是对数控程序进行翻译，产生刀具位置数据，并以此数据驱动机床运动部件和刀架运动，对工件进行虚拟切削，同时检查是否有干涉和碰撞。未来虚拟数控技术的主要发展方向是向物理仿真发展，包括加工精度分析，切削过程的热变形，切削力作用下的系统弹性变形、夹紧变形，以及机床的动态和静态分析等。
2虚拟数控仿真系统在中职数控教学中的应用
2.1传统数控实训教学中存在的问题
职业教育以岗位需求和职业能力为本位，突出实践技能的训练。目前很多学校都投入购置了数控设备，虽然数控机床的数量增加了很多，但仍不能满足实训教学的需要，教学只能“在黑板上开机床，在练习本上编工艺”；学生从理论学习转入实际操作缺少中间过渡环节，实训的危险性增加；实训教师在现场指导多名学生同时操作时，环境嘈杂，且很多学生围着一台机床，教学效果不好；数控机床结构复杂紧凑，学生在学习过程中观察了解机床的工作状态和工作原理及机床的机构时，观察角度受到限制等等。基于这些在实训教学中存在的问题，我们利用计算机虚拟现实技术，对数控机床的工作过程和环境进行全面的仿真,开发了《虚拟数控机床仿真实训与考核系统》。
2.2利用虚拟仿真技术实现的数控加工仿真教学系统
《虚拟数控机床仿真实训与考核系统》总体上设计了三个部分，即学习帮助、仿真实训和仿真考核。
学习帮助部分是入门学习的资源库,包括了自动操作、手动操作和学生难以掌握的对刀操作的过程。软件的核心部分是采用虚拟现实技术实现的仿真实训与考核部分，对机床、工件和刀具进行了三维实体造型，通过实体间的布尔运算来实现整个数控加工过程的仿真，系统采用OPEN GL作为图形开发引擎，使动态仿真过程变得流畅，实现了机床操作全过程仿真和加工运行的全环境仿真。学生根据图纸确定加工工艺、编制好程序后，就可以在平台上输入程序，完成对刀及零件加工的全部工作。
图2虚拟数控仿真系统
软件针对中职学生的特点，注重过程性，强调细节，增加了安全性训练和工艺性训练功能。比如背吃刀量是根据机床、工件和刀具的刚度决定的，当加工不同的材料时，其取值是不同的，学生往往给出很大的背吃刀量，而这在实际的机床上加工时，是非常危险的，我们的软件中充分考虑了这一点，教师可以根据加工需要来设置背吃刀量，当学生给出的数值过大时，系统就会提示，并停止运行，让学生养成正确的加工习惯。
考核平台，可利用试题生成工具生成试题，通过考试服务界面导入到系统，还可以导入报名表、进行成绩处理等。系统通过网络能够对实操的全过程进行考核，对编程中出现的语法错误和操作运行时发生的碰撞进行检测并扣分，考试结束后学生可查询什么地方出现了错误以及扣掉了多少分。
软件通过三个平台的设置，学生在训练的过程中发现的问题，可以在学习平台上找到答案，之后还可以通过考试系统检验自己学习的效果，使学生能够自主学习、独立操作和自我测评。
3基于《虚拟数控机床仿真实训与考核系统》课堂教学模式实验
为了检验基于《虚拟数控机床仿真实训与考核系统》的教学模式对数控技术专业教学的应用效果，选取了《数控设备与编程》，这一中职数控技术专业的主干课程。该课程在内容相同的情况下，采用《虚拟数控机床仿真实训与考核系统》后，在沈阳市装备制造工程学校的教学课时数从原来的160学时减少为120学时。我们选取开设同样课程、学生总体水平相同的两个班级作为实验研究对象，实验班为09数控1班，对照班为09数控3班，两个班均为38人，其中实验班采用基于《虚拟数控机床仿真实训与考核系统》的课堂教学模式，对照班采用传统教学模式。
通过一学年教学实践，《数控设备与编程》课程对照班与实验班教学情况如表1所示：
表1数控教学情况对比分析表
班级 09数控3班38人（对照班） 09数控1班38人（实验班）
理论教学学时 54 54
实验教学学时 16 6
实训教学学时 3周 2周
总教学学时 160 120
教学组织形式 传统的集体授课 基于数控仿真软件的小班小组教学
教学模式 理论课 教师讲解，并运用有相关示意图演示，学生听、记。 基于虚拟仿真软件的数控课课堂模式
实验课 采用先在黑板上理论讲解，再动手操作。 小组探究，仿真展示、验证，动手操作。
实训课 采用教师指导，学生操作练习。 教师布置项目，学生自主探究、仿真验证、操作练习。
实验班和对照班数控专业技能考试后测对比分析如表2所示：
表2控制班与实验班数控专业后测情况对比分析表
09数控3班38人
（对照班） 09数控1班38人
（实验班）
数控编程正确率 61％（23人） 79％（30人）
操作撞刀 17人次 5人次
工件合格率 53％（20人） 76％（29人）
4结语
《虚拟数控机床仿真实训与考核系统》在数控教学实践中起到了很好的助学和助教的作用，受到老师和学生的欢迎。系统弥补了实训设备的不足，节约了大量的实训材料的投入；仿真系统作为学生从理论学习转入实际操作过程的中间过渡环节，降低了实训的危险性；仿真软件通过三维建模，可以放大、缩小、随意旋转查看机床，直观、清晰，有良好的助教功能，改善了教学效果；学习平台的设立有助于引导学生自主学习，激发学生的学习兴趣。比如一个学生，学完数控车床的操作后，对仿真操作产生了浓厚的兴趣，自己学习了数控铣床的相关知识，编程加工出了自己的名字；对于数控操作中的难点，采用信息技术进行“虚拟现实”的仿真教学，不仅可提高操作学习的安全性，也很容易让技能操作符合规范；仿真系统扩展了课堂容量，提高了教学质量。信息化教学资源的应用打破了传统以教师为“中心”或“标准”的“说教”式教学模式，换之以师生互动、共同探究的“引导式”教学模式，师生之间变得平等。相互尊重的氛围，极大地调动了学生的学习兴趣，提高了课堂教学质量。
数控仿真软件将课堂教学的知识点和实践教学的实训点整合在一起，改变了传统教学模式，让学生在做中学、在学中做，使我们的数控教学取得了事半功倍的效果。
参考文献：
[1]张滢,刘冀伟,杨者青.NC车削加工仿真体系结构研究及实例设计[J].制造技术与机床,2004,10:18-20.
[2]周凡,潘振显,毛勋才等.虚拟制造中的数控车削过程仿真系统研究[J].新技术新工艺,2004,1:6-8.
[3]崔蔚,徐铁钢,韩卫华.虚拟培训技术及其系统开发[J].成都信息工程学院学报,2003,18(4):361-365.
[4]张潞第,朱群雄.新型虚拟现实交互建模方法[J].计算机工程,2008,1:72-77.
[5]黄明吉.虚拟数控技术及应用[M].北京:化学工业出版社,2005,6.
[6]刘启文,邱枫.虚拟现实技术在产品开发过程中的应用研究[J].武汉理工大学学报,2009,12:161-164.
[7]赵骥,朱名铨,罗琦.虚拟生产线框架及其系统开发[J].中国工程机械,2000,11(6):671-674.
[8]傅建平,巫修海.虚拟制造技术及其应用研究[J].机床与液压,2004,6:6-8.
作者简介：周文（1968-），女，四川人，沈阳市装备制造工程学校信息中心主任，高级讲师，高级工程师，计算机应用技术专业工学硕士，研究方向：教学多媒体制作。