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【摘要】文章介绍学校与企业合作引入虚拟仿真教学技术，并结合理实一体的教学改革思路提出一整套数控机床维修仿真教学系统软件的设计思路和设计方案，探索一种高效的能实现虚实结合、理实一体的全新教学培养模式。
【关键词】数控机床；虚拟仿真技术；教学模式；校企合作
数控技术应用和数控维修专业，是我校正大力建设和开发的国家级重点专业，是先进技术含量很高，且实践性极强的专业。虽然前期获得国家的大量资金投入支持，有着较完善的设备和教学实训基地，但随着教学规模的扩大，学生职业能力教学要求的提高，学生需要有更多的参与实践的机会，我们仍然感觉教学设备和工位的严重不足，及传统维修技术教学、培训模式的不便和难度。由于虚拟仿真技术已经成熟，且在应用上有独特、显著的优势，于是我们想把虚拟仿真技术引入数控技术应用及维修专业的教学、培训，在现有的教学设备的基础上再搭建一个虚拟仿真教学实训系统平台，让虚拟教学成为一种高效、强有的教学辅助手段，进一步完善我校数控相关专业教学、培训体系，促进教学改革向纵深发展。
目前相对职业学校，虚拟仿真技术的开发应用还需要企业提供强大的技术支持，经过市场的多方调研，我们选择了业内掌握有最先进的虚拟仿真技术和较强开发能力的两家企业福州艾迪参数信息技术有限公司和厦门创壹软件有限公司进行洽谈合作开发。
一、数控机床教学仿真软件系统的设计思路
数控机床教学仿真系统是以培养数控机床维修、维护人才而研发的虚拟数控机床仿真教学平台。系统的研发应由学校数控资深专业教师和数控维修企业技术骨干共同制定的教学方案、教学内容和教学方法的基础上共同讨论制定软件系统方案和功能指标，由软件技术开发公司来负责技术实现。其理念应遵循教学认知规律的基础上，利用最新的教学技术创建一种全真的职业岗位情景，以数控维修功能模块为组织架构，可实现理论教学、实操实训无缝嫁接，一种全新理实一体的教学培训模式，一种新的教学手段和方法。
二、数控机床教学仿真软件系统的具体设计方案
（一）功能模块
1.机械原理
丰富的机械结构 系统包括：加工中心的整机结构、主轴系统、工作台、和刀库结构。
还包括斜床身平床身的车床整机结构、主轴箱、尾架、拖板、刀塔和主轴的内部结构，并可查看各零部件的名称。
逼真的仿真效果 可以通过爆炸图、动态工作原理演示、360度全方位机械结构展示。
三维仿真
机械原理演示 机床类型丰富：系统可演示加工中心、数控车床的工作原理，机构部件的运动仿真。
展示形式丰富：可全景演示、内部结构的透视、剖视、360度任意旋转、缩小、放大，全方位了解每个部件的机械工作原理。
三维仿真教学
安装、拆卸 教师可按秩序安装或拆卸加工中心、数控车床及内部部件，如整机拆卸、主轴拆卸、工作台拆卸等等。操作过程有自动随机步骤提示和引导功能并提供相关教学资料和课件。让学生有知识拓展和自学完整了解真机操作过程，大大提高学员的实际动手的能力。
学员实训演练 系统可以打乱安装及拆卸过程，让学员自己探索安装和拆卸的过程，考核学员的真实的技能，为学员上真机提供坚实的基础。
考核系统 可以对学员安装和拆卸的每个步骤进行评分，自动考核学员动手能力。
2.机电控制
丰富的系统电路仿真 包含了FANUC ，Siemens 、华中数控，广州数控等系统，让学员全面了解各种电路的原理、线路连接、参数设置及故障维护。
模块电路仿真教学 教师在系统内绘制各种模块电路供学生学习电路原理。还可以根据原理图自动生成或手动布局三维仿真电路装配图，让学员可以三维仿真接线，并进行相公参数调试，如交流伺服驱动单元参数设置、变频器的参数设置等
整机电路
三维仿真 提供FANUC、Siemens、华中、广数等系统的整机电路原理图。动态形式展示电路原理，实时仿真电路的各种状态（含开关、电机、系统、通电状态等等），让学员可以真实地控制和了解电路的工作原理。
实时互动仿真 学员可以直接通过仿真系统面板输入指令或按钮，对系统的电路图进行关联操作和状态控制，学员通过仿真面板控制和学习电路的控制机制。大大缩短学生学习电路原理的过程，提升教学质量。
三维仿真
电柜装配 提供三维仿真的FANUC、Siemens、华中、广数等系统的电柜装配，学员可以根据电路原理图，装配一台仿真的电柜，包括在电柜面板上布置线槽、导轨、安装元器件等。让学员真正掌握真实的电柜部署。
三维仿真
电路接线 学员完成电柜装配后，还可以三维仿真电路接线，将电柜内的各个不同元器件用三维仿真线路接好，完成一个仿真电路，并可以自动验证接线的正确性。
虚拟现实
电路实验 学生可以在仿真的电柜中进行各种电路实验，如用万用表测量各种元器件的电压、电阻等数据，并可同步查看电路原理图，分析各种故障及原因，可以将仿真电柜与电路原理图相互结合，提高学生理解能力。
虚拟系统
参数的设
置试验 每个数控系统都要进行系统参数的设置，像回参考点的参数设置、数控机床轴参数设置、工作台进给速度的参数设置、螺距补偿参数设置等等。学生根据数控机床仿真软件提供的数控系统可以进行各种数控系统参数的调试练习。还可以学习一种系统在数控车床、数控铣床以及加工中心里的不同的参数调试，让学生走出校门就能动手调试数控系统。
3.PCL故障诊断
实时仿真
系统电路 通过系统梯形图可以实时仿真机床的电路状态，通过仿真系统可以模拟监控整个机床的运行。
梯形图编辑 可以新增、编辑、删除梯型图，全面仿真CNC梯形图，帮助学员掌握高阶系统维护知识。
仿真故障设置 教师可以在后台设置各种机床故障点，系统梯形图可以实时反馈相关的信息和状态，通过相关信息判断机床的故障点。，
故障排除考试 学员可以通过各种梯形图的反馈信息，排查系统故障，了解故障点，教师可以对学员操作进行考核。
4.管理后台
帐号管理 1. 管理员帐号的设置。
2.教师帐号的创建和修改，学生帐号的创建和修改。
3.权限管理（权限管理是用来设定教师管理学生的权限）。
考核题库管理 1．增加、修改和删除课件。
2．增加、修改、删除拆卸安装考核的模型和步骤。
3．增加、修改、删除接线连接考核的模型和接线逻辑。
4．增加、修改和删除虚拟实验考核的模型。
5．对考核的结果进行管理，为删除的考核结果提供回收站。
系统管理 1. 对加工中心、数控车床、激光干涉仪、FANUC系统、Siemens系统、华中和广数系统等的教学内容进行管理。
2．对加工中心、数控车床的实训内容进行管理。
3．增加、修改、删除系统参数和系统面板。
4．三维场景编辑，可根据教学内容修改或编辑页面文字，图片或三维场景。
（二）系统架构
（三）功能指标
（1）数控车床(包括平床身、斜床身) 及加工中心的机械结构展示(要求做到每一个机械部件(详细到每一个螺丝螺母)的3D模型能够互动显示其名称，并用3D动画直观演示数控机床内部机械结构原理及传动机制(如主轴内部机构的工作原理)。包含数控机床机械结构及原理必须具有以下模块：
（2）系统能提供数控机床所有部件的拆卸、安装实验。对数控车床(包括平床身、斜床身) 及加工中心的机械拆卸、安装要求详细到每一个螺丝的拆装，并用3D动画直观演示各零部件的拆卸、安装过程，学生实训时有可选的智能引导提示，同时必须包含以下拆装模块：
（3）FANUC、SIMENZ、广数、华中等系统的电路原理及故障排除：提供所有电路元器件的可互动3D模型，每一个元器件都具有真实的属性，提供相关的电路图编辑绘制工具，所绘制的电路可存盘可重新编辑，并能根据所绘制的电路自动生成电柜接线装配图，也可手动组装电柜接线装配图，供学生电路布线、接线实验使用，而且对学生电路接线的结果进行自动验证其正确性，并输出验证结果报告。
（4）电路接线必须包括以下模块：
并提供各类数控系统电路接线可能用到的所有线库以满足各种接线的需要。并进行相公参数调试，如交流伺服驱动单元参数设置、变频器的参数设置等。
（5）所有电路具有准确的属性，同时电路的状态可通过系统界面设置修改，老师可根据教学实验需要设置电路的状态或故障点，系统的梯形图能自动准确根据电路的状态作相应的显示。用户可通过系统操作面板输入相关指令改变电路逻辑并根据梯形图的状态变化分析判断排除系统故障。同时系统提供梯形图逻辑关系编辑输入工具，使得系统梯形图可根据需要扩展增加。
（6）每个数控系统都能进行系统参数的设置，像回参考点的参数设置、数控机床轴参数设置、工作台进给速度的参数设置、螺距补偿参数设置等等。学生根据数控机床仿真软件提供的数控系统可以进行各种数控系统参数的调试练习。还可以学习一种系统在数控车床、数控铣床以及加工中心里的不同的参数调试。
（7）系统提供逼真的3D万用表，用户可使用万用表对电路的任何各元器件或电路接线进行电路属性(电流、电压、电阻等) 的测量，用于电路故障判断与排除等。数控机床的电路故障状态可由老师通过后台编辑界面任意设置故障点，学生界面即可看到相应的故障现象，学生可根据电路图分析可能原因并利用万用表检测排除故障。
（8）实现可互动的3D激光干涉仪的结构工作原理、安装调试及数控机床的精度矫正操作步骤等。
（9）提供数控机床的拆卸、安装、故障排除及电路接线实验的考试题目编辑工具，并提供自动考核评分系统，对学生考核的操作进行完整的记录并自动判断其正确性及评分。
职业学校和企业合作，优势互补是个双赢，是职业学校的一种办学方向，随着项目合作的一步步推进，在一次次的沟通和交流中，我们的教改思路越来越清晰，我们的数控机床仿真系统的设计方案也越来越完善，能较好反映我们新的教学理念和思路，实现理实一体的教学目标。在合作过程中也是学校专业老师向企业取经学习的过程，是一次难得历炼，这些都对我校的数控相公专业建设和发展起到巨大促进作用。
参考文献
[1]严雪怡.职业教育的课程改革[J].中国职业技术教育,2006,5.
[2]李桂霞.对重新构建高等职业教学课程模式的思路[J].中国高教研究,2002,7.
[3]周家泽.李望云.教、学、做”一体化课程体系的探索[J].机械职业教育,2008,3.
作者简介：卢朝明（1971－），男，福建工业学校机械专业教学部数控组组长，讲师。
【关键词】数控机床；虚拟仿真技术；教学模式；校企合作
数控技术应用和数控维修专业，是我校正大力建设和开发的国家级重点专业，是先进技术含量很高，且实践性极强的专业。虽然前期获得国家的大量资金投入支持，有着较完善的设备和教学实训基地，但随着教学规模的扩大，学生职业能力教学要求的提高，学生需要有更多的参与实践的机会，我们仍然感觉教学设备和工位的严重不足，及传统维修技术教学、培训模式的不便和难度。由于虚拟仿真技术已经成熟，且在应用上有独特、显著的优势，于是我们想把虚拟仿真技术引入数控技术应用及维修专业的教学、培训，在现有的教学设备的基础上再搭建一个虚拟仿真教学实训系统平台，让虚拟教学成为一种高效、强有的教学辅助手段，进一步完善我校数控相关专业教学、培训体系，促进教学改革向纵深发展。
目前相对职业学校，虚拟仿真技术的开发应用还需要企业提供强大的技术支持，经过市场的多方调研，我们选择了业内掌握有最先进的虚拟仿真技术和较强开发能力的两家企业福州艾迪参数信息技术有限公司和厦门创壹软件有限公司进行洽谈合作开发。
一、数控机床教学仿真软件系统的设计思路
数控机床教学仿真系统是以培养数控机床维修、维护人才而研发的虚拟数控机床仿真教学平台。系统的研发应由学校数控资深专业教师和数控维修企业技术骨干共同制定的教学方案、教学内容和教学方法的基础上共同讨论制定软件系统方案和功能指标，由软件技术开发公司来负责技术实现。其理念应遵循教学认知规律的基础上，利用最新的教学技术创建一种全真的职业岗位情景，以数控维修功能模块为组织架构，可实现理论教学、实操实训无缝嫁接，一种全新理实一体的教学培训模式，一种新的教学手段和方法。
二、数控机床教学仿真软件系统的具体设计方案
（一）功能模块
1.机械原理
丰富的机械结构 系统包括：加工中心的整机结构、主轴系统、工作台、和刀库结构。
还包括斜床身平床身的车床整机结构、主轴箱、尾架、拖板、刀塔和主轴的内部结构，并可查看各零部件的名称。
逼真的仿真效果 可以通过爆炸图、动态工作原理演示、360度全方位机械结构展示。
三维仿真
机械原理演示 机床类型丰富：系统可演示加工中心、数控车床的工作原理，机构部件的运动仿真。
展示形式丰富：可全景演示、内部结构的透视、剖视、360度任意旋转、缩小、放大，全方位了解每个部件的机械工作原理。
三维仿真教学
安装、拆卸 教师可按秩序安装或拆卸加工中心、数控车床及内部部件，如整机拆卸、主轴拆卸、工作台拆卸等等。操作过程有自动随机步骤提示和引导功能并提供相关教学资料和课件。让学生有知识拓展和自学完整了解真机操作过程，大大提高学员的实际动手的能力。
学员实训演练 系统可以打乱安装及拆卸过程，让学员自己探索安装和拆卸的过程，考核学员的真实的技能，为学员上真机提供坚实的基础。
考核系统 可以对学员安装和拆卸的每个步骤进行评分，自动考核学员动手能力。
2.机电控制
丰富的系统电路仿真 包含了FANUC ，Siemens 、华中数控，广州数控等系统，让学员全面了解各种电路的原理、线路连接、参数设置及故障维护。
模块电路仿真教学 教师在系统内绘制各种模块电路供学生学习电路原理。还可以根据原理图自动生成或手动布局三维仿真电路装配图，让学员可以三维仿真接线，并进行相公参数调试，如交流伺服驱动单元参数设置、变频器的参数设置等
整机电路
三维仿真 提供FANUC、Siemens、华中、广数等系统的整机电路原理图。动态形式展示电路原理，实时仿真电路的各种状态（含开关、电机、系统、通电状态等等），让学员可以真实地控制和了解电路的工作原理。
实时互动仿真 学员可以直接通过仿真系统面板输入指令或按钮，对系统的电路图进行关联操作和状态控制，学员通过仿真面板控制和学习电路的控制机制。大大缩短学生学习电路原理的过程，提升教学质量。
三维仿真
电柜装配 提供三维仿真的FANUC、Siemens、华中、广数等系统的电柜装配，学员可以根据电路原理图，装配一台仿真的电柜，包括在电柜面板上布置线槽、导轨、安装元器件等。让学员真正掌握真实的电柜部署。
三维仿真
电路接线 学员完成电柜装配后，还可以三维仿真电路接线，将电柜内的各个不同元器件用三维仿真线路接好，完成一个仿真电路，并可以自动验证接线的正确性。
虚拟现实
电路实验 学生可以在仿真的电柜中进行各种电路实验，如用万用表测量各种元器件的电压、电阻等数据，并可同步查看电路原理图，分析各种故障及原因，可以将仿真电柜与电路原理图相互结合，提高学生理解能力。
虚拟系统
参数的设
置试验 每个数控系统都要进行系统参数的设置，像回参考点的参数设置、数控机床轴参数设置、工作台进给速度的参数设置、螺距补偿参数设置等等。学生根据数控机床仿真软件提供的数控系统可以进行各种数控系统参数的调试练习。还可以学习一种系统在数控车床、数控铣床以及加工中心里的不同的参数调试，让学生走出校门就能动手调试数控系统。
3.PCL故障诊断
实时仿真
系统电路 通过系统梯形图可以实时仿真机床的电路状态，通过仿真系统可以模拟监控整个机床的运行。
梯形图编辑 可以新增、编辑、删除梯型图，全面仿真CNC梯形图，帮助学员掌握高阶系统维护知识。
仿真故障设置 教师可以在后台设置各种机床故障点，系统梯形图可以实时反馈相关的信息和状态，通过相关信息判断机床的故障点。，
故障排除考试 学员可以通过各种梯形图的反馈信息，排查系统故障，了解故障点，教师可以对学员操作进行考核。
4.管理后台
帐号管理 1. 管理员帐号的设置。
2.教师帐号的创建和修改，学生帐号的创建和修改。
3.权限管理（权限管理是用来设定教师管理学生的权限）。
考核题库管理 1．增加、修改和删除课件。
2．增加、修改、删除拆卸安装考核的模型和步骤。
3．增加、修改、删除接线连接考核的模型和接线逻辑。
4．增加、修改和删除虚拟实验考核的模型。
5．对考核的结果进行管理，为删除的考核结果提供回收站。
系统管理 1. 对加工中心、数控车床、激光干涉仪、FANUC系统、Siemens系统、华中和广数系统等的教学内容进行管理。
2．对加工中心、数控车床的实训内容进行管理。
3．增加、修改、删除系统参数和系统面板。
4．三维场景编辑，可根据教学内容修改或编辑页面文字，图片或三维场景。
（二）系统架构
（三）功能指标
（1）数控车床(包括平床身、斜床身) 及加工中心的机械结构展示(要求做到每一个机械部件(详细到每一个螺丝螺母)的3D模型能够互动显示其名称，并用3D动画直观演示数控机床内部机械结构原理及传动机制(如主轴内部机构的工作原理)。包含数控机床机械结构及原理必须具有以下模块：
（2）系统能提供数控机床所有部件的拆卸、安装实验。对数控车床(包括平床身、斜床身) 及加工中心的机械拆卸、安装要求详细到每一个螺丝的拆装，并用3D动画直观演示各零部件的拆卸、安装过程，学生实训时有可选的智能引导提示，同时必须包含以下拆装模块：
（3）FANUC、SIMENZ、广数、华中等系统的电路原理及故障排除：提供所有电路元器件的可互动3D模型，每一个元器件都具有真实的属性，提供相关的电路图编辑绘制工具，所绘制的电路可存盘可重新编辑，并能根据所绘制的电路自动生成电柜接线装配图，也可手动组装电柜接线装配图，供学生电路布线、接线实验使用，而且对学生电路接线的结果进行自动验证其正确性，并输出验证结果报告。
（4）电路接线必须包括以下模块：
并提供各类数控系统电路接线可能用到的所有线库以满足各种接线的需要。并进行相公参数调试，如交流伺服驱动单元参数设置、变频器的参数设置等。
（5）所有电路具有准确的属性，同时电路的状态可通过系统界面设置修改，老师可根据教学实验需要设置电路的状态或故障点，系统的梯形图能自动准确根据电路的状态作相应的显示。用户可通过系统操作面板输入相关指令改变电路逻辑并根据梯形图的状态变化分析判断排除系统故障。同时系统提供梯形图逻辑关系编辑输入工具，使得系统梯形图可根据需要扩展增加。
（6）每个数控系统都能进行系统参数的设置，像回参考点的参数设置、数控机床轴参数设置、工作台进给速度的参数设置、螺距补偿参数设置等等。学生根据数控机床仿真软件提供的数控系统可以进行各种数控系统参数的调试练习。还可以学习一种系统在数控车床、数控铣床以及加工中心里的不同的参数调试。
（7）系统提供逼真的3D万用表，用户可使用万用表对电路的任何各元器件或电路接线进行电路属性(电流、电压、电阻等) 的测量，用于电路故障判断与排除等。数控机床的电路故障状态可由老师通过后台编辑界面任意设置故障点，学生界面即可看到相应的故障现象，学生可根据电路图分析可能原因并利用万用表检测排除故障。
（8）实现可互动的3D激光干涉仪的结构工作原理、安装调试及数控机床的精度矫正操作步骤等。
（9）提供数控机床的拆卸、安装、故障排除及电路接线实验的考试题目编辑工具，并提供自动考核评分系统，对学生考核的操作进行完整的记录并自动判断其正确性及评分。
职业学校和企业合作，优势互补是个双赢，是职业学校的一种办学方向，随着项目合作的一步步推进，在一次次的沟通和交流中，我们的教改思路越来越清晰，我们的数控机床仿真系统的设计方案也越来越完善，能较好反映我们新的教学理念和思路，实现理实一体的教学目标。在合作过程中也是学校专业老师向企业取经学习的过程，是一次难得历炼，这些都对我校的数控相公专业建设和发展起到巨大促进作用。
参考文献
[1]严雪怡.职业教育的课程改革[J].中国职业技术教育,2006,5.
[2]李桂霞.对重新构建高等职业教学课程模式的思路[J].中国高教研究,2002,7.
[3]周家泽.李望云.教、学、做”一体化课程体系的探索[J].机械职业教育,2008,3.
作者简介：卢朝明（1971－），男，福建工业学校机械专业教学部数控组组长，讲师。