车床加工及安全虚拟仿真实验

实验简介

所属分类:机械学

实验学时:2               实验操作步数:13

实验项目负责人:张学军    联系电话:13951922169

本实验项目根据工程训练课程的人才培养目标而设置,依托国家级虚拟仿真实验教学中心及省品牌专业的支撑,以培养学生的工程素养、工程能力、金属加工工艺为出发点,特别是在实际普通车床加工零件作品时的安全规范操作,只能口头或指导警示,产生安全事故及后果的加工无法真实教学演示,也无法真实感受误操作的危害及后果;通过本实验项目的实习学生可以亲自动手经历一个机械产品从毛坯到完成的全加工过程,让学生初步熟悉实际真实的工程制造,对工程、维护、规划设计、环保等工程应用人才所需要的工艺知识、技能、素质起到很好的支撑作用。

降低操作风险

在车床教学方面,尤其对于刚开始操作机床的学生而言,在车间操作实习的传统教学方法,存在操作中易发生安全事故等不足,而且产生的危害及后果无法演示,普通车床实训教学有很大的时间和空间限制。并且国内针对普通车床加工安全所开发的教学产品较少。针对以上问题,并借鉴虚拟现实技术在其他领域应用的经验,开发了普通车床加工安全教学系统。在安全防护、结构认知、安全操作、安全考核等四个方面对教学系统进行了较详细的阐述。该教学系统从提高学习兴趣、开拓视野、提高学习自主性等角度出发,为学生提供了学习、操作、考核模块。通过实验应用表明,车床虚拟仿真教学系统从声、光、色等多维度感受操作安全事故,强化安全意识,是对实际车床实训内容的补充,有效降低操作实际车床可能存在的风险、提高学生课堂学习兴趣等方面具有显著效果

熟练操作步骤

普通车床加工安全虚拟仿真,利用虚拟现实技术对实践教学环境、车床、操作规程建立虚拟仿真实训平台,使学生在虚拟仿真环境下进行反复的仿真操作,增加对工艺流程的熟练度和安全操作常识,然后再进行真实的动手实践操作。通过安全操作模块,使学生具备运用普通车床加工零件的能力,能完成一般零件的车削加工;能正确识读零件图并能根据可切削加工特性和工件材料的性能合理选择加工刀具;能确定加工方案、根据零件的结构性能合理选择、正确装夹工件。并能对操作步骤反复练习,对加工零件的安全问题进行分析并提出解决方案。

掌握工艺流程

典型零件的车削加工,首先由学生安排加工工艺流程,若工艺顺序安排错误则为语音提示,学生可在教师的指导下进行改进。同时系统还存在语音帮助功能,帮助学生能正确合理的安排加工工艺,工艺顺序安排完成后,系统会对该零件进行虚拟加工展示。通过虚拟仿真可使学生对典型零件进行工艺安排,模拟加工,对加工中可能出现的问题做到及早发现和改进。

熟悉系统

使用火狐浏览器或Chrome浏览器输入 http://180.209.98.49:8080,或在首页点击进入仿真实验。

等待加载程序打开输入姓名和学号进行登录。如下图所示。

模式选择

在交互式工艺流程模块中主要存在三种模式:

学习模式:该模式下,学生学习车床基本结构及机械原理,学生点击鼠标可以静态和动态按步骤学习各车床部件名称。

训练模式:该模式下,学生以安全操作的流程为目的,此时学生需要单步操作车床,操作错误会有报警提示。

考核模式:学生采用该模式可以对自己的学习过程在规定的时间内进行自测,提交后能看到正确答案,题目为随机。

事故案例

进入程序以后,事故案例告知普通车床的操作过程中,安全知识的必要性。通过详细的事故经过和事故分析,让学生提高安全意识,敲响安全警钟。如下图所示。

操作规程

具体的安全须知讲解,学生明确机械加工的注意事项,不能违规操作,否则安全生命危险。如下图所示。

安全防护

对照安全操作规程,学生自主选择“安全五件宝”。即安全帽、安全鞋、手套、安全服、防护眼罩。选择正确进入车床学习和操作,否则要做重新选择。如下图所示。

提醒操作者务必了解了安全防护的重要性以后才进入下一个认知学习模块。

结构认知

点击结构认知,了解普通车床的结构,组成,以及工作原理,

(1)静态环境 鼠标左键点击模型可以看到结构的名称及相互位置关系。

(2)动态模式 熟悉车床主轴箱内部传动原理,进一步了解内部结构,传动方式。

开关机

(1)检查油压、气压、开关、电气等系统是否正常,然后打开电源总开关,启动车床,操作车床的各个坐标轴返回普通车床参考点,以保证普通车床的后续操作正常无误。

(2)检查普通车床各系统的运行情况是否正常。

工件装夹

按照机械加工工艺流程,根据工件的材料特性,装夹工件。如下图所示。

工件的夹牢操作由滑条提醒,须拧满夹紧,不然在开机之后会发生工件未夹牢,飞出伤人事件。如下图所示

车刀安装

车床的加工范围较广,不同的加工形状需要不同的车刀切削。所以工具箱上放有三种不同车刀,供学生选择。如下图所示。

工件试切

(1)操作人员离转盘太近,容易发生缠绕事件

(2)车刀离卡盘太近,易发生车刀崩坏,甚至飞出伤人事件,预设蓝色安全区域控制,使学员在操作时明确安全范围,鼠标点击大托盘和小托盘进行顺时针旋转,达到遥控托盘靠近工件的效果。超越安全区域会提示错误。如下图所示。

零件加工

本模块在操作的环节不给与任何提醒,完全发挥学员的自由操作,教学软件中可自由交互,学员须按照正常的操作流程进行操作,在打开开关的状态下可以开启运转进行添加工件模拟车削工作。显示操作提示快捷键。如下入图所示。

车床维护

操作完毕,关闭电源开关、卸下工件、车刀。打扫车床,点击油壶要给车床加润滑油。如下入图所示。

安全考核

安全考核模块分为选择题和判断题,针对车床的学习进行选择,提交答案以后可以看到成绩,题库为随机题库,不同用户打开会有不同的题目进行考核,分数一致。如下入图所示。

考核基本原则是:

(1)课程考核目的是科学全面地评价学生的综合素质,强化知识应用能力、工程实践能力和创新能力的考核,把注重考核实践能力、全面考核、过程考核等理念贯穿到课程考核改革中,通过考核方式改革促进教法和学法的改进。

(2)课程考核方式向多样化转变,考核内容向注重综合能力转变,成绩评定向综合性转变,推行多种形式、各个阶段的考核方式改革。

(3)严格考核过程控制和评分标准,确保成绩评定公平、公正。

考核方案实施内容包括:

(1)考核内容。改革后课程考核在常规课程考核内容的基础上,增加对安全知识掌握环节的考核。

(2)考核方式。加工安全仿真实验成为课程过程化考核的一部分,采用现场验收方式和实验安全考核结果结合的方式进行考核。操作车床前,考核合格的学生进行车床操作,不合格的学生现场进行安全再学习,直到合格为止方可实际上普通车床操作加工零件。实验结束后学生需要完成实验报告,实验过程根据学生安全文明生产进行考核。老师最后综合安全文明、操作过程、设计完成的作品和实验报告,给出学生实践环节的成绩。

(3)考核成绩结构。课程原来的成绩构成是平时成绩(主要包括出勤和实习规范操作成绩)和加工作品成绩。引入虚拟仿真实验后,实验成绩按照其占课程总课时的比例确定。

实验考核点:

实验考核点如下表所示,实验共有6个考核点。这些考核点按照实验操作步骤依次排列。

虚拟仿真项目教学理念

依托国家级虚拟仿真实验教学中心及省品牌专业的支撑,按照南京邮电大学“大信息”的办学理念在金工实习、车床加工等教学中运用信息技术开展教学,建设中首先秉承“能实不虚”的原则,以支撑学生综合能力培养,建设中坚持做到学科交叉融合、教学与创新结合、校企联合建设与共享等理念与机制。紧紧围绕培养学生“工程认知与基础工程、现代工程、工程创新”三个层次的工程训练目标的培育体系,充分体现了实验资源与信息技术深度融合、真实加工场景与虚拟环境有机结合。

虚拟仿真项目教学内容

本虚拟项目主要将很多无法在真实车床实习中的危险及危害后果操作,通过虚拟仿真的形式表现出来。本项目将车床、车刀、工件安装、零件设计、车床操作与车削加工相结合,教学内容包含:车床操作规程及安全防护,车床部件结构,动态显示传动原理,零件设计、车床操作、机械加工工艺流程,安全知识考核,统计反馈学习效果等。该虚拟仿真项目通过该平台对车床各部分结构及各部件在整体中的作用、传动关系等静态和动态进行仿真。尤其针对车床主轴箱,传动部件比较复杂,包括主轴组件、换向机构、传动机构、制动装置、操纵机构和润滑装置等。动态显示各个部位,不同角度,让学生有更清晰的理解和掌握。学生在操作车床出现卡盘扳手忘记取下来等常见失误时,车床会及时发出形象化的声效,提醒操作者此处会有生命危险。在实际车床操作过程中,学生提高安全警惕性。学生可根据该模块提供的模拟加工仿真效果掌握车削加工工艺,进而对一些典型零件的加工工艺进行设计,若安装、刀具、加工顺序任一选择错误,系统会出现红色报警,选择帮助选项提供规范加工操作,保证学生学习了解正确的加工工艺顺序。

虚拟仿真项目教学方式方法与开放运行

基于本虚拟仿真实验项目,教学中不仅可以有真实的车床加工操作及理论知识点,更为学生建立了一个直观的机床运行及工作机理,从原理到具体通过虚拟仿真手段加以实现。仿真软件通过远程方式用户终端可以实现接入,实现了真正意义的时间和空间上全开放。虚拟车床加工场景中虚拟车床的仿真的加工效果使学生不必去实习车间就能形象的感受到车床的加工过程,打破了空间、时间的限制。学生主动地操作车床模型的同时注意着教学软件上虚拟车床的工作效果,车床模型和虚拟车床把学生的眼、耳、手、脑同时调动起来,使学生的学习效果更好,并且安全性高,不会因操作失误发生危险。教学软件将虚拟现实技术与电子信息技术相结合,实现车床模型与虚拟车床同步、操作与仿真结合,以很低的成本将 CA6136车床的操作和效果集合到计算机上,弥补了普通车床加工操作中易出现安全事故及严重事故后果无法在实际普通车床中进行实际演示的实验教学条件的不足。

评价体系

本虚拟仿真项目对学生在线虚拟仿真加工过程中的交互操作全过程进行考核评价,学生对车床操作规程及安全防护,车床部件结构动态显示传动原理的理解,零件设计、机械加工工艺流程,安全知识考核,系统统计反馈学习考核的结果;教师结合学生的平时成绩、加工过程及作品成绩及实验报告的成绩给出实验综合评价成绩。本虚拟仿真实验项目的应用很好的解决了学生安全过程操作以及安全加工无法记录考核的困难,提高了教学的效果及考核体系。

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