虛擬技術(shù)在機(jī)床拆裝教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用

陳國(guó)炎　張鎖榮　管小麗

[摘 要] 為了解決學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力差和實(shí)踐教學(xué)設(shè)備投入不足、場(chǎng)地有限的矛盾，提出將虛擬技術(shù)應(yīng)用到機(jī)床拆裝教學(xué)過(guò)程中去。解決設(shè)備投入不足和實(shí)習(xí)場(chǎng)地有限引起的問題，通過(guò)實(shí)踐證明虛擬技術(shù)在理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中可以起到平滑過(guò)渡銜接的作用。

[關(guān) 鍵 詞] 虛擬技術(shù)；實(shí)踐教學(xué)；Solidworks軟件

[中圖分類號(hào)] G712 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2017）32-0018-02

在機(jī)械設(shè)計(jì)、裝備制造、機(jī)床概論等專業(yè)課程的理論教學(xué)過(guò)程中，由于缺乏實(shí)物參照，學(xué)生學(xué)習(xí)普遍積極性不高，對(duì)所學(xué)課程內(nèi)容、專業(yè)知識(shí)一知半解，通常在理論課程學(xué)習(xí)之后，安排實(shí)踐類的現(xiàn)場(chǎng)機(jī)床拆裝課程。這樣的課程教學(xué)安排，符合“理論學(xué)習(xí)—現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐—理論運(yùn)用”人才的培養(yǎng)規(guī)律，但在實(shí)際的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)問題：（1）設(shè)備臺(tái)套數(shù)不夠；（2）教學(xué)場(chǎng)地受限；（3）設(shè)備損壞嚴(yán)重；（4）教學(xué)效果欠佳。為解決以上問題，提出了利用虛擬技術(shù)解決面向?qū)ο竽Ｊ较碌膶?shí)踐類現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)過(guò)程中存在的資源不足、場(chǎng)地有限和教學(xué)效果欠佳等問題。

一、虛擬技術(shù)概述

虛擬技術(shù)是利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，生成三維逼真的虛擬環(huán)境，使客戶成為虛擬環(huán)境的一員，進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，感知和操作虛擬世界中的各種對(duì)象，從而獲得身臨其境的感受和體驗(yàn)。

虛擬技術(shù)的基本特征是沉浸性、交互性和想象性。沉浸性是指出計(jì)算機(jī)生成的逼真的三維立體圖像，使用戶產(chǎn)生一種身臨其境的感覺，如同在真實(shí)的客觀世界一樣。交互性是指用戶能夠自然地同虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互操作，從而感知和響應(yīng)虛擬環(huán)境。想象性是指虛擬環(huán)境向用戶提供了發(fā)揮想象力的機(jī)制，能夠啟發(fā)用戶的創(chuàng)造性思維，提高感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)。

由于虛擬技術(shù)具有可操作性、真實(shí)性、可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在教育行業(yè)上為教育技術(shù)的發(fā)展提供了一個(gè)飛躍的平臺(tái)，它創(chuàng)建了“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式代之為學(xué)習(xí)者通過(guò)自身與信息環(huán)境的互動(dòng)來(lái)獲得知識(shí)和技能的新型學(xué)習(xí)方式。它已經(jīng)成為當(dāng)今教育技術(shù)和計(jì)算機(jī)多媒體輔助教學(xué)的重要發(fā)展方向之一。

二、Solidworks在普通車床拆裝實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

Solidworks是由法國(guó)達(dá)索公司開發(fā)的世界上第一個(gè)基于Windows開發(fā)的三維軟件。它集CAD/CAE/CAM于一身，因其易學(xué)易用、界面友好、操作簡(jiǎn)便、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，深受工程技術(shù)人員和大專院校師生的喜愛。

（一）機(jī)床零部件三維模型的建立

建立三維模型是應(yīng)用虛擬技術(shù)的關(guān)鍵步驟。我們以常見的CA6140A普通車床為例，該機(jī)床主要由主軸箱、進(jìn)給箱、溜板箱和其他機(jī)床附件組成。每一個(gè)部分都有其各自的功能、作用和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，且每個(gè)部件又由多個(gè)零件組成。單個(gè)零件是組成功能部件的基本單元，所以零件的三維建模是建立機(jī)床三維模型的基礎(chǔ)。

通過(guò)利用Solid works三維建模功能對(duì)每個(gè)零件進(jìn)行三維建模的建立。如表1所示，為主軸箱部分典型零件三維模型。

（二）機(jī)床三維模型的虛擬裝配

零件三維模型創(chuàng)建好之后，根據(jù)零件的裝配關(guān)系，利用Solidworks裝配體功能對(duì)部件進(jìn)行裝配，同時(shí)在裝配過(guò)程中根據(jù)裝配關(guān)系對(duì)零部件的尺寸、位置進(jìn)行虛擬配合、裝配，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件之間有速比、轉(zhuǎn)角等邏輯關(guān)系裝配時(shí)，借助軟件高級(jí)裝配功能，進(jìn)行虛擬設(shè)置與裝配，如齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、螺紋傳動(dòng)等。表2為主要部件的三維裝配圖。

（三）機(jī)床三維模型的虛擬拆卸

為便于充分展示機(jī)床各零部件之間裝配順序和位置關(guān)系，Solidworks軟件提供了爆炸視圖的表達(dá)方式，爆炸視圖的創(chuàng)建即為三維模型的拆卸過(guò)程。通過(guò)利用Solidworks提供的零件平移、旋轉(zhuǎn)、測(cè)量、標(biāo)注、剖切等功能，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)拆卸過(guò)程的完全可視化操作，使操作者仿佛置身于真實(shí)的拆卸過(guò)程中，便于學(xué)生快熟熟練地掌握部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、運(yùn)動(dòng)關(guān)系和傳動(dòng)路線，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考和理、實(shí)結(jié)合的綜合能力，也為后續(xù)實(shí)際拆卸課程做好理論鋪墊。如圖1所示，為主傳動(dòng)軸爆炸視圖。

通過(guò)上面的方法可對(duì)機(jī)床其他部件進(jìn)行分別裝拆，通過(guò)反復(fù)的模擬拆卸過(guò)程，在隨后的實(shí)際操作過(guò)程中，學(xué)生可牢記拆卸順序、步驟和注意事項(xiàng)。通過(guò)這樣的方法，使裝拆過(guò)程變得簡(jiǎn)單、直觀、易懂。這樣不僅縮短了學(xué)生實(shí)際拆裝的時(shí)間，同時(shí)還解決了實(shí)際裝拆過(guò)程中臺(tái)套數(shù)量不夠、學(xué)生裝拆過(guò)程思路和場(chǎng)面混亂等一系列問題。目前我校在機(jī)床概論相關(guān)專業(yè)課程的教學(xué)過(guò)程中，充分利用了已完成的Solidworks三維模型建模成果，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性明顯提高，取得了較好的教學(xué)效果。

三、課程教學(xué)定位

根據(jù)流程圖（圖2），課程教學(xué)涉及基礎(chǔ)專業(yè)基礎(chǔ)課程、專業(yè)選修課程，訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)、問題分析等能力。與傳統(tǒng)課程教學(xué)相比較，進(jìn)一步增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和問題分析能力，更貼近實(shí)際的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況。

四、虛擬技術(shù)在機(jī)床拆裝實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中存在的問題

實(shí)踐證明，通過(guò)利用Solidworks軟件對(duì)機(jī)床虛擬裝拆，可使理論知識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行較好的銜接，打破了傳統(tǒng)教學(xué)方式，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)很好地解決了實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中存在的一些共性問題。但同時(shí)我們也發(fā)現(xiàn)了一些問題：（1）三維模型的創(chuàng)建需要耗費(fèi)大量時(shí)間和精力，需要對(duì)Solidworks軟件與機(jī)床結(jié)構(gòu)都非常熟悉的工程專業(yè)人員才能完成；（2）實(shí)際的零件和三維模型在零件尺寸、形狀、相互位置等方面存在差異，虛擬裝拆不能完全反映實(shí)踐的裝拆情況。

綜上所述，虛擬技術(shù)在機(jī)床拆裝實(shí)踐教學(xué)中起著平滑過(guò)渡的關(guān)鍵作用，進(jìn)一步提高了機(jī)床拆裝實(shí)踐教學(xué)的效果。

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