虛實(shí)結(jié)合的數(shù)控類(lèi)實(shí)訓(xùn)課程資源開(kāi)發(fā)與教學(xué)實(shí)踐

肖冬明

摘要：因傳統(tǒng)機(jī)械類(lèi)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)受設(shè)備成本高、維護(hù)保養(yǎng)成本高等條件的制約，高校教師在課程教學(xué)與考核評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)中往往投入大而效果不佳。將虛實(shí)融合技術(shù)與技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)相結(jié)合，運(yùn)用人機(jī)交互技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行數(shù)控類(lèi)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)演示系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，以數(shù)控機(jī)床操作與拆裝實(shí)訓(xùn)課程為例，將基于虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)用于教學(xué)實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：虛擬融合技術(shù);數(shù)控機(jī)床;數(shù)控實(shí)訓(xùn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2020）22-0310-02

傳統(tǒng)數(shù)控實(shí)訓(xùn)教學(xué)與考評(píng)主要在實(shí)際設(shè)備上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但設(shè)備不足、成本較高等問(wèn)題的存在嚴(yán)重制約了教學(xué)質(zhì)量的提升。近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)獲得了較大發(fā)展，對(duì)人們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了極大影響。該技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的軍事領(lǐng)域擴(kuò)展到航空、航天、娛樂(lè)、教學(xué)培訓(xùn)、工程設(shè)計(jì)與科學(xué)研究等很多領(lǐng)域[1]?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的數(shù)控實(shí)訓(xùn)教學(xué)是指借助三維虛擬仿真技術(shù)在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建虛擬的操作環(huán)境，學(xué)生像親臨實(shí)驗(yàn)設(shè)備場(chǎng)地一樣操作設(shè)備，學(xué)生取得的學(xué)習(xí)效果不亞于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果[2]。該類(lèi)系統(tǒng)主要包括虛擬設(shè)備、虛擬操作工具、交互設(shè)備等，注重虛擬操作過(guò)程性、情境性、交互性和考核結(jié)果客觀性。為適應(yīng)產(chǎn)教融合的發(fā)展需求，本文提出將虛實(shí)融合技術(shù)與數(shù)控實(shí)訓(xùn)教學(xué)相結(jié)合，將三維虛擬環(huán)境下的人機(jī)交互技術(shù)運(yùn)用于技能實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)資源開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)虛實(shí)結(jié)合的數(shù)控機(jī)床實(shí)訓(xùn)操作系統(tǒng)，并將其用于教學(xué)實(shí)踐。

一、虛實(shí)結(jié)合的數(shù)控機(jī)床實(shí)訓(xùn)仿真教學(xué)系統(tǒng)

虛實(shí)結(jié)合的數(shù)控機(jī)床實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)是在特定范圍內(nèi)生成集逼真的視、聽(tīng)、觸覺(jué)于一體的虛擬數(shù)控加工環(huán)境，用戶操作數(shù)控面板設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的機(jī)床對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生與親臨真實(shí)環(huán)境等同的感受和體驗(yàn)。以交互式3D虛擬環(huán)境展示虛擬數(shù)控機(jī)床的基本操作和實(shí)際操作中遇到的諸多問(wèn)題，通過(guò)互動(dòng)操作使用戶可以熟悉此機(jī)床的原理和操作流程，并且模擬完成此機(jī)床的所有操作。

虛實(shí)結(jié)合的數(shù)控機(jī)床仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境由硬件與軟件兩個(gè)部分組成。選擇合適的軟硬件有助于虛實(shí)結(jié)合的數(shù)控機(jī)床實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作的順利完成。硬件部分：虛實(shí)結(jié)合的數(shù)控機(jī)床仿真系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建，用以裝載數(shù)控交互組件等硬件設(shè)備。采用Proteus軟件進(jìn)行數(shù)控面板電路仿真設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)基于USB接口開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)制作數(shù)控操縱交互面板，同時(shí)研制一種經(jīng)濟(jì)型的三維立體感成像投影設(shè)備，構(gòu)建逼真的三維交互環(huán)境。軟件部分：根據(jù)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)行為仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需求，采用面向?qū)ο蟮腣isual C++作為主開(kāi)發(fā)工具，構(gòu)建軟件框架結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)NC編譯處理器。運(yùn)用美國(guó)易用公司的虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)平臺(tái)EON對(duì)虛擬數(shù)控機(jī)床模型和虛擬加工場(chǎng)景進(jìn)行幾何變換、消隱、渲染及紋理映射、運(yùn)動(dòng)控制、邏輯處理和音效處理。

二、虛實(shí)結(jié)合的實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)的教學(xué)評(píng)價(jià)

數(shù)控技能實(shí)訓(xùn)課程對(duì)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作能力要求較高，傳統(tǒng)停留在考查書(shū)本知識(shí)的考核評(píng)價(jià)模式只能反映學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的掌握程度，而忽視了學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力。常用的考核評(píng)價(jià)方法主要有量化評(píng)價(jià)和質(zhì)性評(píng)價(jià)[3]。本文以量化評(píng)價(jià)為主要方式對(duì)實(shí)訓(xùn)課程進(jìn)行考評(píng)，為設(shè)計(jì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)考評(píng)系統(tǒng)，首先組織命題專(zhuān)家依據(jù)相關(guān)實(shí)訓(xùn)課程或技能工種確定考核范圍，設(shè)計(jì)考核內(nèi)容，制定考評(píng)等級(jí)，規(guī)定考試時(shí)限。然后以各考查知識(shí)點(diǎn)為藍(lán)本構(gòu)建與其對(duì)應(yīng)的考評(píng)情境，主要有三維可視化建模、逼真感場(chǎng)景渲染及模型優(yōu)化等。再根據(jù)考核內(nèi)容和評(píng)價(jià)方法設(shè)置考核知識(shí)點(diǎn)，合理分配各知識(shí)點(diǎn)的權(quán)重，并給出操作過(guò)程的具體得分、扣分規(guī)則。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)平臺(tái)結(jié)合高級(jí)編程語(yǔ)言將三維虛擬考評(píng)環(huán)境與考試規(guī)則進(jìn)行融合開(kāi)發(fā)，構(gòu)建考評(píng)規(guī)則庫(kù)及三維虛擬模型交互之間的映射關(guān)系。最后根據(jù)虛擬操作的規(guī)范性、正確性、所用時(shí)間及誤操作次數(shù)等交互信息綜合得出考評(píng)等級(jí)?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)考評(píng)系統(tǒng)可解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)考評(píng)中的評(píng)分難、考核不全面等難題，同時(shí)可減少考評(píng)器械的損耗、降低學(xué)生操作風(fēng)險(xiǎn)等。

三、基于數(shù)控機(jī)床操作與拆裝實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)實(shí)踐

基于數(shù)控機(jī)床操作與拆裝實(shí)訓(xùn)課程開(kāi)發(fā)虛擬的數(shù)控機(jī)床仿真系統(tǒng)（如圖2所示），將虛實(shí)結(jié)合技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控技能訓(xùn)練中，可使操作者出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)所創(chuàng)建的逼真三維虛擬環(huán)境中，與虛擬環(huán)境中的數(shù)控機(jī)床發(fā)生交互操作。

（一）虛實(shí)結(jié)合的數(shù)控機(jī)床操作與仿真

開(kāi)發(fā)出基于USB的真實(shí)機(jī)床操作面板，設(shè)計(jì)出真實(shí)數(shù)控機(jī)床操作面板與虛擬機(jī)床操作面板的接口程序，利用接口程序?qū)⒄鎸?shí)機(jī)床操作面板的操作數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到計(jì)算機(jī)CPU再傳遞到虛擬機(jī)床中，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬機(jī)床的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制。從數(shù)控機(jī)床的工件裝夾、工件尋邊、找正、對(duì)刀補(bǔ)償輸入等方面開(kāi)發(fā)了虛實(shí)結(jié)合的三維可視化仿真系統(tǒng)，并開(kāi)展相應(yīng)的教學(xué)實(shí)踐。

（二）基于NC代碼的機(jī)床切削過(guò)程的仿真

將數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程視為一個(gè)四維時(shí)空，即空間的x維、y維、z維和時(shí)間維。通過(guò)對(duì)NC代碼的編譯得到刀具及工件的運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)切削速度設(shè)定運(yùn)動(dòng)時(shí)間序列間隔，求解出刀具和工件的x、y、z值，再生成相應(yīng)的刀具掃描體，最后通過(guò)刀具掃描體與零件實(shí)體模型相交求布爾來(lái)反映零件的幾何切削過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控代碼的仿真與校驗(yàn)。

（三）機(jī)床結(jié)構(gòu)拆裝過(guò)程的自動(dòng)考評(píng)

通過(guò)VC++編程平臺(tái)對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)的拆裝過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，并構(gòu)建拆裝過(guò)程路徑數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)通過(guò)遍歷路徑數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)判別操作的正確性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)評(píng)分處理，用ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)全程記錄拆裝過(guò)程的操作情況，最后得出總評(píng)價(jià)。

四、結(jié)論

基于當(dāng)前數(shù)控機(jī)床的實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的實(shí)際需求，提出虛擬的數(shù)控機(jī)床仿真教學(xué)方案。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成數(shù)控機(jī)床、加工工件及刀具的虛擬模型，開(kāi)發(fā)針對(duì)NC代碼的實(shí)時(shí)編譯及運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)仿真，通過(guò)數(shù)控交互操作面板等人機(jī)交互設(shè)備，利用三維圖形生成技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，生成逼真的三維虛擬環(huán)境。以數(shù)控機(jī)床操作與拆裝實(shí)訓(xùn)課程為例，將研發(fā)的基于虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)控機(jī)床操作實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)用于教學(xué)實(shí)踐，有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，降低數(shù)控實(shí)訓(xùn)中材料的消耗和機(jī)床、刀具的磨損。

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Resource Development and Teaching Practice of CNC Training Course Based on Virtuality

and Reality Fusion Technology

XIAO Dong-ming

（Foshan University， Foshan， Guangdong 528225， China）

Abstract： Because of the restriction of high equipment cost and high maintenance cost in the teaching of traditional mechanical training courses， the teachers in colleges and universities often invest a lot in the teaching and assessment of the courses， but the effect is not good. In this paper， the virtuality and reality fusion technology is combined with the skill training teaching， and the human-computer interaction technology and virtual simulation technology are used to develop the teaching demonstration system of NC practical training courses. Taking the training course on CNC Machine Tool Operation and Disassembly as an example， the training simulation system based on virtual reality is used in teaching practice.

Key words： virtuality and reality fusion technology; CNC machine tools; CNC training