基于虛擬仿真技術(shù)的機械制造在線課程教學(xué)研究

羋 天

（南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210000）

虛擬仿真是指通過計算機圖形學(xué)、仿真技術(shù)和人機交互技術(shù)將現(xiàn)實中的相關(guān)產(chǎn)品、設(shè)備虛擬化，使其能夠在計算機中進行模擬交互，從而達到虛擬操作的效果。這種技術(shù)在教育行業(yè)有著巨大的應(yīng)用前景，“十三五”規(guī)劃中就曾明確指出，“要推動大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實、人工智能等新技術(shù)在教育教學(xué)中的深入應(yīng)用”[1]。機械制造基礎(chǔ)是一門講述加工工藝、加工方法的專業(yè)課程，內(nèi)容廣泛，專業(yè)性強。其中，介紹加工原理的知識點較為直觀，而介紹加工參數(shù)的知識點較為抽象。這在學(xué)習(xí)過程中，對學(xué)生的抽象思維能力有著一定的要求。面對相關(guān)問題，以機械制造基礎(chǔ)中的車刀集合角度以及參數(shù)一章為例，聯(lián)系當(dāng)下在線教育的新形式，將虛擬仿真技術(shù)與相關(guān)課程中較為抽象的知識點相結(jié)合，開發(fā)新型交互式課件，能夠提高課件操作的交互性，表現(xiàn)的生動性，同時提升學(xué)生的參與度[2]，幫助學(xué)生更好地理解部分較為抽象的知識點。

1 當(dāng)下課程中存在的主要問題

近來由于疫情影響，高校大多通過網(wǎng)課的形式進行課程教授，在講解一些特殊的機械裝備時（如講解車刀結(jié)構(gòu)的時候），傳統(tǒng)的課程中往往使用實物演示、教具互動的形式進行講解，由于網(wǎng)課教授方式的特殊性，教師無法通過實物或模型與學(xué)生形成良好的互動，同時，傳統(tǒng)的課件在面對一些較為抽象的知識點時，不便于學(xué)生理解[3]。

以車刀組成以及角度參數(shù)一章為例，刀具幾何角度的測量是其中最為重要的知識點，刀具的幾何角度是通過將主（副）切削刃投影到輔助平面進行測量，刀具通常有3個輔助平面，分別為：基面Pr，切削平面Ps，正交平面Po。基面Pr為通過切削刃且平行于刀具安裝面的平面，切削平面Ps為與刀具的切削刃和刀具進給方向重合的平面，而正交平面Po則是垂直于切削平面Ps和基面Pr的平面。由于這3個平面都為虛擬平面，且測量刀具幾何角度時需要將刀具不同切削刃投影到相應(yīng)輔助平面上進行測量，空間轉(zhuǎn)換較為復(fù)雜。

面對此類知識點，傳統(tǒng)課件大多會采用如圖1的形式進行表現(xiàn)。這種表現(xiàn)方式十分抽象，不便于學(xué)生理解。

圖1 車刀幾何參數(shù)的傳統(tǒng)課件表現(xiàn)形式

而虛擬仿真技術(shù)可以很好的解決此類問題，使用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)的交互式課件，能夠構(gòu)建虛擬的車刀模型，并在車刀模型基礎(chǔ)上將輔助平面展示出來[4]，通過動畫將切削刃的投影過程加以演示，供教師展示講解，也能夠通過相關(guān)程序進行交互，能夠自由旋轉(zhuǎn)加工刀具，更加立體地展示刀具幾何結(jié)構(gòu)[5]。

圖2 交互式課件的表現(xiàn)形式

基于上述問題，本文以虛擬仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合車刀組成以及角度參數(shù)中較為抽象的知識點，開發(fā)交互式課件，為新的教學(xué)模式提供理論支撐。

2 課程分析以及功能需求

根據(jù)相關(guān)課程的教學(xué)目標(biāo)，這一章學(xué)生需要學(xué)習(xí)的知識點為：1）車刀的組成部分；2）用于測量車刀角度輔助平面的建立；3）車刀幾何角度測量以及參數(shù)選擇。

該部分知識點需要學(xué)生了解車刀組成部分的定義。由于部分定義在加工過程中才能夠清楚表現(xiàn)(如車刀的前刀面是切屑流過的表面)，因此需要制作虛擬車削加工動畫。車削加工中輔助平面的建立則需要根據(jù)輔助平面的定義，用動畫的形式表現(xiàn)出輔助平面設(shè)立的過程。車刀角度測量不僅僅需要表現(xiàn)出相應(yīng)角度的投影關(guān)系，不同角度結(jié)構(gòu)的刀具有不同的測量方式，因此需要制作不同種類的刀具模型，用于分別講解。同時，為了直觀地展現(xiàn)相關(guān)投影結(jié)構(gòu)，程序要能夠?qū)崿F(xiàn)自由平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等功能。系統(tǒng)的理論支撐以及設(shè)計思路如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框架以及軟件設(shè)計流程

3 系統(tǒng)開發(fā)流程以及相關(guān)功能實現(xiàn)

3.1 開發(fā)流程規(guī)劃

根據(jù)設(shè)計，交互式課件開發(fā)流程如下：1）選取具有代表性的車刀，對其進行測繪，使用solidworks建模軟件構(gòu)造車刀的模型；2）將solidworks制作得到的模型導(dǎo)入Maya軟件中進行優(yōu)化，同時使用maya制作車刀車削棒料的動畫，并將其導(dǎo)出；3）使用unity引擎開發(fā)軟件的基礎(chǔ)功能，同時優(yōu)化軟件的操作體驗，保證交互的便利性；4）最后將maya導(dǎo)出的模型以及動畫文件導(dǎo)入unity軟件中，結(jié)合相應(yīng)素材完成軟件的應(yīng)用模塊，最后將軟件打包導(dǎo)出。

3.2 課件界面設(shè)計

為了增強課件的易用性和交互性，軟件需要構(gòu)建ui界面用于控制程序的開始與結(jié)束，顯示相應(yīng)模型以及信息，構(gòu)建課件的交互界面。本課件的操作界面設(shè)計如圖4所示。

圖4 交互式課件的ui界面設(shè)計

交互式課件的ui界面主要包括刀具知識點選擇，刀具結(jié)構(gòu)觀察，切削動畫觀看，相關(guān)知識點文字介紹等功能，點擊相應(yīng)按鈕即可顯示相應(yīng)信息。

3.3 模型資源以及動畫資源制作

在講解車刀相關(guān)參數(shù)時需要用到車刀模型，車刀模型在制作過程中應(yīng)當(dāng)力求真實、形象，符合真實的車刀工作環(huán)境。車刀在加工過程中會用到多種角度的刀具，如90°偏刀、45°外圓刀、切斷刀、內(nèi)鏜刀等等，不同的車刀在使用過程中起到不同的作用，其刀具組成部分和刀具角度都存在差異，如偏刀與外援刀有1個刀尖，而切斷刀有2個刀尖。為了表現(xiàn)不同種類的刀具結(jié)構(gòu)特征，需要根據(jù)刀具的種類分別制作模型。

圖5 不同種類的刀具模型

此課程中的部分知識點結(jié)合動畫講解更加便于學(xué)生理解，如刀具結(jié)構(gòu)中的前刀面，其定義是“切削過程中鐵屑流過的表面”，為了使學(xué)生學(xué)習(xí)時更加直觀，通過maya開發(fā)刀具切削動畫，如圖5所示，并將其烘焙后導(dǎo)出unity中，在講解相關(guān)知識點時進行播放。

圖6 外圓車削動畫

3.4 基礎(chǔ)功能實現(xiàn)

交互式課件須具備一定的交互性，尤其在展示相關(guān)結(jié)構(gòu)細節(jié)時，應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)自由平移、旋轉(zhuǎn)、縮放零件的交互方式。綜合相關(guān)三維交互軟件的使用方案，筆者選擇了基于鼠標(biāo)的交互模式。具體交互效果如圖7所示。

圖7 基礎(chǔ)功能交互效果

圖6（a）、（b）、（c）為刀具不同交互方式的對比。當(dāng)用戶按下鼠標(biāo)中鍵，顯示平移圖標(biāo)，拖動鼠標(biāo)移動零件；按下右鍵，顯示旋轉(zhuǎn)圖標(biāo)，拖動旋轉(zhuǎn)零件；滑動滾輪，顯示縮放圖標(biāo)，滾動滾輪縮放零件。系統(tǒng)實時記錄零件的角度位置縮放信息，實現(xiàn)自由觀察零件的效果，實現(xiàn)基礎(chǔ)交互功能的核心代碼如下：

void Update(){

if(Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel")!= 0 ){

part.transform.localScale = new Vector3(part.transform.localScale.x + Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel"), part.transform.localScale.y + Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel"), part.transform.localScale.z + Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel"));}

if(Input.GetMouseButton(1)){

part.transform.Rotate(Vector3.down, Time.deltaTime * 200 * Input.GetAxis("Mouse X"));

part.transform.Rotate(Vector3.right, Time.deltaTime* 200 * Input.GetAxis("Mouse Y"));}

if(Input.GetMouseButton(2)){

move.gameObject.SetActive(true);

part.transform.Translate(Vector3.right * Input.GetAxis("Mouse X"));

part.transform.Translate(Vector3.up * Input.GetAxis("Mouse Y"));}}

3.5 應(yīng)用功能實現(xiàn)

為了能夠更好展示刀具切削過程以及角度參數(shù)的輔助平面和投影關(guān)系，刀具模型需要結(jié)合文字，動畫等信息進行輔助介紹。由于需要介紹的知識點較多，為了提高軟件運行效率以及開發(fā)效率，需將相關(guān)功能寫成功能腳本，可供開發(fā)人員自由配置，通過修改腳本配置，就能改變知識點的動畫序列以及介紹的文字內(nèi)容，如圖8所示。

圖8 通過腳本配置播放不同動畫以及介紹文本

其中，Introduce字段用于配置零件的介紹文本。Part_object字段用于配置當(dāng)前顯示的刀具，Need_play_animation字段用于控制當(dāng)前知識點是否需要播放動畫，Need_loop_animation用于控制動畫是否需要循環(huán)播放，Animation_player字段用于配置播放動畫的模型，Animation_name用于控制當(dāng)前動畫的名稱。具體代碼如下：

public void Knowledge_Points(){

ui_introcuce.text = introcuce;

part_onject.SetActive(true);

if(need_play_anmiation){

anmiation_player.GetComponent().Play(anmiation_name);

if(need_loop_anmiation){

if(anmiation_player.GetComponent().IsPlaying(anmiation_name)== false){

anmiation_player.GetComponent().Play(anmiation_name);}}}}

3.6 軟件發(fā)布以及網(wǎng)絡(luò)配置

開發(fā)完成的課件程序能夠通過unity自帶的發(fā)布程序發(fā)布到多個平臺，例如windows、安卓、ios以及web平臺。為了便于教師講課使用，筆者將其發(fā)布到web平臺，此處以web平臺為例，在“Build Setting”頁面中選擇“WebGl”后點擊“Build”，即可將相關(guān)程打包；最后將打好的包部署在IIS服務(wù)器，根據(jù)服務(wù)器的版本配置MIME類型文件；完成后即可通過瀏覽器訪問網(wǎng)頁，在線使用交互式課件，進行相關(guān)知識點教學(xué)。

4 基于虛擬仿真技術(shù)的交互式課件的優(yōu)點

傳統(tǒng)的課件在面對機械課程中一些較為抽象的知識點時，表達不清，同時面對當(dāng)下較為時興的網(wǎng)課教育環(huán)境，缺乏交互性是其一大弊端。而基于虛擬仿真技術(shù)的交互式課件能夠很好地彌補傳統(tǒng)課件的短板，其具有交互性強，化抽象為形象的特點，更加形象，直觀地表達機械加工中一些抽象的知識點，在不能親手使用教具展示相關(guān)刀具結(jié)構(gòu)時，交互式課件能夠更加清楚的展現(xiàn)零件的形態(tài)與結(jié)構(gòu)。相比于靜態(tài)課件，教師使用動態(tài)課件授課能使得學(xué)生注意力更加集中，這種優(yōu)勢在網(wǎng)絡(luò)授課的環(huán)境中更加明顯。學(xué)生學(xué)習(xí)的效率以及興趣得到了顯著提高，為高校的教學(xué)改革提供了新的參考。