虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械拆裝教學(xué)中的應(yīng)用

張偉雄 成玲 張文福

摘要：利用SolidWorks建立數(shù)控車床的三維實(shí)體模型，并將模型導(dǎo)入Composer平臺，完成功能設(shè)計和人機(jī)界面設(shè)計，形成一個完整的虛擬仿真輔助教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可直觀、真實(shí)、多角度地再現(xiàn)數(shù)控車床的工作原理、零部件結(jié)構(gòu)、裝配關(guān)系及裝拆流程，使用該系統(tǒng)有效延伸了學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)床結(jié)構(gòu)和進(jìn)行拆裝訓(xùn)練的時間和空間，明顯提高了課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：虛擬裝配;實(shí)踐教學(xué);Composer

0? ? 引言

拆裝實(shí)訓(xùn)是工科培養(yǎng)學(xué)生動手能力的實(shí)訓(xùn)課，它既能幫助學(xué)生鞏固理論知識、拓寬知識面、提高分析問題與解決問題的能力，又為后續(xù)的專業(yè)課程學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。由于實(shí)訓(xùn)設(shè)備損壞、零部件丟失、實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)量不足以及實(shí)訓(xùn)車間的空間和開放時間等諸多因素的影響，許多院校在組織實(shí)施傳統(tǒng)的機(jī)械拆裝實(shí)訓(xùn)教學(xué)時，常常是多人一組，按組輪流進(jìn)行拆裝實(shí)訓(xùn)，最后能夠落實(shí)到學(xué)生個人的拆裝時間非常有限，嚴(yán)重影響了學(xué)習(xí)效果。另一方面，拆裝實(shí)訓(xùn)過程還具有一定的危險性和安全隱患，一不小心極易產(chǎn)生人身意外傷害。計算機(jī)虛擬仿真教學(xué)則很好地解決了以上問題，它通過計算機(jī)數(shù)字建模與仿真技術(shù)模擬機(jī)械拆裝全過程，使學(xué)員能夠在計算機(jī)虛擬環(huán)境下學(xué)習(xí)復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)特征、工作原理與故障診斷，觀看設(shè)備功能演示等，學(xué)習(xí)不再受時間、設(shè)備和實(shí)訓(xùn)室環(huán)境限制，增加了學(xué)習(xí)機(jī)會，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效果。

1? ? 系統(tǒng)設(shè)計方案

SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，其功能強(qiáng)大，組件繁多，易學(xué)易用，是一種領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。Composer是達(dá)索公司開發(fā)的一款圖形交互軟件，常常用于制作創(chuàng)新的三維互動市場營銷相關(guān)材料、產(chǎn)品手冊、裝配指令和培訓(xùn)材料等，現(xiàn)已集成到SolidWorks環(huán)境中，兩者無縫對接。當(dāng)然，Composer支持的3D文件格式不僅僅限于SolidWorks，還支持CATIA、Pro/E、UG、IGES和STEP等常用3D圖形格式。

設(shè)計方案如下：首先利用三維建模軟件Solid-

Works建立CK0632數(shù)控車床的三維模型，然后將建立的三維模型導(dǎo)入Composer平臺，根據(jù)數(shù)控車床拆裝實(shí)訓(xùn)要求進(jìn)行功能設(shè)計和人機(jī)界面設(shè)計，利用Composer的虛擬裝配、動畫仿真、視角導(dǎo)覽和強(qiáng)大的digger功能進(jìn)行機(jī)床的結(jié)構(gòu)展示，全方位、多角度地呈現(xiàn)機(jī)床拆裝訓(xùn)練及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特寫等教學(xué)內(nèi)容。系統(tǒng)功能設(shè)計方案如圖1所示，在數(shù)控車床虛擬輔助教學(xué)系統(tǒng)下，每位學(xué)員都可以對機(jī)床進(jìn)行虛擬拆裝，查看重要零件關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征。而鼠標(biāo)操作、系列3D畫面以及動畫交互等功能增強(qiáng)了教學(xué)內(nèi)容的趣味性和主動性，從而提高了學(xué)習(xí)效果。

2? ? 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用

通過Solidworks創(chuàng)建的CK0632數(shù)控車床三維實(shí)體模型如圖2所示。將其導(dǎo)入Composer平臺，通過該平臺的功能設(shè)置、截面剖視圖、局部透明度、視頻動畫等功能可以清晰地了解CK0632機(jī)床的裝配關(guān)系及工作原理。結(jié)合CK0632數(shù)控車床的拆裝作業(yè)指導(dǎo)書，學(xué)生可以在3D模型的虛擬環(huán)境中進(jìn)行拆裝訓(xùn)練，從而對數(shù)控車床內(nèi)部結(jié)構(gòu)及拆裝流程有更深刻的認(rèn)識，最終達(dá)到較高的學(xué)習(xí)效率和較好的學(xué)習(xí)效果。如CK0632數(shù)控車床主要零部件拆解如圖3所示，其主要由車床底座、床身、轉(zhuǎn)塔刀架、主軸箱、大拖板、小拖板、Z軸驅(qū)動部件、X軸驅(qū)動部件和尾座等幾部分組成。

Composer的digger功能可以輕松展示CK0632數(shù)控車床內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征：通過洋蔥皮功能，剖切設(shè)置和焦點(diǎn)特寫等操作，可以獲取機(jī)床結(jié)構(gòu)的任何細(xì)節(jié)信息。數(shù)控車床虛擬拆裝系統(tǒng)主要分為結(jié)構(gòu)原理、功能操作和拆裝訓(xùn)練等三個模塊，系統(tǒng)首頁如圖4所示。一級面板有三個，分別是結(jié)構(gòu)原理、功能操作、拆裝訓(xùn)練。其中結(jié)構(gòu)原理主要包括主軸、轉(zhuǎn)塔刀架、防護(hù)罩、X軸驅(qū)動部件、Z軸驅(qū)動部件、尾座、床身和底座等部件的結(jié)構(gòu)展示;功能操作主要用于控制數(shù)控機(jī)床前后左右移動以及主軸的正反轉(zhuǎn)等;拆裝訓(xùn)練下面有三個模塊：X軸拆裝、Z軸拆裝和尾座拆裝。

點(diǎn)擊“功能操作”面板，進(jìn)入功能操作二級頁面，如圖5所示，圖標(biāo)為返回首頁按鍵，右上角的上、下、左、右箭頭分別是X軸負(fù)、X軸正、Z軸負(fù)和Z軸正的操作按鍵，右下角的旋轉(zhuǎn)圖標(biāo)則為主軸正轉(zhuǎn)和主軸反轉(zhuǎn)按鍵。如點(diǎn)擊“X軸負(fù)”，則進(jìn)入X軸移動頁面，播放X軸移動效果。

3? ? 結(jié)論

（1）基于Composer平臺創(chuàng)建的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)讓操作者通過鼠標(biāo)、鍵盤即可控制機(jī)床的移動與操作，自主選擇裝配順序和路徑，了解數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)原理，完成操作訓(xùn)練工作，很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的諸多缺點(diǎn)與不足。

（2）Composer可以快速輕松地創(chuàng)建爆炸視圖、特寫焦點(diǎn)、互動動畫、技術(shù)插圖、高分辨率圖像、零件清單和交互式物料清單等文件，故該技術(shù)方案不僅僅適用于學(xué)校的拆裝實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)，在企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)、效果展示和技術(shù)培訓(xùn)中都具有廣泛的應(yīng)用前景。

收稿日期：2020-09-04

作者簡介：張偉雄（1980—），男，廣東惠東人，工程碩士，機(jī)械工程講師，主要從事虛擬仿真研究與非標(biāo)機(jī)械設(shè)計教學(xué)工作。