基于虛擬仿真技術(shù)的車(chē)削加工實(shí)訓(xùn)探究

時(shí)慧喆 貝廣霞 宋正陽(yáng)

摘 要：車(chē)削加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)作為工程實(shí)訓(xùn)課程中的重要環(huán)節(jié)，在實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中大多使用“指導(dǎo)教師講解演示，學(xué)生觀摩后操作”的模式，故學(xué)生實(shí)訓(xùn)操作過(guò)程存在一定的安全隱患。傳統(tǒng)的教學(xué)模式效率較低，實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果不佳，而虛擬仿真技術(shù)在改革車(chē)床傳統(tǒng)教學(xué)模式、提升學(xué)生工程素養(yǎng)方面可以起到重要作用。鑒于此，以C6132D臥式車(chē)床為基礎(chǔ)，探究了車(chē)削加工虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，對(duì)系統(tǒng)的功能與技術(shù)、教學(xué)應(yīng)用等方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)與介紹，并對(duì)系統(tǒng)投入使用時(shí)可能面臨的問(wèn)題進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：車(chē)床實(shí)訓(xùn);虛擬仿真技術(shù);工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)

0? ? 引言

在工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，傳統(tǒng)的普通車(chē)床實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目比較注重動(dòng)手操作，但是由于工程實(shí)訓(xùn)中心的設(shè)備數(shù)量不足，加上有經(jīng)驗(yàn)的實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師人數(shù)、學(xué)生實(shí)訓(xùn)操作安全等方面的限制，傳統(tǒng)車(chē)床的實(shí)訓(xùn)教學(xué)已無(wú)法滿足學(xué)生的需求[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，由計(jì)算機(jī)控制的數(shù)控車(chē)床逐步取代人工操作的普通車(chē)床，已經(jīng)成為一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)[2]，但是普通車(chē)床作為數(shù)控車(chē)床的基礎(chǔ)，依然很重要，高等學(xué)校所開(kāi)設(shè)的工程實(shí)訓(xùn)課程中仍將普通車(chē)床作為一個(gè)重要的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目[3]。

依托計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、圖像處理等技術(shù)的成熟，虛擬仿真技術(shù)已應(yīng)用于各實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目中，其能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的虛擬化、三維可視化;實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目的交互與沉浸，使學(xué)生能夠更主動(dòng)地進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作;還能解決車(chē)床實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中存在危險(xiǎn)、車(chē)床設(shè)備數(shù)量不足等問(wèn)題。與此同時(shí)，在注重工程專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的當(dāng)下，虛擬仿真技術(shù)在工程實(shí)訓(xùn)方面的應(yīng)用，對(duì)工程專(zhuān)業(yè)認(rèn)證也有著重要的加分作用[4-5]。

1? ? 車(chē)削加工虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

普通車(chē)床實(shí)訓(xùn)涉及的內(nèi)容較多，學(xué)生需要掌握的知識(shí)不僅包括刀具、夾具和切削加工基礎(chǔ)知識(shí)，還包括C6132D普通車(chē)床的相關(guān)操作知識(shí)。要想通過(guò)系統(tǒng)自學(xué)普通車(chē)床的加工操作過(guò)程，就不能抱著只是在系統(tǒng)上用鼠標(biāo)、鍵盤(pán)簡(jiǎn)單地點(diǎn)擊幾下或敲幾個(gè)按鍵的想法。使用虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)學(xué)習(xí)，學(xué)生須扎扎實(shí)實(shí)地掌握相關(guān)知識(shí)?；谶@個(gè)目的，該系統(tǒng)從設(shè)計(jì)開(kāi)始就需要有知識(shí)學(xué)習(xí)、操作演示、動(dòng)手實(shí)踐等基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)思想，給學(xué)生提供豐富的車(chē)削加工知識(shí)，通過(guò)向?qū)W生演示車(chē)削加工的實(shí)例，方便學(xué)生進(jìn)行模擬操作。因此，該系統(tǒng)應(yīng)是一個(gè)集實(shí)訓(xùn)教學(xué)與實(shí)訓(xùn)操作于一體的系統(tǒng)，同時(shí)可以依靠網(wǎng)絡(luò)打破時(shí)間、空間的限制，讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)自主實(shí)訓(xùn)。

2? ? 車(chē)削加工虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)軟件構(gòu)想

在車(chē)削加工虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中，需要模擬出一個(gè)真實(shí)的工件從毛坯到車(chē)削加工成型的過(guò)程，使學(xué)生能身臨其境地感受到車(chē)削加工的過(guò)程。AuthorWare作為備選軟件，能將圖像、聲音、圖片和動(dòng)畫(huà)等結(jié)合在一起形成一個(gè)完善的系統(tǒng);非專(zhuān)業(yè)的編程人員也能創(chuàng)造出一個(gè)與車(chē)削加工操作相關(guān)的多媒體應(yīng)用軟件。在車(chē)削加工虛擬仿真開(kāi)發(fā)方面，Visual Basic作為主要編程軟件，基于可視化編程技術(shù)與多媒體功能，能搭建出集聲音、動(dòng)畫(huà)和圖像于一體的多媒體應(yīng)用程序，營(yíng)造出與車(chē)床實(shí)際操作過(guò)程相同的實(shí)訓(xùn)環(huán)境。為了使界面更加完美，動(dòng)畫(huà)顯示更加真實(shí)，還可以使用Photoshop、Flash和3ds Max軟件來(lái)處理圖像和制作動(dòng)畫(huà)，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真系統(tǒng)的各種功能。

3? ? 車(chē)削加工虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容

車(chē)削加工虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)是2020年山東科技大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)的項(xiàng)目之一，該系統(tǒng)在人機(jī)交互界面上力求反映真實(shí)的車(chē)床加工實(shí)際操作過(guò)程，具備較強(qiáng)的真實(shí)感、順暢的交互性和一定范圍內(nèi)的容錯(cuò)性。該虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)可分為3個(gè)模塊：

3.1? ? 車(chē)削基礎(chǔ)知識(shí)模塊

該模塊主要功能是為初次參與工程實(shí)訓(xùn)的學(xué)生提供一個(gè)車(chē)削加工設(shè)備的認(rèn)知過(guò)程，學(xué)生在此模塊中可以學(xué)到車(chē)削加工的基本知識(shí)，內(nèi)容如下：

（1）車(chē)削加工實(shí)訓(xùn)目的及要求：讓學(xué)生在操作前充分掌握實(shí)訓(xùn)目的，了解與車(chē)削加工相關(guān)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

（2）車(chē)削加工實(shí)訓(xùn)安全技術(shù)要求：雖然學(xué)生通過(guò)虛擬仿真模擬車(chē)削加工過(guò)程沒(méi)有危險(xiǎn)性，但是虛擬模擬的最終目的還是要回歸于實(shí)際的操作中，因此，詳細(xì)地告知學(xué)生在實(shí)際操作過(guò)程中的注意事項(xiàng)十分必要。要明確說(shuō)明什么可以做，什么不可以做，避免學(xué)生在實(shí)際操作過(guò)程中出現(xiàn)失誤，導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)設(shè)備損壞或發(fā)生嚴(yán)重的人身傷害事故。

（3）車(chē)削加工的概念與工作原理：涉及車(chē)削加工的介紹，車(chē)削加工的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)，車(chē)削加工的范圍等，學(xué)生可多角度觀察車(chē)削加工過(guò)程。

（4）車(chē)床結(jié)構(gòu)（C6132D普通車(chē)床的結(jié)構(gòu)）：通過(guò)車(chē)床模型可多角度任意旋轉(zhuǎn)、縮放觀察車(chē)床的結(jié)構(gòu)，包括主軸箱、進(jìn)給箱、掛輪箱、床身、溜板箱、尾架、光杠、絲杠、車(chē)床上各種按鈕和手柄的功能等。

（5）常用量具：讓學(xué)生認(rèn)識(shí)常用量具，例如游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微器等，并輔以動(dòng)態(tài)圖演示常用量具的結(jié)構(gòu)及使用方法。

（6）常用車(chē)刀與夾具介紹：向?qū)W生介紹常用車(chē)刀，包括內(nèi)孔車(chē)刀、偏刀、切槽刀等，輔以車(chē)刀模型的結(jié)構(gòu)、名稱(chēng)的展示，包括夾持部分、切削部分，夾具常使用的三爪卡盤(pán)、頂尖、中心支架等，并介紹它們的主要結(jié)構(gòu)，輔以動(dòng)態(tài)模型演示不同夾具的裝夾原理。

該模塊還向?qū)W生介紹常見(jiàn)的車(chē)削加工設(shè)備，介紹車(chē)床的發(fā)展與演化過(guò)程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。此外，該模塊還提供了大量的車(chē)削設(shè)備實(shí)際加工過(guò)程的視頻錄像和動(dòng)畫(huà)演示，以便學(xué)生理解車(chē)削加工操作中車(chē)削設(shè)備的運(yùn)行情況。

3.2? ? 車(chē)削實(shí)訓(xùn)操作模塊

此模塊涉及車(chē)削加工的基本操作內(nèi)容，學(xué)生不僅能夠通過(guò)系統(tǒng)演示進(jìn)行觀察，還可以通過(guò)車(chē)削加工虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)來(lái)模擬相關(guān)操作。主要內(nèi)容如下：

（1）車(chē)刀安裝：在虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中，學(xué)生可通過(guò)三維模型動(dòng)態(tài)演示學(xué)習(xí)車(chē)刀安裝操作，并在系統(tǒng)演示后自行操作模擬安裝車(chē)刀的過(guò)程。安裝過(guò)程中需要注意，車(chē)刀安裝在方刀架上，刀尖一般應(yīng)與車(chē)床主軸中心等高。此外，車(chē)刀在方刀架上伸出的長(zhǎng)度要適宜，墊刀片要放平整，車(chē)刀與方刀架均要鎖緊。

（2）三爪卡盤(pán)安裝工件方法：三爪卡盤(pán)是車(chē)床上最常用的裝夾工具，在虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中，學(xué)生可通過(guò)三維模型動(dòng)態(tài)演示學(xué)習(xí)如何將工件安裝到三爪卡盤(pán)上，并在演示后自行模擬將工件安裝到三爪卡盤(pán)上的過(guò)程。

（3）車(chē)端面：車(chē)端面是車(chē)削加工中最基本、最常見(jiàn)的工序之一，改變的是工件的長(zhǎng)度。車(chē)端面時(shí)，車(chē)刀的刀尖應(yīng)對(duì)準(zhǔn)工件的中心，以免車(chē)出的端面中心留有凸臺(tái);當(dāng)背吃刀量較大時(shí)，容易扎刀;凸臺(tái)是逐漸車(chē)掉的，所以車(chē)端面時(shí)使用彎頭刀較為有利。

（4）車(chē)外圓：車(chē)外圓也是車(chē)削加工中最基本、最常見(jiàn)的工序之一，改變的是工件的直徑。為使車(chē)刀的主切削刃垂直于工件的軸線，可在先車(chē)好的端面上對(duì)刀，使主切削刃與端面貼平。

3.3? ? 車(chē)削實(shí)訓(xùn)考核模塊

該模塊的作用是對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核，即學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)車(chē)削加工的基本知識(shí)，以及車(chē)削加工的操作后，給學(xué)生一個(gè)具體的操作項(xiàng)目讓學(xué)生在虛擬仿真系統(tǒng)上進(jìn)行操作。在學(xué)生進(jìn)行操作的過(guò)程中，該模塊可以對(duì)學(xué)生的操作過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督預(yù)警，如果操作步驟出現(xiàn)問(wèn)題，可以及時(shí)提醒學(xué)生加以改正。在操作結(jié)束后，該模塊還能對(duì)學(xué)生的操作過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)，并給出一個(gè)分?jǐn)?shù)。這個(gè)分?jǐn)?shù)可以作為學(xué)生能否繼續(xù)參加線下車(chē)削加工實(shí)訓(xùn)的標(biāo)準(zhǔn)，此外，這個(gè)分?jǐn)?shù)還可以按一定比例折合算入學(xué)生車(chē)削加工實(shí)訓(xùn)的總成績(jī)。

4? ? 車(chē)削加工虛擬仿真存在的問(wèn)題

4.1? ? 虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)成本較高

虛擬仿真系統(tǒng)除了軟件以外還需要有相關(guān)的硬件設(shè)備，最基礎(chǔ)的設(shè)備就是計(jì)算機(jī)。學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)的鼠標(biāo)、鍵盤(pán)與虛擬仿真實(shí)訓(xùn)軟件進(jìn)行信息交互，如果想讓學(xué)生有更好的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)體驗(yàn)，還需要有相應(yīng)的配套設(shè)備，如VR眼鏡、VR數(shù)據(jù)手套、VR手柄等。這些外置設(shè)備單價(jià)較高，如果要滿足一個(gè)班的學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)的需求，那么建成一個(gè)完整的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教室的費(fèi)用就會(huì)相當(dāng)可觀。

4.2? ? 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)存在局限性

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)也有其局限性，虛擬仿真無(wú)法全面模擬實(shí)訓(xùn)過(guò)程。例如，對(duì)實(shí)訓(xùn)中出現(xiàn)的一些偶發(fā)性問(wèn)題可能無(wú)法全面模擬，學(xué)生就不能掌握其具體的解決方法，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)際操作機(jī)床的過(guò)程中遇到類(lèi)似問(wèn)題也不知道怎么處理。此外，實(shí)訓(xùn)操作中一些具體的過(guò)程，如裝刀、裝工件，以及操作過(guò)程中緊急情況下制動(dòng)的使用等內(nèi)容可能都無(wú)法涉及。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

依托虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)車(chē)削加工實(shí)訓(xùn)的虛擬仿真，建設(shè)車(chē)削加工虛擬仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車(chē)削加工實(shí)訓(xùn)的虛擬體驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生可以使用基本的計(jì)算機(jī)等設(shè)備在虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)技能、知識(shí)的交互，增強(qiáng)認(rèn)知，學(xué)習(xí)車(chē)床的基本知識(shí)、操作技能等內(nèi)容，并通過(guò)考核模塊對(duì)自主實(shí)訓(xùn)效果進(jìn)行檢驗(yàn)，提高實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)老師的教學(xué)效率，提高車(chē)削加工實(shí)訓(xùn)的質(zhì)量。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王榮校.新工科形勢(shì)下普通車(chē)床實(shí)訓(xùn)教學(xué)思考與探索[J].科學(xué)咨詢（科技·管理），2018（8）：9-10.

[2] 湯秀紅，莫足琴.車(chē)床數(shù)控加工與改造設(shè)計(jì)[J].湖南農(nóng)機(jī)，2013，40（11）：76-77.

[3] 韓德虎.高職院校校內(nèi)數(shù)控車(chē)床實(shí)訓(xùn)教學(xué)淺談[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（50）：271-272.

[4] 李世丁，黃啟昭，薛裕童，等.基于VRML的虛擬車(chē)床仿真系統(tǒng)[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2017（11）：143-144.

[5] 闞亞雄.基于虛擬仿真技術(shù)的車(chē)床工藝教學(xué)系統(tǒng)研究[J].鎮(zhèn)江高專(zhuān)學(xué)報(bào)，2020，33（3）：39-42.

收稿日期：2021-01-29

作者簡(jiǎn)介：時(shí)慧喆（1990—），男，山東萊陽(yáng)人，碩士研究生，工程師，研究方向：工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)。