銑削虛擬仿真輔助教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于愛兵，齊少春

（寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江 寧波 315211）

0 引言

虛擬仿真技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的成果之一，具有交互性，介入性、和逼真性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高校各類學(xué)科課程的教學(xué)[1，2]?！皺C(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”是一門講述加工方法和加工工藝的專業(yè)核心課程，在高校教學(xué)體系當(dāng)中具有重要地位。但是因?yàn)樵趯?shí)際教學(xué)當(dāng)中可能會(huì)面臨著安全、教學(xué)質(zhì)量及效率、成本等一系列問題，所以將虛擬仿真技術(shù)與該課程相結(jié)合就顯得尤為重要。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)許多專業(yè)課程在虛擬仿真技術(shù)下的實(shí)際應(yīng)用做了廣泛的研究。付宏鴿等[3]根據(jù)“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”中的機(jī)床組合夾具這部分內(nèi)容，結(jié)合Vi原sual Basic 在Solid-Works 中建立的三維模型，開發(fā)設(shè)計(jì)了機(jī)床組合夾具仿真平臺(tái)，學(xué)生可以通過仿真平臺(tái)根據(jù)自己的想法將不同夾具的三維模型組合成自己想要的各種形狀，極大地促進(jìn)了學(xué)生的空間思維能力，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。葉回春等[4]根據(jù)“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”中車削等相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，結(jié)合單點(diǎn)金剛石車削超精密加工設(shè)備Freeform L，開發(fā)設(shè)計(jì)了超精密加工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，完全模擬了真實(shí)狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)操作及超精密加工工藝全過程，非常完整地為學(xué)習(xí)者提供教學(xué)資源，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效應(yīng)。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于銑削等相關(guān)知識(shí)點(diǎn)在虛擬仿真技術(shù)下的研究還較少。銑削加工的知識(shí)點(diǎn)是“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程中的重點(diǎn)內(nèi)容之一，在銑削學(xué)習(xí)過程中，對(duì)學(xué)生的思維和想象能力有一定的要求。在教學(xué)過程中，授課老師一般采用傳統(tǒng)的教學(xué)課件或者通過實(shí)際銑削操作進(jìn)行教學(xué)，但這存在著一些問題，比如：（1）在銑床上進(jìn)行銑削加工時(shí)，會(huì)有一定的安全隱患；（2）在教授銑刀幾何角度時(shí)，課本上只是給出結(jié)合一些輔助線或輔助面的二維圖片，非常抽象，學(xué)生很難了解清楚；（3）會(huì)受到銑床設(shè)備的限制，在教學(xué)過程中不能保證每位學(xué)生都能參與實(shí)際操作；（4）學(xué)生在動(dòng)手操作銑床進(jìn)行銑削的過程中，可能會(huì)由于自身的操作不當(dāng)而損壞刀具，而增加教學(xué)成本。虛擬仿真技術(shù)將課程中抽象的知識(shí)點(diǎn)通過輔助教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)模擬交互，從而達(dá)到虛擬教學(xué)的目的，可以推動(dòng)新時(shí)代教育教學(xué)的新變革[5，6]。結(jié)合銑削相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，應(yīng) 用SolidWorks 2020、3ds Max 2021、Visual Studio 2019 以及Unity 3D 2021 等軟件，設(shè)計(jì)開發(fā)的銑削虛擬輔助教學(xué)系統(tǒng)可以在一定程度上解決上述問題，這樣不僅有助于豐富授課形式，降低銑削知識(shí)的學(xué)習(xí)難度，提高學(xué)習(xí)效率及學(xué)習(xí)興趣，還消除了教學(xué)過程中可能產(chǎn)生的安全隱患和教學(xué)成本，可以讓學(xué)生更好地掌握銑削相關(guān)知識(shí)，提高教學(xué)質(zhì)量。

1 銑削教學(xué)內(nèi)容

銑削是使用多齒旋轉(zhuǎn)刀具進(jìn)行切削加工的方法之一。該方法也被應(yīng)用于加工各種溝槽、成形表面、齒輪和螺紋等。銑刀的種類繁多，但從結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上可看成是分布在圓柱體、圓錐體或特形回轉(zhuǎn)體的外緣或端面上的切削刃或鑲裝上刀齒的多齒刀具。每一個(gè)刀齒相當(dāng)于一把車刀，其切削加工特點(diǎn)與車削加工基本相同。在銑削加工中，用圓柱銑刀和面銑刀銑削平面具有代表性，故在討論銑削運(yùn)動(dòng)和銑刀的幾何角度時(shí)以這2 種刀具為主。

根據(jù)“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”中銑削相關(guān)知識(shí)內(nèi)容，其要求學(xué)生掌握的主要內(nèi)容包括：（1）2 種銑刀的幾何角度：圓柱銑刀的前角、后角、法前角、法后角和螺旋角的三維模型及其定義，面銑刀的前角、后角、主偏角和刃傾角的三維模型及其定義；（2）銑削運(yùn)動(dòng)：端銑運(yùn)動(dòng)、周銑運(yùn)動(dòng)以及2 種銑削運(yùn)動(dòng)的順銑和逆銑。

2 銑削輔助教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)流程

銑削輔助教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)流程如圖1 所示。具體過程為：（1）首先在SolidWorks 2020 軟件中繪制面銑刀以及圓周銑刀的三維模型；（2）將2 種銑刀的三維模型導(dǎo)入到3Ds Max 2021 軟件中進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化，并導(dǎo)出到Unity3D 2021 軟件中；（3）在Unity 3D 2021 軟件中創(chuàng)建銑削運(yùn)動(dòng)以及刀具幾何角度所需要的虛擬按鈕和場(chǎng)景，并在Visual Studio 2019 軟件中編寫相對(duì)應(yīng)的腳本代碼，以此來達(dá)到通過控制界面中所需按鈕和鍵盤來實(shí)現(xiàn)幾何模型和場(chǎng)景相機(jī)的切換；（4）完成系統(tǒng)的應(yīng)用模塊，并檢測(cè)所有按鈕和鍵盤的功能是否能實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的功能后，導(dǎo)出軟件。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)流程

3 銑削虛擬仿真輔助教學(xué)系統(tǒng)

銑削虛擬仿真輔助教學(xué)系統(tǒng)是以“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”這門課程為理論基礎(chǔ)設(shè)計(jì)制作而成，系統(tǒng)內(nèi)容主要包括：（1）2 種銑刀的幾何角度；（2）銑削運(yùn)動(dòng)：端銑和周銑。根據(jù)銑刀的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)以上2 部分內(nèi)容進(jìn)行了開發(fā)設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)課件中通常以二維平面示意圖的形式分解銑削加工過程，用剖面圖解釋刀具幾何角度，這種表現(xiàn)方式十分抽象，不便于學(xué)生理解。而在銑削輔助教學(xué)系統(tǒng)的虛擬空間中，操作者可以通過對(duì)鼠標(biāo)的控制，在不同的視角下觀察銑刀以及銑削過程的三維模型，再結(jié)合一些文本和輔助線等方式，這種方式會(huì)使得學(xué)生的感官更加的真實(shí)，讓學(xué)生更容易記住該部分知識(shí)點(diǎn)，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和理解銑削相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

3.1 軟件界面

點(diǎn)擊圖標(biāo)即可打開軟件，則出現(xiàn)如圖2 所示的開始界面，在此界面內(nèi)按下鍵盤上的“ESC”鍵可以關(guān)閉軟件。單擊“開始學(xué)習(xí)”按鈕進(jìn)入軟件主界面，如圖3所示，主界面兩側(cè)設(shè)置有兩組功能欄：分別為“銑削運(yùn)動(dòng)”與“銑刀的幾何角度”兩部分內(nèi)容。最常用的銑刀有2 種：圓柱銑刀和面銑刀。一般來說，學(xué)生很少會(huì)有機(jī)會(huì)接觸銑刀，但是，銑削輔助教學(xué)系統(tǒng)可以解決這個(gè)問題。軟件主界面中間的2 把銑刀的三維模型，可以通過鼠標(biāo)對(duì)其的控制，實(shí)現(xiàn)放大、縮小以及旋轉(zhuǎn)等操作，可以讓學(xué)生從任意角度觀察和學(xué)習(xí)2 種銑刀銑刀的幾何結(jié)構(gòu)，這樣能夠?qū)⒗碚撝R(shí)與實(shí)際結(jié)合起來。

圖2 軟件開始界面

圖3 軟件主界面

在開始界面按下鍵盤上的“ESC”鍵可以關(guān)閉軟件。主界面可以通過兩側(cè)界面上的按鈕分別進(jìn)入相對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)界面，“銑刀的幾何角度”還可以通過鍵盤上的按鍵來實(shí)現(xiàn)。除此之外，左上角還設(shè)置了“退出ESC”按鈕，單擊“退出ESC”鍵或者按下鍵盤上的“ESC”鍵均可返回到軟件的開始界面中。

3.2 銑刀的幾何角度

銑刀的幾何角度一直以來都是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，理解起來十分抽象，而且圓柱銑刀和面銑刀的幾何角度又存在一定的差異，因此需要借助刀具角度的參考平面以及文本說明來更好地學(xué)習(xí)和觀察2 種銑刀的幾何角度。通過點(diǎn)擊軟件主界面上任意一個(gè)角度按鈕或者通過按下鍵盤上相對(duì)應(yīng)的按鍵，則會(huì)出現(xiàn)想要學(xué)習(xí)的刀具角度的三維模型及其文字描述，并且系統(tǒng)會(huì)對(duì)三維模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，使得刀具幾何角度更加立體的展現(xiàn)出來。面銑刀的前角和后角，其他的銑刀幾何角度可以通過返回主界面通過按鈕來切換場(chǎng)景展現(xiàn)，還可以直接在當(dāng)前的角度界面內(nèi)按下鍵盤上相對(duì)應(yīng)的按鍵來直接切換場(chǎng)景視角，見圖4。在鍵盤上按下字母“Z”鍵，相機(jī)轉(zhuǎn)到圓柱銑刀的前角和后角；按“X”鍵，顯示圓柱銑刀的法前角和法后角；按“C”鍵，顯示圓柱銑刀的螺旋角；按“V”鍵，顯示面銑刀的前角和后角；按“B”鍵，顯示面銑刀的主偏角和副偏角；按“N”鍵，顯示面銑刀的刃傾角；按“M”鍵或單擊每個(gè)角度界面右上角的“返回初始主界面（M）”按鈕，則回到初始主界面。

圖4 面銑刀的前角和后角介紹

3.3 銑削運(yùn)動(dòng)

銑削運(yùn)動(dòng)分為端銑和周銑2 種銑削方式，其中又可以分為順銑和逆銑2 種形式。單擊主界面內(nèi)任意的“順銑”和“逆銑”4個(gè)按鈕，可分別進(jìn)入相對(duì)應(yīng)的銑削運(yùn)動(dòng)，因?yàn)槎算姾椭茔姷闹鬟\(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)不盡相同，所以對(duì)端銑和周銑中均加入了箭頭，如圖5 所示。在每個(gè)分界面中均有“主運(yùn)動(dòng)”“進(jìn)給運(yùn)動(dòng)”和“復(fù)位”3個(gè)按鈕，分別控制了銑削運(yùn)動(dòng)的各個(gè)狀態(tài)過程。單擊“主運(yùn)動(dòng)”按鈕后，銑刀會(huì)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，模擬實(shí)際銑削運(yùn)動(dòng)中的主運(yùn)動(dòng)過程，如圖5 中刀具旁邊的箭頭旋轉(zhuǎn)方向所示；單擊“進(jìn)給運(yùn)動(dòng)”按鈕后，銑刀或者工件作水平移動(dòng)，模擬實(shí)際銑削運(yùn)動(dòng)中的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，如圖5 中直箭頭方向所示；單擊“復(fù)位”按鈕后，銑削運(yùn)動(dòng)的主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)全部恢復(fù)初始狀態(tài)。在此過程中，單擊左上角的“退出ESC”按鈕或者按下鍵盤上的“ESC鍵”即可回到軟件的主界面。學(xué)生通過上述的軟件交互，可以直觀地學(xué)習(xí)和理解相對(duì)應(yīng)的銑削運(yùn)動(dòng)過程，同時(shí)也可以很清晰地比較兩種銑削方式的不同。

圖5 銑削運(yùn)動(dòng)界面

4 結(jié)論

（1）依據(jù)“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”中銑削等相關(guān)知識(shí)為理論研究基礎(chǔ)，應(yīng)用SolidWorks 2020、3ds Max 2021、Visual Studio 2019 以及Unity 3D 2021 等軟件為研究平臺(tái)，依托虛擬仿真技術(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)了銑削虛擬仿真輔助教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含了2 種常用銑刀（圓柱銑刀和面銑刀）的9個(gè)幾何刀具角度以及端銑運(yùn)動(dòng)和周銑運(yùn)動(dòng)，并且在幾何角度這部分將三維模型、輔助線、輔助面和文字說明的方式相結(jié)合，以此達(dá)到可以讓學(xué)生更好地掌握并理解該部分知識(shí)點(diǎn)的目的。

（2）學(xué)生在通過該系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)的過程中時(shí)，可以通過該系統(tǒng)自主學(xué)習(xí)2 種銑刀的整體結(jié)構(gòu)以及詳細(xì)的幾何角度，還可以通過系統(tǒng)界面內(nèi)的相關(guān)按鈕及鍵盤按鍵來操作三維銑刀模型，進(jìn)行銑削運(yùn)動(dòng)的分解學(xué)習(xí)，并且可以重復(fù)進(jìn)行操作，避免了實(shí)際操作時(shí)材料損耗的問題，很好模擬了真實(shí)情況下銑削運(yùn)動(dòng)的實(shí)際操作。

（3）所開發(fā)的輔助教學(xué)系統(tǒng)不僅真實(shí)還原了真實(shí)場(chǎng)景，而且還豐富了授課形式，消除了教學(xué)過程中可能產(chǎn)生的安全隱患和教學(xué)成本，降低了銑削這部分知識(shí)的學(xué)習(xí)難度，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及學(xué)習(xí)效率。