數(shù)控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建*

滕 凱，馬秀麗

(1.徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018；2.徐州機(jī)電技師學(xué)院，江蘇 徐州 221131)

0 引言

隨著計算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在航空航天、智能制造、化工能源、教育教學(xué)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。數(shù)控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)就是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在虛擬制造環(huán)境中，借助視覺、聽覺及觸覺等傳感通道與虛擬環(huán)境進(jìn)行多維度的實(shí)時交互，完成程序編制、機(jī)床操作、工藝制定、加工制造等一系列工程訓(xùn)練。虛擬仿真不僅具有沉浸感和逼真性，而且還能夠降低實(shí)驗(yàn)風(fēng)險，減少資源投入，增強(qiáng)工程能力培養(yǎng)。

蔡衛(wèi)國[1]指出數(shù)控虛擬仿真彌補(bǔ)了設(shè)備老化、經(jīng)費(fèi)不足的缺陷，避免了撞刀、過切等現(xiàn)象，提高了實(shí)驗(yàn)安全性和機(jī)床利用率。李建廣等[2]以Excel表為考評數(shù)據(jù)載體，開發(fā)了數(shù)控虛擬仿真加工操作過程考核系統(tǒng)。高洪[3]將數(shù)控加工虛擬仿真項(xiàng)目與傳統(tǒng)加工虛擬仿真項(xiàng)目相結(jié)合，突破了傳統(tǒng)教學(xué)階段在時間和空間上的限制，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足，有效地提高了工程訓(xùn)練的教學(xué)效果。李淑穎等[4]將數(shù)控虛擬仿真與實(shí)際操作相結(jié)合，構(gòu)建了以項(xiàng)目驅(qū)動為導(dǎo)向的開放式實(shí)踐教學(xué)模式。

研究發(fā)現(xiàn)，數(shù)控虛擬仿真在傳統(tǒng)意義上的模擬制造基礎(chǔ)上，增加了面向加工對象模型的幾何及物理性能仿真模塊，涉及到切削力、振動、切屑形成、工件表面質(zhì)量等諸多方面[5-7]。但這也導(dǎo)致仿真系統(tǒng)變得越來越龐大、復(fù)雜，交互界面變得越來越繁瑣，增加了實(shí)驗(yàn)操作難度。同時，虛擬仿真還忽略了與傳統(tǒng)教學(xué)的融合，缺少了教學(xué)資源、實(shí)踐項(xiàng)目等多方供給，進(jìn)而弱化了其在數(shù)控技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要作用[8,9]。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生經(jīng)常遇到由于原理理解不清、實(shí)驗(yàn)路線選擇不合理、仿真操作失誤等所導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)失敗現(xiàn)象。為此，本文開發(fā)設(shè)計了一款數(shù)控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)系統(tǒng)，對實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行全程跟蹤與指導(dǎo)，切實(shí)提高虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)效。

1 實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計

在數(shù)控虛擬仿真系統(tǒng)構(gòu)架下，基于Visual Basic可視化編程環(huán)境，開發(fā)了實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作界面簡潔，人機(jī)交互友好，可實(shí)現(xiàn)與虛擬仿真系統(tǒng)交互運(yùn)行。它構(gòu)建了一個從實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃沓霭l(fā)，以實(shí)驗(yàn)向?qū)閷?dǎo)引，逐步實(shí)現(xiàn)交互仿真實(shí)驗(yàn)的輔助教學(xué)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中遇到任何問題，都可以通過實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)尋求幫助。

1.1 實(shí)驗(yàn)原理導(dǎo)引設(shè)計

實(shí)驗(yàn)原理是整個實(shí)驗(yàn)設(shè)計的指導(dǎo)思想和依據(jù)。該模塊通過索引引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入多媒體教學(xué)環(huán)節(jié)，通過調(diào)用實(shí)驗(yàn)導(dǎo)引課件、指導(dǎo)文件和視頻資源，使學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，理清?shí)驗(yàn)原理，掌握實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)，把握實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵。

1.2 實(shí)驗(yàn)向?qū)гO(shè)計

數(shù)控虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)方法與步驟是復(fù)雜多樣的，每一個學(xué)生都可以制定一個個性化的實(shí)驗(yàn)流程圖。也正因如此，部分學(xué)生很難制定出適合自己的實(shí)驗(yàn)方法與路線。實(shí)驗(yàn)向?qū)K可為學(xué)生提供經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)路線規(guī)劃示例，供其參考；此外，學(xué)生也可通過模塊提供的“導(dǎo)向工具欄”進(jìn)行人機(jī)交互，不斷探求正確合理的實(shí)驗(yàn)方法與路徑。

1.3 在線仿真交互設(shè)計

數(shù)控虛擬仿真系統(tǒng)所提供的虛擬機(jī)床本體和數(shù)控系統(tǒng)，往往與實(shí)體機(jī)床還是有一定的差別和不同，學(xué)生也很難加以明確區(qū)分[10]。為此，學(xué)生可通過實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)尋求線上或線下幫助，解決實(shí)驗(yàn)中遇到的任何問題，真正實(shí)現(xiàn)在做中學(xué)、在學(xué)中做。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程

2 實(shí)驗(yàn)原理導(dǎo)引模塊設(shè)計

2.1 PPT、Word、PDF、Excel和HTML等文檔調(diào)用

該模塊通過在Form窗體中創(chuàng)建一個OLE容器控件，可以在虛擬仿真應(yīng)用程序運(yùn)行期間預(yù)覽與調(diào)用PowerPoint課件、Word文檔、PDF指導(dǎo)手冊等文件，用以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。

在Form窗體上右鍵選擇“菜單編輯器”，完成課件導(dǎo)引的下拉菜單設(shè)計,并在窗體上創(chuàng)建一個PictureBox控件，該控件中內(nèi)嵌1個OLE控件、3個CommandButton控件。

CommandButton的“名稱”屬性分別命名為：“播放”和“關(guān)閉”；CausesValidation屬性為Ture，執(zhí)行窗體頁面上的驗(yàn)證；“播放”控件Defauit屬性為True，讓該按鈕作為缺省的活動按鈕，缺省時，按回車鍵可以觸發(fā)；“關(guān)閉”控件Cancel屬性為True，讓該按鈕作為缺省的取消按鈕，按ESC鍵可以觸發(fā)。

以“PPT”調(diào)用為例，在窗體中添加如下程序控制代碼：

Private Sub KJCall_Click() '課件調(diào)用

PPT播放

Courseware = "e:Microsoft Office PowerPoint實(shí)驗(yàn)原理.ppt"

OLE2.SourceDoc = Courseware '將對象插入，以便程序調(diào)用

OLE2.SourceItem = Courseware

OLE2.CausesValidation = True ' 失去焦點(diǎn)控件的Validate事件觸發(fā)

OLE2.Class= PowerPoint.Show.8' 設(shè)置嵌入對象的類名

OLE2. OLETypeAllowed =2-Either'設(shè)置OLE容器控件包含的對象類型

OLE2.Action = 1 '打開

End Sub

Private Sub PLAY_Click()'課件播放

OLE2.Action = 7 'DoVerb打開一個對象

Courseware = " "

End Sub

2.2 MPEG、AVI、WAV、MP4等視頻文件調(diào)用

在VB6.0中利用API函數(shù)mciSendString()來播放MPEG、AVI、WAV、MP4等多媒體文件。

在Form窗體中創(chuàng)建1個PictureBox控件，用以實(shí)現(xiàn)MCISendString()的多媒體文件播放；再創(chuàng)建多個OptionButton控件和CommandButton控件，并按照邏輯關(guān)系分別添加到各自的Frame控件中，如圖2所示。

以“AVI”視頻調(diào)用為例，在窗體中添加如下程序控制代碼：

Private Sub Form_Load()'視頻調(diào)用

Dim AVI_Name As String, AVI As String

Dim S As Integer

For S = 0 To 13

Option1(S).CausesValidation = True

……

Next S

Select Case ShiPingJX

Case 0

AVI_Name = "e:視頻強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)原理.avi"

Option1(0).Value = True

Case 1

……

End Select

mciSendString "close MyAVI", "", 0, 0 '關(guān)閉先前可能打開的avi文件

……

Picture1.ScaleMode = 3 'pixel設(shè)置Picture坐標(biāo)系單位為像素

Picture1.AutoSize = True '?picture根據(jù)載入的圖片自動調(diào)整大小

End Sub

Private Sub Command2_Click(Index As Integer) '播放/暫停

Dim s As Integer

Select Case Index

Case 0

mciSendString "play MyAVI", "", 0, 0 '播放

Case 1

mciSendString "pause MyAVI", "", 0, 0 '暫停

Case 2

Form_Unload 0 '關(guān)閉動畫文件

For s = 0 To 13

Option1(s).Value = False

Next s

Case 3

mciSendString "stop MyAVI", "", 0, 0 '停止

……

End Select

End Sub

3 實(shí)驗(yàn)向?qū)K設(shè)計

數(shù)控虛擬仿真輔助系統(tǒng)添加了實(shí)驗(yàn)導(dǎo)引“快捷工具欄”和仿真解析模塊，學(xué)生可以根據(jù)工具欄指引和仿真解析來完成實(shí)驗(yàn)[11]。

圖2 多媒體強(qiáng)化模塊

在輔助系統(tǒng)Form窗體中，創(chuàng)建1個Toolbar標(biāo)準(zhǔn)工具欄，添加1個imagelist控件，并在imagelist的相應(yīng)屬性里依次添加若干個ico圖標(biāo)文件，然后在toolbar屬性的“通用”選項(xiàng)卡的圖像列表下拉菜單選擇“imagelist”；再在“按鈕”選項(xiàng)卡，按照實(shí)驗(yàn)步驟依次插入若干個快捷操作按鈕，每一個按鈕添加其對應(yīng)的“關(guān)鍵字”、按鈕“圖像”和“工具提示文本”,如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)向?qū)?dǎo)引界面

實(shí)驗(yàn)向?qū)K的仿真解析功能實(shí)現(xiàn)，是在輔助系統(tǒng)Form窗體中插入多個個性化用戶控件，以便實(shí)時展示仿真實(shí)例的刀具路徑圖。在操作界面的PictureBox控件中，創(chuàng)建1個RichTexBox控件數(shù)組，用來顯示仿真實(shí)例加工程序；創(chuàng)建1個TexBox控件數(shù)組，用來指示當(dāng)前執(zhí)行程序段。

4 在線仿真交互模塊設(shè)計

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的在線交互系統(tǒng)采用Client/Server網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，通過TCP協(xié)議與用戶建立雙向的網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)[12]，如圖4所示。通過在線網(wǎng)絡(luò)交互平臺，實(shí)現(xiàn)師生之間的實(shí)時交互，有力保障實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。

圖4 在線仿真交互系統(tǒng)

Client/Server通訊網(wǎng)絡(luò)通過設(shè)置服務(wù)端LocalPort屬性，來設(shè)定本地偵聽端口；通過設(shè)置客戶端RemotePort屬性，來設(shè)定遠(yuǎn)程偵聽端口。兩端口屬性值均為一個其他TCP/IP應(yīng)用程序沒有使用過的整數(shù)值。

服務(wù)端使用Listen()進(jìn)入偵聽狀態(tài)，等待客戶機(jī)程序的連接請求?？蛻舳耸褂肅onnect()向服務(wù)器提出連接請求，使服務(wù)器程序產(chǎn)生ConnectionRequest事件，該事件得到一個參數(shù)requestID。 服務(wù)器端用Accept()接受客戶端的requestID請求。這樣，客戶端就可以用SendData()發(fā)送數(shù)據(jù)了。Accept()依次用上一步得到的requestID作為其參數(shù)。 當(dāng)服務(wù)端用GetData()接收到數(shù)據(jù)時，產(chǎn)生DataArrival數(shù)據(jù)到達(dá)觸發(fā)事件。服務(wù)端進(jìn)行服務(wù)處理請求，用SendData()向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，如果接受到Close事件，則關(guān)閉TCP/IP連接?？蛻舳擞肎etData()接收到應(yīng)答數(shù)據(jù)，如果接受到Close事件，則關(guān)閉TCP/IP連接。

創(chuàng)建服務(wù)端與客戶端的Winsock控件源程序如下：

Private Sub scksever_ConnectionRequest(ByVal requestID As Long)

If scksever.State <> 0 Then scksever.Close

scksever.Accept requestID

End Sub

Private Sub scksever_DataArrival(ByVal bytesTotal As Long)

'數(shù)據(jù)到達(dá)觸發(fā)

Dim strdata As String

Dim sdata As String

scksever.GetData strdata

sdata = Left$(strdata, 7)

Select Case sdata'系統(tǒng)消息

Case "SYSINFO"

xtxx = Right$(strdata, Len(strdata) - 7)'發(fā)送消息

Case "SENDINF"

sendxx = Right$(strdata, Len(strdata) - 7)

sendform.sendtxt.Text = sendxx

Case "OUITMYF"'關(guān)閉服務(wù)端

scksever.Close

scksever.Listen

Timer1.Enabled = True

Case "GETFXIF"

xtxx = Right$(strdata, Len(strdata) - 7)

End Select

End Sub

Private Sub scksever_Click() '客戶端連接

If txtip.Text = "" Then

MsgBox "請輸入IP，后連接", vbInformation, "提示"

Exit Sub

Else

KeHuDuan.Enabled = False

sckclient.RemoteHost = txtip.Text '遠(yuǎn)程計算機(jī)名(IP)

sckclient.LocalPort = 1008 '本地機(jī)通信應(yīng)用程序端口

sckclient.RemotePort = 1007

sckclient.Connect '向遠(yuǎn)程主機(jī)發(fā)出連接請求

End If

End Sub

Private Sub sckclient_DataArrival(ByVal bytesTotal As Long) 'GetdData接收到數(shù)據(jù)時觸發(fā)

……

ClassName = Space(256)

ClassName = "Shell_TrayWnd"

StartWindow = FindWindow(ClassName, vbNullString)

wnd = FindWindow(sTrayWindow, vbNullString)

sckclient.GetData sdata

myCHUFA = Left$(sdata, 7)

Select Case myCHUFA

Case "JIAOHU" '信息交互

xinxi= Right$(sdata, Len(sdata) - 7)

infoform.Refresh

infoform.Show

Case "FZJH" '仿真交互

FangZhenJiaoHu

Case "JIANCE" '在線監(jiān)測

ZaiXianJianCe

……

Case "GuanBiXT" '退出

sckclient.SendData "關(guān)閉服務(wù)端"

End

End Select

End Sub

5 結(jié)論

數(shù)控虛擬仿真雖然具有逼真性和沉浸感，但與實(shí)際操作還是有一定的差異，還不能完全用虛擬仿真代替實(shí)際數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)較好地解決了虛擬仿真與實(shí)體數(shù)控加工之間的銜接問題，拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度和廣度，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)效。