吳 飛，楊一粟，高 尚

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430070)

?

加工中心虛擬拆裝系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用

吳 飛，楊一粟，高 尚

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430070)

為了加強(qiáng)學(xué)生在加工中心拆裝教學(xué)實(shí)踐課程中對(duì)加工中心結(jié)構(gòu)以及工作原理的認(rèn)識(shí)理解，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出了基于VR-Platform的加工中心虛擬拆裝教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在拆裝實(shí)踐課程中的使用，有效地提升了教學(xué)效率和效果，降低了設(shè)備維護(hù)成本，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)加工中心結(jié)構(gòu)原理的認(rèn)識(shí)，為機(jī)械設(shè)備的拆裝實(shí)踐課程提供了一條可以參考的方法。

加工中心 教學(xué)系統(tǒng) 虛擬拆裝 VRP

0 引言

機(jī)械專業(yè)的學(xué)生必須掌握機(jī)床拆裝相關(guān)的知識(shí)和技能。傳統(tǒng)教學(xué)方法通過播放視頻、掛圖解說等方式，讓學(xué)生對(duì)各種機(jī)床的結(jié)構(gòu)組成、工作原理有基本的認(rèn)識(shí)；然后教師再帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，通常先將機(jī)床拆解、分成各組零部件進(jìn)行講解，再進(jìn)行裝配，重復(fù)演示多次后，才能夠讓學(xué)生進(jìn)行拆卸、安裝練習(xí)[1]。但是這些教學(xué)方法在實(shí)際教學(xué)中存在有如下問題：1)為了讓學(xué)生熟悉拆裝的操作過程，教師需要進(jìn)行多次拆裝，延長(zhǎng)了教學(xué)時(shí)間；2)機(jī)電專業(yè)學(xué)生較多，而結(jié)構(gòu)完整的機(jī)床實(shí)物資源相對(duì)較少，學(xué)生必須進(jìn)行分組練習(xí)，降低了教學(xué)效率；3)學(xué)生由于理論知識(shí)不足，不能牢記拆裝方法和步驟，導(dǎo)致機(jī)床零部件損壞，不但增加了教學(xué)成本，也存在安全隱患[2]。為了解決上述問題我們開發(fā)了虛擬拆裝教學(xué)系統(tǒng)，并對(duì)其可行性進(jìn)行了分析。

1 加工中心虛擬拆裝系統(tǒng)介紹

加工中心虛擬拆裝系統(tǒng)面對(duì)的是對(duì)加工中心結(jié)構(gòu)以及工作原理不是特別熟悉的參加實(shí)踐課程的高校學(xué)生，使用此系統(tǒng)的意義和目的在于讓學(xué)生更生動(dòng)形象地了解加工中心的結(jié)構(gòu)原理、各種零部件、所選用的材料、拆裝涉及到的工藝知識(shí)、故障的判斷以及正確的拆裝方法。

本系統(tǒng)使用SolidWorks進(jìn)行建模，采用3DS Max對(duì)模型進(jìn)行材質(zhì)管理、紋理烘倍和動(dòng)畫制作等，鑒于軟件的易用性和便于技術(shù)普及，使用VR-Platform作為虛擬拆裝系統(tǒng)的開發(fā)工具[3-4]。本系統(tǒng)主要具有四大功能模塊：結(jié)構(gòu)展示、虛擬拆裝、動(dòng)畫演示、文檔調(diào)用。

(1)結(jié)構(gòu)展示

進(jìn)入教學(xué)系統(tǒng)后，用戶面前呈現(xiàn)機(jī)床的整體外觀結(jié)構(gòu)。并且通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊該工作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組名稱后可以進(jìn)入該工作系統(tǒng)的演示場(chǎng)景。本系統(tǒng)將加工中心的四大主體部分工作臺(tái)、主軸箱、立柱以及刀庫，分別點(diǎn)擊將進(jìn)入各部分的結(jié)構(gòu)展示模塊?？梢酝ㄟ^透明度以及顯隱藏來設(shè)置零部件的顯示狀態(tài)，方便觀察各零部件之間的配合以及位置關(guān)系。圖1是刀庫結(jié)構(gòu)展示界面，界面上有5個(gè)按鈕，其中“顯示隱藏”、“透明度”屬于對(duì)模型進(jìn)行操作，點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕，即可顯示工作系具體結(jié)構(gòu)組的名稱按鈕。當(dāng)點(diǎn)擊“顯示隱藏”時(shí)，結(jié)構(gòu)組分類菜單就會(huì)顯示出來，刀庫分為三大結(jié)構(gòu)組，點(diǎn)擊按鈕顯示結(jié)構(gòu)組整體結(jié)構(gòu)，點(diǎn)擊下拉選擇框顯示結(jié)構(gòu)組中的具體零件。

圖1 刀庫結(jié)構(gòu)展示界面

圖2 下拉選擇框

如圖2有些結(jié)構(gòu)組下拉選擇框零件可能較多，需要下拉顯示所有零件名稱，既可以拖動(dòng)滾動(dòng)條，也可以點(diǎn)擊滾動(dòng)條上下的箭頭，進(jìn)行滾動(dòng)選擇。

當(dāng)點(diǎn)擊“透明度”時(shí)，“顯示隱藏”下的結(jié)構(gòu)組按鈕就會(huì)消失，相應(yīng)的“透明度”底下的按鈕就會(huì)顯示。除了“顯示隱藏”“透明度”控制，有時(shí)候?yàn)榱丝辞辶慵Y(jié)構(gòu)或者在結(jié)構(gòu)組中的相對(duì)位置，需要進(jìn)行“旋轉(zhuǎn)平移”“放大縮小”操作。操作方法見界面底部。

(2)虛擬拆裝

圖3 工作臺(tái)的虛擬拆裝界面

虛擬拆裝模塊將模擬現(xiàn)實(shí)中的加工中心拆裝環(huán)境，分為裝配與拆卸兩個(gè)功能。學(xué)生首先按系統(tǒng)提供的指導(dǎo)文件進(jìn)行試拆裝，針對(duì)試拆裝中出現(xiàn)的問題不斷地改進(jìn)重新進(jìn)行拆裝練習(xí)，直至能夠快速準(zhǔn)確的正確拆裝加工中心。經(jīng)過虛擬的拆裝試驗(yàn)過后，就可以進(jìn)行實(shí)地的加工中心拆裝操作。圖3是加工中心工作臺(tái)的虛擬拆裝界面。

(3)動(dòng)畫演示

動(dòng)畫演示功能模塊能夠向?qū)W生提供正確的可供參考的加工中心拆卸演示。在觀看拆裝動(dòng)畫的過程中學(xué)生能夠了解到正確拆裝路徑以及拆裝順序的選擇，同時(shí)還可以盡量避免在虛擬拆裝中出現(xiàn)干涉碰撞等現(xiàn)象，有效地提高了虛擬拆裝的效率。以刀庫的動(dòng)畫演示過程為例，點(diǎn)擊“拖動(dòng)播放動(dòng)畫”，動(dòng)畫播放控制條就會(huì)顯示出來，拖動(dòng)滑塊即可控制結(jié)構(gòu)組分離動(dòng)畫。學(xué)生可以通過來回拖動(dòng)滑塊來仔細(xì)觀察零部件之間的裝配順序及零部件之間的配合關(guān)系，直至徹底理解裝配的順序以及裝配關(guān)系。注意，再次進(jìn)行“顯示隱藏”“透明度”控制時(shí)，需要把滑塊拖回最左端，不然結(jié)構(gòu)組零件會(huì)一直處于分離狀態(tài)。

(4)說明文檔

說明文檔調(diào)用功能則包含了加工中心在拆卸過程中涉及到的各種工藝文件，包括了各種零部件的三維以模型及二維圖紙的顯示，裝配路徑順序的選擇方法，避免干涉碰撞的指導(dǎo)文件等。以刀庫文檔的調(diào)用為例，點(diǎn)擊圖4中的說明文檔按鈕，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)打開Word格式的刀庫文檔信息文件，部分內(nèi)容如圖5。同時(shí)說明文檔的內(nèi)容可以不斷的修改更新，學(xué)生可以將自己的理解添加到說明文檔中以豐富更新說明文檔的內(nèi)容，但是更新的內(nèi)容只能本地文件中，供自己參閱，不能上傳到網(wǎng)絡(luò)庫中。

圖4 刀庫動(dòng)畫播放控制 圖5 刀庫說明文檔

2 加工中心虛擬拆裝系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用

加工中心虛擬拆裝系統(tǒng)在教學(xué)實(shí)踐課程中的應(yīng)用主要過程如下：

1)課前知識(shí)預(yù)習(xí)。在正式進(jìn)行拆裝試驗(yàn)課程之前，實(shí)驗(yàn)老師需將課程中涉及到的關(guān)于加工中心的各方面的知識(shí)編輯成電子文檔發(fā)送給參與課程實(shí)踐的學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)，以便提高上課時(shí)的效率。

2)課程內(nèi)容講解。對(duì)課程中涉及到的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)講解，重點(diǎn)介紹加工中心拆裝的拆裝順序與路徑的選擇原理，拆裝中怎么樣避免出現(xiàn)零部件之間的干涉問題，拆裝注意事項(xiàng)以及安全操作守則等。

3)虛擬裝配系統(tǒng)介紹與演示。詳細(xì)介紹加工中心虛擬裝配系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊，并進(jìn)行加工中心的虛擬拆卸過程教學(xué)演示，便于學(xué)生更快的掌握以及使用本系統(tǒng)，提高教學(xué)效果。圖6為加工中心虛擬拆裝系統(tǒng)界面。

4)虛擬拆裝。讓學(xué)生自己動(dòng)手操作加工中心虛擬拆裝系統(tǒng)，通過各個(gè)模塊的功能仔細(xì)觀察了解加工中心的機(jī)構(gòu)以及原理，同時(shí)進(jìn)行加工中心的虛擬裝配與拆卸，為之后的實(shí)地拆裝做好準(zhǔn)備。圖7為加工中心主軸箱結(jié)構(gòu)演示界面。

5)實(shí)體拆裝。在進(jìn)行了多次的虛擬拆裝后，總結(jié)虛擬拆裝中出現(xiàn)的問題，對(duì)加工中心實(shí)體進(jìn)行拆裝，將課程中學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)與實(shí)訓(xùn)課中的實(shí)踐進(jìn)行結(jié)合，更加清楚的了解了加工中心的結(jié)構(gòu)與工作原理，同時(shí)對(duì)其他機(jī)電設(shè)備的拆卸提供了參考價(jià)值。

3 加工中心虛擬拆裝系統(tǒng)的意義與價(jià)值

各大高校的機(jī)械專業(yè)都設(shè)置有機(jī)械設(shè)備的拆裝實(shí)訓(xùn)教學(xué)課程，為了將課本中的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，取得更好的教學(xué)效果，必須改善傳統(tǒng)的教學(xué)過程，提高教學(xué)效率[5]。加工中心虛擬拆裝系統(tǒng)的意義與價(jià)值體現(xiàn)在如下方面：

1)在各個(gè)學(xué)校的辦學(xué)條件不同，場(chǎng)地和設(shè)備的狀況也各不相同的情況下，加工中心虛擬拆裝系統(tǒng)可以減少對(duì)場(chǎng)地和設(shè)備的需求，降低教學(xué)成本。

2)學(xué)生可以通過反復(fù)地虛擬拆裝演練，不斷地改進(jìn)拆裝步驟，提高拆裝效率，減少在實(shí)際拆裝操作過程無效步驟與嘗試，降低拆裝的難易程度，避免出現(xiàn)危險(xiǎn)情況。

3)虛擬拆裝系統(tǒng)的發(fā)布形式多樣化，可以單機(jī)運(yùn)行，也可以在網(wǎng)頁上通過插件運(yùn)行，極大的降低了使用條件的限制，方便了學(xué)生的自學(xué)。

4 結(jié)語

加工中心虛擬拆裝系統(tǒng)對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)方式存在的問題提供了解決的方法和途徑，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)方式相結(jié)合的方式對(duì)教學(xué)效率有極大了的提升，加工中心虛擬拆裝系統(tǒng)的開發(fā)對(duì)機(jī)械設(shè)備課程實(shí)踐教學(xué)方法的改進(jìn)與創(chuàng)新提供了可供參考的方向。

[1] 林聰.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在普通機(jī)床拆裝課程教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].廈門：廈門大學(xué),2014.

[2] 黃杰東.機(jī)床拆裝實(shí)習(xí)的探索[J].機(jī)械職業(yè)教育,2000(2):15.

[3] 錢芬.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的作用和應(yīng)用[D].成都：電子科技大學(xué)，2008.

[4] 苗壯，李凡長(zhǎng).基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)改革研究[J].黑龍江教育(高教研究與評(píng)估),2007(1)：129-130.

[5] 宋達(dá).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春：東北師范大學(xué)，2005.

Application of the virtual machining center disassembly/assembly system in teaching

WU Fei, YANG Yisu, GAO Shang

In order to enhance students’ understanding of the structure and working principle of the machining center, we developed a virtual teaching system based on VR-Platform. Application of the system in practice courses can effectively improve teaching efficiency and effect, reduce the maintenance cost of the device, enhance students’ understanding of the working principle of the machining center, and provide a referential method for the disassembly/assembly practice courses of machinery equipment.

machining center，teaching system，virtual disassembly/assembly，VRP

G642

A

1002-6886(2016)06-0104-03

吳飛，男，湖北武漢人，武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授，國家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心“機(jī)電工程實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心”副主任，研究方向：CAD/CAM。 楊一粟，男，湖北應(yīng)城人，武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)研究生，研究方向:CAD/CAM。

2016-06-24