肖冬明

摘要：因傳統(tǒng)機械類實訓(xùn)課程教學(xué)受設(shè)備成本高、維護保養(yǎng)成本高等條件的制約，高校教師在課程教學(xué)與考核評價環(huán)節(jié)中往往投入大而效果不佳。將虛實融合技術(shù)與技能實訓(xùn)教學(xué)相結(jié)合，運用人機交互技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)進行數(shù)控類實訓(xùn)課程教學(xué)演示系統(tǒng)開發(fā)，以數(shù)控機床操作與拆裝實訓(xùn)課程為例，將基于虛擬現(xiàn)實的實訓(xùn)仿真系統(tǒng)用于教學(xué)實踐。

關(guān)鍵詞：虛擬融合技術(shù);數(shù)控機床;數(shù)控實訓(xùn)

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9324（2020）22-0310-02

傳統(tǒng)數(shù)控實訓(xùn)教學(xué)與考評主要在實際設(shè)備上開展實驗教學(xué)，但設(shè)備不足、成本較高等問題的存在嚴(yán)重制約了教學(xué)質(zhì)量的提升。近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)獲得了較大發(fā)展，對人們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了極大影響。該技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的軍事領(lǐng)域擴展到航空、航天、娛樂、教學(xué)培訓(xùn)、工程設(shè)計與科學(xué)研究等很多領(lǐng)域[1]?；谔摂M現(xiàn)實的數(shù)控實訓(xùn)教學(xué)是指借助三維虛擬仿真技術(shù)在計算機上構(gòu)建虛擬的操作環(huán)境，學(xué)生像親臨實驗設(shè)備場地一樣操作設(shè)備，學(xué)生取得的學(xué)習(xí)效果不亞于在真實環(huán)境中所取得的效果[2]。該類系統(tǒng)主要包括虛擬設(shè)備、虛擬操作工具、交互設(shè)備等，注重虛擬操作過程性、情境性、交互性和考核結(jié)果客觀性。為適應(yīng)產(chǎn)教融合的發(fā)展需求，本文提出將虛實融合技術(shù)與數(shù)控實訓(xùn)教學(xué)相結(jié)合，將三維虛擬環(huán)境下的人機交互技術(shù)運用于技能實訓(xùn)課程教學(xué)資源開發(fā)，開發(fā)虛實結(jié)合的數(shù)控機床實訓(xùn)操作系統(tǒng)，并將其用于教學(xué)實踐。

一、虛實結(jié)合的數(shù)控機床實訓(xùn)仿真教學(xué)系統(tǒng)

虛實結(jié)合的數(shù)控機床實訓(xùn)仿真系統(tǒng)是在特定范圍內(nèi)生成集逼真的視、聽、觸覺于一體的虛擬數(shù)控加工環(huán)境，用戶操作數(shù)控面板設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的機床對象進行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生與親臨真實環(huán)境等同的感受和體驗。以交互式3D虛擬環(huán)境展示虛擬數(shù)控機床的基本操作和實際操作中遇到的諸多問題，通過互動操作使用戶可以熟悉此機床的原理和操作流程，并且模擬完成此機床的所有操作。

虛實結(jié)合的數(shù)控機床仿真系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境由硬件與軟件兩個部分組成。選擇合適的軟硬件有助于虛實結(jié)合的數(shù)控機床實訓(xùn)仿真系統(tǒng)開發(fā)工作的順利完成。硬件部分：虛實結(jié)合的數(shù)控機床仿真系統(tǒng)的實驗臺的搭建，用以裝載數(shù)控交互組件等硬件設(shè)備。采用Proteus軟件進行數(shù)控面板電路仿真設(shè)計，最終實現(xiàn)基于USB接口開發(fā)板設(shè)計制作數(shù)控操縱交互面板，同時研制一種經(jīng)濟型的三維立體感成像投影設(shè)備，構(gòu)建逼真的三維交互環(huán)境。軟件部分：根據(jù)對機床運動行為仿真系統(tǒng)的開發(fā)需求，采用面向?qū)ο蟮腣isual C++作為主開發(fā)工具，構(gòu)建軟件框架結(jié)構(gòu)，開發(fā)NC編譯處理器。運用美國易用公司的虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺EON對虛擬數(shù)控機床模型和虛擬加工場景進行幾何變換、消隱、渲染及紋理映射、運動控制、邏輯處理和音效處理。

二、虛實結(jié)合的實訓(xùn)仿真系統(tǒng)的教學(xué)評價

數(shù)控技能實訓(xùn)課程對學(xué)生的實際動手操作能力要求較高，傳統(tǒng)停留在考查書本知識的考核評價模式只能反映學(xué)生對基礎(chǔ)理論的掌握程度，而忽視了學(xué)生的實際應(yīng)用能力。常用的考核評價方法主要有量化評價和質(zhì)性評價[3]。本文以量化評價為主要方式對實訓(xùn)課程進行考評，為設(shè)計基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的技能實訓(xùn)教學(xué)考評系統(tǒng)，首先組織命題專家依據(jù)相關(guān)實訓(xùn)課程或技能工種確定考核范圍，設(shè)計考核內(nèi)容，制定考評等級，規(guī)定考試時限。然后以各考查知識點為藍本構(gòu)建與其對應(yīng)的考評情境，主要有三維可視化建模、逼真感場景渲染及模型優(yōu)化等。再根據(jù)考核內(nèi)容和評價方法設(shè)置考核知識點，合理分配各知識點的權(quán)重，并給出操作過程的具體得分、扣分規(guī)則。通過虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺結(jié)合高級編程語言將三維虛擬考評環(huán)境與考試規(guī)則進行融合開發(fā)，構(gòu)建考評規(guī)則庫及三維虛擬模型交互之間的映射關(guān)系。最后根據(jù)虛擬操作的規(guī)范性、正確性、所用時間及誤操作次數(shù)等交互信息綜合得出考評等級。基于虛擬現(xiàn)實的實訓(xùn)教學(xué)考評系統(tǒng)可解決現(xiàn)場實訓(xùn)教學(xué)考評中的評分難、考核不全面等難題，同時可減少考評器械的損耗、降低學(xué)生操作風(fēng)險等。

三、基于數(shù)控機床操作與拆裝實訓(xùn)課程的教學(xué)實踐

基于數(shù)控機床操作與拆裝實訓(xùn)課程開發(fā)虛擬的數(shù)控機床仿真系統(tǒng)（如圖2所示），將虛實結(jié)合技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控技能訓(xùn)練中，可使操作者出現(xiàn)在計算機所創(chuàng)建的逼真三維虛擬環(huán)境中，與虛擬環(huán)境中的數(shù)控機床發(fā)生交互操作。

（一）虛實結(jié)合的數(shù)控機床操作與仿真

開發(fā)出基于USB的真實機床操作面板，設(shè)計出真實數(shù)控機床操作面板與虛擬機床操作面板的接口程序，利用接口程序?qū)⒄鎸崣C床操作面板的操作數(shù)據(jù)實時傳遞到計算機CPU再傳遞到虛擬機床中，實現(xiàn)對虛擬機床的實時運動控制。從數(shù)控機床的工件裝夾、工件尋邊、找正、對刀補償輸入等方面開發(fā)了虛實結(jié)合的三維可視化仿真系統(tǒng)，并開展相應(yīng)的教學(xué)實踐。

（二）基于NC代碼的機床切削過程的仿真

將數(shù)控機床加工過程視為一個四維時空，即空間的x維、y維、z維和時間維。通過對NC代碼的編譯得到刀具及工件的運動軌跡。根據(jù)切削速度設(shè)定運動時間序列間隔，求解出刀具和工件的x、y、z值，再生成相應(yīng)的刀具掃描體，最后通過刀具掃描體與零件實體模型相交求布爾來反映零件的幾何切削過程，實現(xiàn)對數(shù)控代碼的仿真與校驗。

（三）機床結(jié)構(gòu)拆裝過程的自動考評

通過VC++編程平臺對機床結(jié)構(gòu)的拆裝過程進行實時記錄，并構(gòu)建拆裝過程路徑數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)通過遍歷路徑數(shù)據(jù)庫來判別操作的正確性，進而實現(xiàn)評分處理，用ACCESS數(shù)據(jù)庫全程記錄拆裝過程的操作情況，最后得出總評價。

四、結(jié)論

基于當(dāng)前數(shù)控機床的實訓(xùn)教學(xué)中的實際需求，提出虛擬的數(shù)控機床仿真教學(xué)方案。利用計算機技術(shù)生成數(shù)控機床、加工工件及刀具的虛擬模型，開發(fā)針對NC代碼的實時編譯及運動實時仿真，通過數(shù)控交互操作面板等人機交互設(shè)備，利用三維圖形生成技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，生成逼真的三維虛擬環(huán)境。以數(shù)控機床操作與拆裝實訓(xùn)課程為例，將研發(fā)的基于虛擬現(xiàn)實的數(shù)控機床操作實訓(xùn)仿真系統(tǒng)用于教學(xué)實踐，有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，降低數(shù)控實訓(xùn)中材料的消耗和機床、刀具的磨損。

參考文獻：

[1]周忠，周頤，肖江劍.虛擬現(xiàn)實增強技術(shù)綜述[J].中國科學(xué)：信息科學(xué)，2015，45（2）：157-180.

[2]羅陸鋒，孫爽，李國琴，等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在技能實訓(xùn)教學(xué)考評中的應(yīng)用研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2016，（21）：89-91.

[3]畢菁華.建立課堂教學(xué)質(zhì)量評價體系的實踐性探索[J].北京大學(xué)學(xué)報（哲學(xué)社會科學(xué)版），2007，44（S2）：295-296+294.

Resource Development and Teaching Practice of CNC Training Course Based on Virtuality

and Reality Fusion Technology

XIAO Dong-ming

（Foshan University， Foshan， Guangdong 528225， China）

Abstract： Because of the restriction of high equipment cost and high maintenance cost in the teaching of traditional mechanical training courses， the teachers in colleges and universities often invest a lot in the teaching and assessment of the courses， but the effect is not good. In this paper， the virtuality and reality fusion technology is combined with the skill training teaching， and the human-computer interaction technology and virtual simulation technology are used to develop the teaching demonstration system of NC practical training courses. Taking the training course on CNC Machine Tool Operation and Disassembly as an example， the training simulation system based on virtual reality is used in teaching practice.

Key words： virtuality and reality fusion technology; CNC machine tools; CNC training