葉回春，張洪偉，倪向貴，江蕓梅

（1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)a.精密機械與精密儀器系；b.工程科學(xué)實驗教學(xué)中心，合肥 230027；2.廈門鳳凰創(chuàng)壹軟件有限公司研發(fā)部，福建廈門 361001）

0 引言

近些年，隨著航空航天、高精密儀器儀表、光學(xué)和激光等技術(shù)的迅速發(fā)展及在多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，相關(guān)行業(yè)對高精度的復(fù)雜零件、光學(xué)零件、高精度平面、曲面和復(fù)雜形狀的加工需求日益迫切［1-3］，但此類精密零部件的生產(chǎn)質(zhì)量取決于超精密加工技術(shù)的水平。因此，超精密加工技術(shù)的發(fā)展，直接影響到一個國家尖端技術(shù)和國防工業(yè)的發(fā)展［4-6］。目前，歐美、日本等發(fā)達國家已開發(fā)了多種精密和超精密車削、磨削、拋光等機床設(shè)備，新型的超精密加工和精密測量技術(shù)已相對成熟。國外在投入了很大力量進行超精密加工技術(shù)研究的同時，也實行了技術(shù)保密，嚴格控制關(guān)鍵加工技術(shù)及設(shè)備的出口［7］。因此，我國自主研發(fā)超精密加工技術(shù)勢在必行。

我國是一個制造大國，制造業(yè)規(guī)模位列世界前列，在精密加工技術(shù)和精密機床設(shè)備制造方面也取得了很大的進展。但是，我國還不是一個制造強國，尤其是在精密和超精密加工領(lǐng)域，仍然遠落后于國外。因此，發(fā)展精密、超精密加工技術(shù)，對我國從制造大國邁向制造強國尤為重要?！爸袊圃?025”中關(guān)于高端制造建設(shè)內(nèi)容的闡述，我國已將超精密加工技術(shù)定位為加工制造業(yè)領(lǐng)域中的重要發(fā)展方向［8-9］。

超精密加工是集設(shè)計、制造、控制、材料、測量等多學(xué)科知識為一體的技術(shù)［10-12］。開展超精密加工的教學(xué)，不僅能夠綜合機械設(shè)計、自動控制原理、精密測量、數(shù)控加工、工程材料等多學(xué)科的知識，有效地提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，更能為我國尖端制造領(lǐng)域儲備高層次人才。超精密加工技術(shù)種類較多，單點金剛石超精密車削（single point diamond turning，SPDT）是其中一個重要的分支，也是非常典型的超精密加工工藝，在國防工業(yè)、民用工程的制造技術(shù)中，有著舉足輕重的地位［13-16］。以SPDT 工藝作為切入點，是進行超精密加工教學(xué)的有效途徑。但實際中，SPDT的設(shè)備價格昂貴、使用成本高、環(huán)境要求嚴格，大部分高校都無法將此項技術(shù)應(yīng)用于實際教學(xué)中。因此，本文提出依托現(xiàn)有的單點金剛石車削超精密加工設(shè)備Freeform L，進行超精密加工虛擬實驗設(shè)計，建設(shè)超精密加工虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，高規(guī)格地模擬真實設(shè)備操作，從零部件的自主設(shè)計、加工、到測量，完整重現(xiàn)超精密的加工工藝過程，通過過程評價和結(jié)果考核評價相結(jié)合，實現(xiàn)對超精密加工知識操作學(xué)習(xí)過程的全覆蓋。本虛擬實驗的設(shè)計對我國高端制造領(lǐng)域的人才培養(yǎng)闖出了一條新路。

1 超精密加工虛擬仿真實驗教學(xué)平臺內(nèi)容設(shè)計

超精密加工虛擬仿真實驗平臺設(shè)計遵循滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自由探索的基本需求，分別設(shè)置了實驗準(zhǔn)備、實驗預(yù)習(xí)、實驗操作、實驗報告、在線測驗、師生互動等6 大模塊，如圖1 所示。

圖1 超精密加工模塊及內(nèi)容設(shè)計

各模塊所含內(nèi)容包括：

（1）實驗準(zhǔn)備模塊。該模塊包含的內(nèi)容主要有：進行超精密加工虛擬實驗的目的；超精密加工技術(shù)涉及的理論知識及進行實驗所需學(xué)習(xí)的理論基礎(chǔ)課程；實驗中所用的設(shè)備（超精密加工系統(tǒng)Freeform L、顯微鏡、在線測量模塊、白光干涉儀等）；實驗中需要用到的耗材（金剛石刀具、試切件、毛坯、酒精、調(diào)節(jié)工具等）及預(yù)設(shè)參數(shù)（恒溫［（18～25）±0.5］℃，恒濕55%±2% RH及萬級潔凈間）等。實驗準(zhǔn)備模塊為開始進行超精密加工實驗做基本準(zhǔn)備。

（2）實驗預(yù)習(xí)模塊。該模塊中的超精密加工技術(shù)背景知識，不但給出了超精密加工在航空航天、武器、民用等方面的應(yīng)用實例，還配備了詳細的講義供下載學(xué)習(xí)，目的使學(xué)生能自主學(xué)習(xí)超精密加工機床構(gòu)造及基本工作原理，使學(xué)生知道超精密加工能夠?qū)崿F(xiàn)納米級加工精度的關(guān)鍵原因，并了解超精密加工在高端制造上的應(yīng)用前景及在“中國制造2025”中的重要性；所含的超精密加工視頻則包括了實際加工與實際測量的實例，便于學(xué)生形象地認識整個加工過程；超精密加工的基本步驟則給出了加工得到一個符合圖紙精度要求工件所需的基本步驟；參考文獻列出了本實驗中所使用知識點的出處文獻及超精密加工虛擬實驗教學(xué)建議的教材。

（3）實驗操作模塊。該模塊包含練習(xí)模式及考核模式兩方面內(nèi)容。練習(xí)模式中以案例教學(xué)為主，給定一個典型超精密零件圖紙，老師引領(lǐng)示范、學(xué)生跟隨操作，或?qū)W生根據(jù)說明書及軟件提示完成操作。雖然實驗操作步驟較多，且操作過程中需要觀察和操作的儀器設(shè)備也比較多，但是培養(yǎng)了學(xué)生觀察、思考和總結(jié)的能力，老師在示范過程中只強調(diào)關(guān)鍵步驟和注意事項?？紤]到學(xué)生在實驗操作中的不確定性，虛擬教學(xué)軟件中設(shè)計了比超精密加工機床更靈活的容錯、提示和恢復(fù)功能，讓學(xué)生在操作不正確情況下了解錯誤發(fā)生原因，觀察錯誤操作的后果，并能恢復(fù)到誤操作前的工況，修正操作；在考核模式中，待加工零件的圖紙由老師根據(jù)上課進度上傳，學(xué)生需要根據(jù)圖紙制定加工工藝，選擇合適毛坯、刀具、自主編寫程序進行加工。并且在具體的操作中，操作步驟提示縮減，而且關(guān)鍵步驟會有相應(yīng)的知識點考核，學(xué)生答錯會進行實驗分數(shù)的扣減。便于學(xué)生對學(xué)習(xí)效果進行自我檢驗，為兼顧操作的真實體驗感與易控性，在兩個模塊的下方及右上角處設(shè)置了導(dǎo)航條，實現(xiàn)一鍵可達相關(guān)界面的功能（見圖2）。

圖2 超精密加工虛擬實驗具體實現(xiàn)布局圖

（4）實驗報告模塊。該模塊是實驗操作完成的后續(xù)步驟，由兩部分組成，一部分為學(xué)生在實驗操作中的記錄評分，操作過程中若有誤操作，如未開電源、未解除急停等未按正確操作規(guī)定進行的，根據(jù)權(quán)重扣分；另一部分為操作結(jié)果的考核，本實驗學(xué)生需要根據(jù)教師設(shè)定的圖紙進行程序編寫，進行參數(shù)設(shè)計及迭代加工，加工得到的零部件形狀精度及表面粗糙度作為衡量加工結(jié)果是否達標(biāo)的依據(jù)。

（5）在線測驗?zāi)K。主要考核學(xué)生在經(jīng)過前面幾個模塊的學(xué)習(xí)后對超精密加工原理與知識的掌握情況。此模塊設(shè)置題庫，題庫由不定項選擇題和思考題組成，每次考核時隨機從題庫抽出20 道選擇題與2 道思考題，通過學(xué)生作答提交，系統(tǒng)進行自動判分，其中思考題判分的標(biāo)準(zhǔn)為學(xué)生答題知識要點的匹配程度。實驗報告模塊和在線測驗?zāi)K的成績之和為學(xué)生在本虛擬實驗中的總成績，任課教師可以根據(jù)上課需要對這兩部分成績的權(quán)重進行調(diào)整。

（6）師生互動模塊。該模塊為學(xué)生教師交流的平臺，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到問題，可以在模塊內(nèi)提出問題，任課教師跟帖回復(fù)解答，其他學(xué)生也可以參與討論回復(fù)。實現(xiàn)學(xué)生與教師之間、學(xué)生與學(xué)生之間互動交流及討論。

此虛擬仿真實驗平臺多模塊之間的互聯(lián)設(shè)計，實現(xiàn)了學(xué)生從零基礎(chǔ)到熟練掌握超精密加工基本原理及工藝流程的目的。

2 超精密加工虛擬仿真平臺教學(xué)方法

超精密加工虛擬仿真實驗平臺在設(shè)計上堅持“虛實結(jié)合、能實不虛”的基本準(zhǔn)則，強調(diào)知識貫通、理論與技能并重。采用自主式、合作式、探究式、互動式的教學(xué)方法，充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性（見圖3）。

圖3 超精密虛擬仿真教學(xué)方法及模式

開展實驗前，學(xué)生除了要閱讀平臺內(nèi)給的講義及視頻外，還需自主收集超精密加工技術(shù)相關(guān)的知識，自主學(xué)習(xí)仿真軟件操作與數(shù)控編程，在學(xué)習(xí)中遇到問題可通過互動模塊與老師溝通，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力；本實驗建議學(xué)生2 或3 人為1 組進行實驗，以便對超精密加工技術(shù)的關(guān)鍵操作步驟、關(guān)鍵知識點進行研究討論，掌握其工作原理及對零部件加工精度的影響規(guī)律；實驗互動環(huán)節(jié)中預(yù)留了開放性討論題、方案設(shè)計題等，學(xué)生在組內(nèi)進行探討研究，分工合作完成方案的設(shè)計并實施通過，完成本虛擬仿真實驗項目，對于擁有相類似超精密加工設(shè)備的院校，還可以在線下實際機床中具體操作驗證，實現(xiàn)線上線下混合教學(xué)。

3 超精密加工虛擬仿真實驗教學(xué)平臺應(yīng)用成效與改進

超精密加工虛擬實驗平臺在2018 年度國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目認定工作中，獲批為機械類國家級虛擬仿真實驗教學(xué)項目及國家級金課。目前該實驗平臺已在我校各院系之間開放，同時也向校外兄弟院校師生提供開放的網(wǎng)上虛擬教學(xué)資源，還可以為有培訓(xùn)需求的企業(yè)服務(wù)。目前，校內(nèi)已有800 余學(xué)生使用受益，校外有2.6 萬余人點擊試用，產(chǎn)生了良好的社會效益。

為進一步發(fā)揮本實驗平臺的示范效應(yīng)，需要不斷進行實驗教學(xué)模式創(chuàng)新與改革，通過連續(xù)建設(shè)和發(fā)展，實現(xiàn)多學(xué)科、多校區(qū)、多學(xué)校、多組織之間的教學(xué)資源和教學(xué)經(jīng)驗共享。具體計劃如下：

（1）持續(xù)建設(shè)與更新。本實驗平臺計劃在今后的幾年內(nèi)，加強建設(shè)與改進，不斷深化拓展教學(xué)內(nèi)容，如增加超精密銑削與超精密磨削加工內(nèi)容，并支持多軸聯(lián)動加工、非對稱曲面與微細結(jié)構(gòu)的加工，以及細化表面輪廓儀、激光干涉儀等檢測儀器的操作等，真正實現(xiàn)超精密加工技術(shù)從設(shè)計加工到檢測的完整工藝過程的仿真教學(xué)，為我國高端制造業(yè)的人才培養(yǎng)貢獻力量。

（2）面向社會的推廣與持續(xù)服務(wù)計劃。①本實驗將依托我校工程科學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，通過舉辦會議、成立論壇、接待參訪等形式，與校內(nèi)外及國內(nèi)外兄弟院校機械專業(yè)、相關(guān)研究機構(gòu)和實驗室進行仿真實驗項目建設(shè)思路、經(jīng)驗交流，和成果資源共享；實驗平臺還將為光學(xué)工程、天文學(xué)、儀器儀表、信息與控制學(xué)科等專業(yè)教學(xué)提供虛擬仿真實驗條件，為培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力服務(wù)；②虛擬實驗還將綜合應(yīng)用多媒體、大數(shù)據(jù)、三維建模、人工智能、人機交互、傳感器、超級計算、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、云計算等網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化技術(shù)等手段，增強超精密加工操作的虛擬仿真效果，提高虛擬仿真項目對實際超精密車削銑削的仿真精度。

4 結(jié)語

超精密虛擬仿真實驗在內(nèi)容設(shè)計上緊跟國家戰(zhàn)略發(fā)展需求，教學(xué)理念先進，將信息技術(shù)與實驗教學(xué)完美融合。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教學(xué)設(shè)計，打破了時間和空間的限制，是對傳統(tǒng)說教和靜態(tài)模型展示為主的實驗教學(xué)方式的重大革新。本實驗堅持問題導(dǎo)向，以學(xué)生為中心，實驗教學(xué)內(nèi)容詳實適宜，學(xué)生可身臨其境地體驗超精密加工環(huán)境并能夠模擬工程師的實際操作；在教學(xué)方案上，注重課前指導(dǎo)、實驗預(yù)習(xí)，學(xué)生可分組完成實驗，分別提交報告，單獨考核。倡導(dǎo)學(xué)生自主、合作、探究地完成實驗項目，并可根據(jù)個人興趣自行設(shè)計圖紙、編寫程序，進行實驗。該虛擬仿真實驗項目提供線上答疑室的功能，方便學(xué)生隨時討論實驗內(nèi)容，并及時將學(xué)生反饋的問題匯總、整理、答疑。本虛擬實驗平臺是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)的延伸與拓展，可作為機械設(shè)計基礎(chǔ)、精密機械設(shè)計、精密測量技術(shù)基礎(chǔ)等理論教學(xué)課程的補充，實現(xiàn)線上線下互動教學(xué)，也可單獨作為超精密加工技術(shù)的課程開設(shè)，與現(xiàn)有機床Freeform L 配合，實現(xiàn)虛實結(jié)合教學(xué)。

學(xué)生通過本實驗平臺能全面了解單點金剛石超精密車削機床基本構(gòu)成和系統(tǒng)工作流程，深刻理解精密機械設(shè)計理論、精密測量理論、誤差分析等知識在超精密加工中的應(yīng)用。超精密虛擬仿真實驗設(shè)計不僅能有效調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)理論知識的積極性，還鍛煉了他們的實踐操作技能。有利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，充分發(fā)掘他們的創(chuàng)造潛能，提高解決復(fù)雜工程問題的綜合能力。