蘆靜，劉杰，楊衛(wèi)軍，郝歡

（火箭軍工程大學(xué)，陜西 西安）

一 引言

虛擬仿真亦稱為模擬技術(shù)，它是利用相似原理，建立研究對象的模型，如形象模型、描述模型、數(shù)學(xué)模型，并通過模型間接的研究原型規(guī)律性的方法。它廣泛應(yīng)用于武器系統(tǒng)設(shè)計、制造、鑒定、診斷、訓(xùn)練以及軍事學(xué)習(xí)、作戰(zhàn)管理等方面，并推廣到國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域[1]。虛擬技術(shù)自20世紀(jì)初已有了初步應(yīng)用，正在成為繼理論研究和實驗研究之后的第三種認(rèn)識和改造客觀世界的重要方法[2]，是一種可控制的、無破壞性的、耗費小的、并允許多次重復(fù)的試驗手段。它主要是對現(xiàn)實真實情境的技術(shù)進行模仿，構(gòu)建出一個完整的虛擬場景，具備沉浸性、交互性、虛幻性和逼真性。

在科技高速發(fā)展的今天，數(shù)字化程度越來越高，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，并且逐步應(yīng)用在工程類實踐教學(xué)中，受到廣大師生的歡迎，成為教學(xué)過程中非常重要的教具之一[3-7]，尤其是機械工程實踐教學(xué)，其發(fā)展應(yīng)用具有非常重要的意義[8-12]。比如普通車削加工，是我國理科高校的重要專業(yè)教學(xué)環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)危險系數(shù)高，實踐操作性強，教學(xué)過程中非常注重學(xué)生動手實踐能力的培養(yǎng)，具有高標(biāo)準(zhǔn)專業(yè)化特點，必須要有專業(yè)知識、專門的車床才能操作，這部分的教學(xué)實施對我國生產(chǎn)制造業(yè)的人才培養(yǎng)有非常重要的作用。虛擬仿真技術(shù)在車削加工實踐中的應(yīng)用，就是模擬實際的加工環(huán)境、加工過程和加工情況，通過計算機系統(tǒng)，利用軟件科技，搭建一個虛擬的加工系統(tǒng)和加工環(huán)境，允使學(xué)生進行仿真練習(xí)。利用虛擬仿真技術(shù)可以大幅提高初學(xué)者的操作安全，同時讓學(xué)生身臨其境，切身理解、掌握車削操作原理，解決了初學(xué)者安全規(guī)范操作的問題，激發(fā)了學(xué)生對機械實踐操作的積極性，為教師教學(xué)提供便利條件，為提高實踐教學(xué)效果提供有力保證，為學(xué)生就業(yè)履職奠定良好的基礎(chǔ)。

筆者根據(jù)本校開展的機械基礎(chǔ)實踐課程，針對車削加工工藝模塊，結(jié)合仿真軟件，用Flash動畫將機械基本知識、車削基本加工方式、加工實例等呈現(xiàn)在屏幕上，形象、直觀地呈現(xiàn)出車削加工基本知識、車床主要結(jié)構(gòu)、加工過程和實際應(yīng)用，使復(fù)雜的設(shè)備運行過程和整個實踐過程生動易懂。結(jié)合仿真軟件的自主練習(xí)，配合真實的實踐操作，達到知行合一，從理論到實踐，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，加深學(xué)生對機械基本實踐操作的理解與記憶，同時提高了課程安全質(zhì)量。將仿真軟件應(yīng)用于教學(xué)，收到了良好的教學(xué)效果。

二 車削加工基礎(chǔ)知識仿真在課程教學(xué)中的應(yīng)用

車削加工基礎(chǔ)知識主要包括車床的基本結(jié)構(gòu)、車床主要附件、車刀的種類和功能以及車削的基本過程。各知識點相對獨立又相互聯(lián)系，通過課堂的理論講解與課下自主學(xué)習(xí)，加強學(xué)生利用課余時間自主學(xué)習(xí)的興趣，加深對基礎(chǔ)知識的理解與掌握。

車削基礎(chǔ)知識與動畫、仿真的有機結(jié)合，既能促進學(xué)生對機械基礎(chǔ)實踐理論知識的理解，又能自然地將這些知識應(yīng)用到車削的基礎(chǔ)實踐中，促進實踐技能的快速學(xué)習(xí)、掌握。例如車床的基本結(jié)構(gòu)，學(xué)生可以通過仿真模型建立起與真實設(shè)備之間的聯(lián)系，通過主要結(jié)構(gòu)的模塊化介紹，如圖1，了解車床的主要結(jié)構(gòu)，加深對車床結(jié)構(gòu)的整體印象。

圖1 車床的主要結(jié)構(gòu)

三 車削加工過程仿真在課程實踐教學(xué)中的應(yīng)用

車削加工的應(yīng)用如圖2所示，基本應(yīng)用包括車削外圓、端面、錐面、切槽、鉆孔、車螺紋、鉸孔、鏜孔、滾花、倒角和車成型面多種形式，每種加工方法運用的刀具不同，切削過程中刀具的軌跡線及受力情況都不同，這些內(nèi)部原理的變化與技術(shù)特點，即使現(xiàn)場示范，也只能看到表象，不易理解整個切削過程中各因素之間的相互作用。為此，以此為基礎(chǔ)，在各加工應(yīng)用中開發(fā)了加工仿真板塊，該板塊主要用來仿真具體的加工過程，以及加工過程中刀具作用線、受力情況，使微觀過程放大顯現(xiàn)，學(xué)生更易理解整個切削加工過程，進而了解各切削要素之間的相互影響作用。圖3展示了粗車外圓的仿真過程，圖4為精車外圓的仿真過程，通過對比分析，對于粗、精車外圓的進到量、切削速度、表面光潔度，學(xué)生都能夠有直觀的了解。圖5為切斷刀切削過程與外圓車刀加工的對比分析，通過仿真對比，學(xué)生對各加工過程認(rèn)識更加直觀，對刀具的結(jié)構(gòu)特征和使用方法有了更清楚的認(rèn)識。能夠有效彌補課堂教學(xué)過程中只停留在設(shè)備外觀的不足，提升學(xué)生對加工過程更深層次的理解。

圖2 車削加工的應(yīng)用

圖3 粗車外圓的仿真過程

圖4 精車外圓的仿真過程

圖5 切斷刀切削過程與外圓車刀加工的對比分析

四 仿真操作在課程實踐教學(xué)中的應(yīng)用

機械加工教材對于車削加工中工藝基礎(chǔ)理論介紹得很詳細(xì)，而對于設(shè)備的實際操作方法提及的不是很多，因此，仿真操作模塊正好彌補了這方面的不足，其中主要包括自動演示和手動操作兩個板塊。

圖6 車床仿真操作系統(tǒng)

進入自動演示模塊，首先系統(tǒng)按照指定程序進行車床各部位功能自動演示，設(shè)備通電、開機，車床橫向進給、縱向進給、進刀、退刀、主軸旋轉(zhuǎn)、暫停、反轉(zhuǎn)、開合螺母的使用以及尾座的前進與后退、刀架的旋轉(zhuǎn)、急停和設(shè)備關(guān)機斷電等系列功能操作演示，通過自動演示過程，學(xué)生可以明確車床各部分的主要功能。

手動操作是繼自動演示之后，學(xué)生自主學(xué)習(xí)車床操作方法。首先，學(xué)生可以對車床各功能區(qū)進行分部練習(xí)，熟悉車床各部分區(qū)域功能，結(jié)合相應(yīng)結(jié)構(gòu)部位的文本解釋，把理論部分與實踐部分有機結(jié)合，提高了學(xué)生對整個車削加工理論與實踐的有效融合。其次，通過嚴(yán)格的車削加工工藝流程仿真練習(xí)，熟悉車削加工的基本操作規(guī)程，掌握各種車削加工方法，作為實踐操作的預(yù)熱階段。

五 工程案例仿真在課程教學(xué)中的應(yīng)用

在實際加工過程中，各種加工方法都是綜合運用的。案例仿真能將整個零件（產(chǎn)品）的綜合加工通過虛擬仿真實現(xiàn)。在此模塊中，制作了以課程加工為案例的兩個產(chǎn)品仿真加工。學(xué)員通過點擊案例，提取相應(yīng)坯料，進行仿真操作，從制定工藝到抓夾工件、調(diào)整車床參數(shù)再進行仿真車削加工，整個操作流程嚴(yán)格按照實踐操作規(guī)范進行。達到練習(xí)目標(biāo)后，再進行實際操作，有效地保障了初學(xué)者學(xué)習(xí)使用車床的安全性。

圖7 仿真案例應(yīng)用

六 結(jié)語

本仿真軟件在windows系統(tǒng)中獨立運行，能夠?qū)崿F(xiàn)對幾種車削加工工藝的高度仿真操作，具有很強的通用性，可以反復(fù)觀看、仿真操作，便于學(xué)生化解難點、自主學(xué)習(xí)，增加學(xué)習(xí)的趣味性，提高學(xué)習(xí)效果，在工程實踐練習(xí)中獲得了學(xué)生一致的好評。虛擬仿真技術(shù)在車削加工中的應(yīng)用有效地提高了車床的工作效率，延長了車床使用壽命，對車削加工技術(shù)的廣泛應(yīng)用起到了促進的作用。