曲振波　王繼禹

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，以下簡稱VR）技術(shù)作為新興技術(shù)擁有很大的可開發(fā)利用的空間，特別是將VR技術(shù)運(yùn)用到教學(xué)領(lǐng)域之中。在數(shù)控機(jī)床教學(xué)中應(yīng)用VR技術(shù)可以有效地降低培訓(xùn)所需的成本以及培訓(xùn)中發(fā)生危險(xiǎn)的概率。文章首先闡述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及數(shù)控機(jī)床教學(xué)現(xiàn)狀相關(guān)內(nèi)容，其次明確了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)控機(jī)床教學(xué)中的應(yīng)用意義，最后提出了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)控機(jī)床教學(xué)中的應(yīng)用思路。通過本文的研究，以期利用VR技術(shù)的優(yōu)勢增加數(shù)控機(jī)床教學(xué)的多樣性。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);數(shù)控機(jī)床;教學(xué);應(yīng)用

中圖分類號：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2021）05-0038-02

1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

20 世紀(jì) 70 年代，Krueger設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè) VideoPlace 系統(tǒng)，標(biāo)志著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念與理論初步形成。VR技術(shù)是一種通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所生成的逼真的虛擬情景，利用用戶的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等感官使其產(chǎn)生身臨其境的感受。VR技術(shù)在現(xiàn)階段有三個(gè)主要的特征：沉浸性（Immersion）、 交互性（Interaction）、 想象性（Imagination）。VR技術(shù)從研發(fā)之初就以其強(qiáng)大的功能性和包容性被應(yīng)用到各行各業(yè)之中，現(xiàn)在VR技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在軍事、醫(yī)療、教育、娛樂等行業(yè)中。

2數(shù)控機(jī)床教學(xué)現(xiàn)狀

雖然傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床教學(xué)會(huì)比較細(xì)致全面地講解操作方法，但在實(shí)踐的過程中會(huì)涉及到對真實(shí)的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行操作，這對于高校來說數(shù)控機(jī)床這種教學(xué)用具是十分昂貴的，并且傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床教學(xué)因?yàn)槭且詴举Y料和視頻教學(xué)為主，教學(xué)材料如果得不到及時(shí)地更新，就會(huì)有一定的滯后性。此外，傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床教學(xué)其實(shí)分為兩部分，一部分是在學(xué)校中學(xué)習(xí)數(shù)控機(jī)床的基本知識(shí)，還有一部分是要到企業(yè)由師傅單獨(dú)教學(xué)。這樣的教學(xué)模式需要的周期長，但效果卻不對等，而且不當(dāng)?shù)牟僮鲗τ谠O(shè)備的損害可能會(huì)造成不可逆的后果。

3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)控機(jī)床教學(xué)中的應(yīng)用意義

VR技術(shù)的使用對于教育來說是一種革新。在數(shù)控機(jī)床的教學(xué)中使用VR技術(shù)能夠極大地縮短數(shù)控機(jī)床的教學(xué)時(shí)長，作為一個(gè)輔助教學(xué)“工具”，VR技術(shù)的使用會(huì)使數(shù)控機(jī)床的教學(xué)更加生動(dòng)形象。通過VR技術(shù)的應(yīng)用可以很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床教學(xué)中存在的不足。

1）使用3D建模的形式將數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)模型展示在虛擬空間中，實(shí)現(xiàn)了在虛擬空間中對于數(shù)控機(jī)床整體及其細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的展現(xiàn)，對于初學(xué)者來說能夠更加全面立體地去了解數(shù)控機(jī)床本身，相對于傳統(tǒng)的教學(xué)方法更加得直觀，能夠大大地加深學(xué)習(xí)者對于數(shù)控機(jī)床的整體印象與認(rèn)知。

2）通過VR技術(shù)在虛擬空間中模擬數(shù)控機(jī)床操作的全過程，讓學(xué)習(xí)者系統(tǒng)地學(xué)習(xí)到數(shù)控機(jī)床的操作細(xì)節(jié)，再結(jié)合后續(xù)的數(shù)控機(jī)床操作測試，加深在操作中的使用規(guī)范和注意事項(xiàng)，讓學(xué)習(xí)者更好地進(jìn)入到學(xué)習(xí)狀態(tài)中。

3）將VR技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床教學(xué)中，能夠減少教學(xué)成本，同時(shí)也會(huì)提高數(shù)控機(jī)床教學(xué)的安全系數(shù)。

將VR技術(shù)運(yùn)用到數(shù)控機(jī)床教學(xué)中，不僅能夠豐富數(shù)控機(jī)床的教學(xué)內(nèi)容，而且還能提高學(xué)習(xí)者對于數(shù)控機(jī)床學(xué)習(xí)的興趣，使其能夠更好地掌握數(shù)控機(jī)床的相關(guān)操作。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)控機(jī)床教學(xué)中的應(yīng)用思路

借助 Unity3D 強(qiáng)大的三維虛擬顯示功能來實(shí)現(xiàn)VR技術(shù)在數(shù)控機(jī)床教學(xué)中的應(yīng)用。

4.1建模導(dǎo)入

根據(jù)工廠提供的數(shù)控機(jī)床圖紙，通過建模軟件Rhino進(jìn)行細(xì)致地建模，還原數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)，1：1制作數(shù)控機(jī)床虛擬模型，再將做好的模型打包導(dǎo)入到Unity3D中，根據(jù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來對模型進(jìn)行進(jìn)一步的屬性設(shè)置（如圖1）。

4.2整合開發(fā)

根據(jù)數(shù)控機(jī)床的真實(shí)材質(zhì)來對模型進(jìn)行貼圖的設(shè)計(jì)，通過PS來對貼圖進(jìn)行編輯，添加表面紋理，使得模型更加真實(shí)。

4.3虛擬場景教學(xué)

結(jié)合傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床教學(xué)并利用VR技術(shù)將教學(xué)分為三大階段，建設(shè)四個(gè)對應(yīng)的虛擬場景。

三個(gè)階段分別為：數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)、數(shù)控機(jī)床的工作流程學(xué)習(xí)、數(shù)控機(jī)床的使用測試。通過這三個(gè)階段的學(xué)習(xí)使得學(xué)習(xí)者基本上能夠掌握數(shù)控機(jī)床的理論知識(shí)和操作方法。在虛擬環(huán)境中將三個(gè)階段分為四個(gè)具體的場景，如下：

場景一， 六個(gè)不同型號的數(shù)控機(jī)床展廳，在場景中每個(gè)數(shù)控機(jī)床前都有相應(yīng)的機(jī)床簡介：機(jī)床型號、可加工零件等。在場景中可以讓學(xué)習(xí)者對于各個(gè)數(shù)控機(jī)床先進(jìn)行總體地了解，之后學(xué)習(xí)者可以根據(jù)自己的需要來選擇要學(xué)習(xí)的數(shù)控機(jī)床，隨后進(jìn)入接下來的場景二中，進(jìn)行更加具體的學(xué)習(xí)（如圖2）。

場景二，在第二個(gè)場景中將會(huì)把數(shù)控機(jī)床進(jìn)行拆解，并對其零件結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行講解，讓學(xué)習(xí)者可以進(jìn)一步地對數(shù)控機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)、功能和運(yùn)作方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。

場景三，學(xué)習(xí)者通過上兩個(gè)場景的學(xué)習(xí)對于數(shù)控機(jī)床已經(jīng)有了一定的認(rèn)識(shí)，第三個(gè)場景開始培訓(xùn)學(xué)習(xí)者對于數(shù)控機(jī)床的使用過程。包括觀察目標(biāo)零件—選料—將料安放—觀察物料的成型過程—取料對比。通過這個(gè)場景的學(xué)習(xí)可以掌握數(shù)控機(jī)床的整體操作過程，并對于可能會(huì)出現(xiàn)的危險(xiǎn)操作進(jìn)行相應(yīng)的警示，這樣可以最大化地避免在以后的操作中出現(xiàn)不合規(guī)范的操作。

場景四，經(jīng)過以上的三個(gè)場景，學(xué)習(xí)者已經(jīng)對于數(shù)控機(jī)床的操作和使用有了系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，這個(gè)場景主要培訓(xùn)的是學(xué)習(xí)者對于數(shù)控機(jī)床程序的編寫，并根據(jù)學(xué)習(xí)者所編寫的程序來進(jìn)行零件的加工，最后通過等級評判檢測學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果。通過對目標(biāo)零件結(jié)構(gòu)的觀察來給出目標(biāo)零件所相對應(yīng)的程序，通過學(xué)習(xí)者給出的程序與原零件的程序進(jìn)行比對，標(biāo)出出錯(cuò)的地方。之后，根據(jù)學(xué)習(xí)者給出的程序來進(jìn)行零件的加工，并將加工完成的零件與目標(biāo)零件進(jìn)行比對并給出相應(yīng)的等級，完成測試。

5教學(xué)效果反饋

為了能夠更好地在數(shù)控機(jī)床教學(xué)中進(jìn)行VR技術(shù)的應(yīng)用，對其進(jìn)行了應(yīng)用測試，通過對學(xué)習(xí)者的測試結(jié)果進(jìn)行分析，得出了以下幾點(diǎn)。

1）學(xué)習(xí)者對于VR技術(shù)的應(yīng)用接受程度還是很高的，對于將VR技術(shù)加入到數(shù)控機(jī)場的教學(xué)中也很看好。

2）在VR技術(shù)的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，使用者因?yàn)閷τ赩R技術(shù)的不熟悉導(dǎo)致在虛擬環(huán)境中容易出現(xiàn)操作失誤，導(dǎo)致不能很好地達(dá)到教學(xué)要求。

3） VR技術(shù)在數(shù)控機(jī)床教學(xué)中的應(yīng)用需要一個(gè)大眾接受的過程，現(xiàn)在大眾所認(rèn)為的VR技術(shù)的應(yīng)用大多數(shù)都是偏娛樂性的，對這項(xiàng)技術(shù)沒有較為全面的認(rèn)識(shí)。

6結(jié)語

利用VR技術(shù)的交互性、沉浸性和想象性的特征，將其應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床的教學(xué)中，根據(jù)教學(xué)反饋的結(jié)果來看，VR技術(shù)能夠很好地應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床教學(xué)中，新技術(shù)的應(yīng)用能夠解決傳統(tǒng)教學(xué)中容易出現(xiàn)的一些問題，并能夠避免不必要的風(fēng)險(xiǎn)。VR技術(shù)的應(yīng)用可以較好地還原數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)功能和工作原理。通過本文的研究，可以看出VR技術(shù)在數(shù)控機(jī)床教學(xué)中的應(yīng)用是可以實(shí)現(xiàn)的，在解決傳統(tǒng)教學(xué)中出現(xiàn)的問題之外還能夠增加教學(xué)的趣味性，在未來有很大的可拓展空間。