時慧喆 貝廣霞 宋正陽

摘 要：車削加工實訓(xùn)教學(xué)作為工程實訓(xùn)課程中的重要環(huán)節(jié)，在實訓(xùn)教學(xué)過程中大多使用“指導(dǎo)教師講解演示，學(xué)生觀摩后操作”的模式，故學(xué)生實訓(xùn)操作過程存在一定的安全隱患。傳統(tǒng)的教學(xué)模式效率較低，實訓(xùn)教學(xué)效果不佳，而虛擬仿真技術(shù)在改革車床傳統(tǒng)教學(xué)模式、提升學(xué)生工程素養(yǎng)方面可以起到重要作用。鑒于此，以C6132D臥式車床為基礎(chǔ)，探究了車削加工虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計思路，對系統(tǒng)的功能與技術(shù)、教學(xué)應(yīng)用等方面進(jìn)行了設(shè)計與介紹，并對系統(tǒng)投入使用時可能面臨的問題進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：車床實訓(xùn);虛擬仿真技術(shù);工程實訓(xùn)教學(xué)

0? ? 引言

在工程實訓(xùn)教學(xué)中，傳統(tǒng)的普通車床實訓(xùn)教學(xué)項目比較注重動手操作，但是由于工程實訓(xùn)中心的設(shè)備數(shù)量不足，加上有經(jīng)驗的實訓(xùn)指導(dǎo)教師人數(shù)、學(xué)生實訓(xùn)操作安全等方面的限制，傳統(tǒng)車床的實訓(xùn)教學(xué)已無法滿足學(xué)生的需求[1]。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，由計算機(jī)控制的數(shù)控車床逐步取代人工操作的普通車床，已經(jīng)成為一個不可逆轉(zhuǎn)的趨勢[2]，但是普通車床作為數(shù)控車床的基礎(chǔ)，依然很重要，高等學(xué)校所開設(shè)的工程實訓(xùn)課程中仍將普通車床作為一個重要的實訓(xùn)項目[3]。

依托計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、圖像處理等技術(shù)的成熟，虛擬仿真技術(shù)已應(yīng)用于各實訓(xùn)教學(xué)項目中，其能夠?qū)崿F(xiàn)實訓(xùn)教學(xué)的虛擬化、三維可視化;實現(xiàn)實訓(xùn)教學(xué)項目的交互與沉浸，使學(xué)生能夠更主動地進(jìn)行實訓(xùn)操作;還能解決車床實訓(xùn)教學(xué)過程中存在危險、車床設(shè)備數(shù)量不足等問題。與此同時，在注重工程專業(yè)認(rèn)證的當(dāng)下，虛擬仿真技術(shù)在工程實訓(xùn)方面的應(yīng)用，對工程專業(yè)認(rèn)證也有著重要的加分作用[4-5]。

1? ? 車削加工虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計思想

普通車床實訓(xùn)涉及的內(nèi)容較多，學(xué)生需要掌握的知識不僅包括刀具、夾具和切削加工基礎(chǔ)知識，還包括C6132D普通車床的相關(guān)操作知識。要想通過系統(tǒng)自學(xué)普通車床的加工操作過程，就不能抱著只是在系統(tǒng)上用鼠標(biāo)、鍵盤簡單地點擊幾下或敲幾個按鍵的想法。使用虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)學(xué)習(xí)，學(xué)生須扎扎實實地掌握相關(guān)知識?；谶@個目的，該系統(tǒng)從設(shè)計開始就需要有知識學(xué)習(xí)、操作演示、動手實踐等基礎(chǔ)的設(shè)計思想，給學(xué)生提供豐富的車削加工知識，通過向?qū)W生演示車削加工的實例，方便學(xué)生進(jìn)行模擬操作。因此，該系統(tǒng)應(yīng)是一個集實訓(xùn)教學(xué)與實訓(xùn)操作于一體的系統(tǒng)，同時可以依靠網(wǎng)絡(luò)打破時間、空間的限制，讓學(xué)生實現(xiàn)自主實訓(xùn)。

2? ? 車削加工虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)軟件構(gòu)想

在車削加工虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中，需要模擬出一個真實的工件從毛坯到車削加工成型的過程，使學(xué)生能身臨其境地感受到車削加工的過程。AuthorWare作為備選軟件，能將圖像、聲音、圖片和動畫等結(jié)合在一起形成一個完善的系統(tǒng);非專業(yè)的編程人員也能創(chuàng)造出一個與車削加工操作相關(guān)的多媒體應(yīng)用軟件。在車削加工虛擬仿真開發(fā)方面，Visual Basic作為主要編程軟件，基于可視化編程技術(shù)與多媒體功能，能搭建出集聲音、動畫和圖像于一體的多媒體應(yīng)用程序，營造出與車床實際操作過程相同的實訓(xùn)環(huán)境。為了使界面更加完美，動畫顯示更加真實，還可以使用Photoshop、Flash和3ds Max軟件來處理圖像和制作動畫，實現(xiàn)虛擬仿真系統(tǒng)的各種功能。

3? ? 車削加工虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容

車削加工虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)是2020年山東科技大學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)的項目之一，該系統(tǒng)在人機(jī)交互界面上力求反映真實的車床加工實際操作過程，具備較強(qiáng)的真實感、順暢的交互性和一定范圍內(nèi)的容錯性。該虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)可分為3個模塊：

3.1? ? 車削基礎(chǔ)知識模塊

該模塊主要功能是為初次參與工程實訓(xùn)的學(xué)生提供一個車削加工設(shè)備的認(rèn)知過程，學(xué)生在此模塊中可以學(xué)到車削加工的基本知識，內(nèi)容如下：

（1）車削加工實訓(xùn)目的及要求：讓學(xué)生在操作前充分掌握實訓(xùn)目的，了解與車削加工相關(guān)的專業(yè)知識。

（2）車削加工實訓(xùn)安全技術(shù)要求：雖然學(xué)生通過虛擬仿真模擬車削加工過程沒有危險性，但是虛擬模擬的最終目的還是要回歸于實際的操作中，因此，詳細(xì)地告知學(xué)生在實際操作過程中的注意事項十分必要。要明確說明什么可以做，什么不可以做，避免學(xué)生在實際操作過程中出現(xiàn)失誤，導(dǎo)致實訓(xùn)設(shè)備損壞或發(fā)生嚴(yán)重的人身傷害事故。

（3）車削加工的概念與工作原理：涉及車削加工的介紹，車削加工的優(yōu)點、缺點，車削加工的范圍等，學(xué)生可多角度觀察車削加工過程。

（4）車床結(jié)構(gòu)（C6132D普通車床的結(jié)構(gòu)）：通過車床模型可多角度任意旋轉(zhuǎn)、縮放觀察車床的結(jié)構(gòu)，包括主軸箱、進(jìn)給箱、掛輪箱、床身、溜板箱、尾架、光杠、絲杠、車床上各種按鈕和手柄的功能等。

（5）常用量具：讓學(xué)生認(rèn)識常用量具，例如游標(biāo)卡尺、螺旋測微器等，并輔以動態(tài)圖演示常用量具的結(jié)構(gòu)及使用方法。

（6）常用車刀與夾具介紹：向?qū)W生介紹常用車刀，包括內(nèi)孔車刀、偏刀、切槽刀等，輔以車刀模型的結(jié)構(gòu)、名稱的展示，包括夾持部分、切削部分，夾具常使用的三爪卡盤、頂尖、中心支架等，并介紹它們的主要結(jié)構(gòu)，輔以動態(tài)模型演示不同夾具的裝夾原理。

該模塊還向?qū)W生介紹常見的車削加工設(shè)備，介紹車床的發(fā)展與演化過程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。此外，該模塊還提供了大量的車削設(shè)備實際加工過程的視頻錄像和動畫演示，以便學(xué)生理解車削加工操作中車削設(shè)備的運(yùn)行情況。

3.2? ? 車削實訓(xùn)操作模塊

此模塊涉及車削加工的基本操作內(nèi)容，學(xué)生不僅能夠通過系統(tǒng)演示進(jìn)行觀察，還可以通過車削加工虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)來模擬相關(guān)操作。主要內(nèi)容如下：

（1）車刀安裝：在虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中，學(xué)生可通過三維模型動態(tài)演示學(xué)習(xí)車刀安裝操作，并在系統(tǒng)演示后自行操作模擬安裝車刀的過程。安裝過程中需要注意，車刀安裝在方刀架上，刀尖一般應(yīng)與車床主軸中心等高。此外，車刀在方刀架上伸出的長度要適宜，墊刀片要放平整，車刀與方刀架均要鎖緊。

（2）三爪卡盤安裝工件方法：三爪卡盤是車床上最常用的裝夾工具，在虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中，學(xué)生可通過三維模型動態(tài)演示學(xué)習(xí)如何將工件安裝到三爪卡盤上，并在演示后自行模擬將工件安裝到三爪卡盤上的過程。

（3）車端面：車端面是車削加工中最基本、最常見的工序之一，改變的是工件的長度。車端面時，車刀的刀尖應(yīng)對準(zhǔn)工件的中心，以免車出的端面中心留有凸臺;當(dāng)背吃刀量較大時，容易扎刀;凸臺是逐漸車掉的，所以車端面時使用彎頭刀較為有利。

（4）車外圓：車外圓也是車削加工中最基本、最常見的工序之一，改變的是工件的直徑。為使車刀的主切削刃垂直于工件的軸線，可在先車好的端面上對刀，使主切削刃與端面貼平。

3.3? ? 車削實訓(xùn)考核模塊

該模塊的作用是對學(xué)生進(jìn)行考核，即學(xué)生在學(xué)習(xí)過車削加工的基本知識，以及車削加工的操作后，給學(xué)生一個具體的操作項目讓學(xué)生在虛擬仿真系統(tǒng)上進(jìn)行操作。在學(xué)生進(jìn)行操作的過程中，該模塊可以對學(xué)生的操作過程進(jìn)行監(jiān)督預(yù)警，如果操作步驟出現(xiàn)問題，可以及時提醒學(xué)生加以改正。在操作結(jié)束后，該模塊還能對學(xué)生的操作過程進(jìn)行評價，并給出一個分?jǐn)?shù)。這個分?jǐn)?shù)可以作為學(xué)生能否繼續(xù)參加線下車削加工實訓(xùn)的標(biāo)準(zhǔn)，此外，這個分?jǐn)?shù)還可以按一定比例折合算入學(xué)生車削加工實訓(xùn)的總成績。

4? ? 車削加工虛擬仿真存在的問題

4.1? ? 虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)成本較高

虛擬仿真系統(tǒng)除了軟件以外還需要有相關(guān)的硬件設(shè)備，最基礎(chǔ)的設(shè)備就是計算機(jī)。學(xué)生通過計算機(jī)的鼠標(biāo)、鍵盤與虛擬仿真實訓(xùn)軟件進(jìn)行信息交互，如果想讓學(xué)生有更好的虛擬仿真實訓(xùn)體驗，還需要有相應(yīng)的配套設(shè)備，如VR眼鏡、VR數(shù)據(jù)手套、VR手柄等。這些外置設(shè)備單價較高，如果要滿足一個班的學(xué)生同時進(jìn)行實訓(xùn)的需求，那么建成一個完整的虛擬仿真實訓(xùn)教室的費(fèi)用就會相當(dāng)可觀。

4.2? ? 虛擬仿真實訓(xùn)存在局限性

虛擬仿真實訓(xùn)也有其局限性，虛擬仿真無法全面模擬實訓(xùn)過程。例如，對實訓(xùn)中出現(xiàn)的一些偶發(fā)性問題可能無法全面模擬，學(xué)生就不能掌握其具體的解決方法，導(dǎo)致學(xué)生在實際操作機(jī)床的過程中遇到類似問題也不知道怎么處理。此外，實訓(xùn)操作中一些具體的過程，如裝刀、裝工件，以及操作過程中緊急情況下制動的使用等內(nèi)容可能都無法涉及。

5? ? 結(jié)語

依托虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，可實現(xiàn)車削加工實訓(xùn)的虛擬仿真，建設(shè)車削加工虛擬仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)車削加工實訓(xùn)的虛擬體驗教學(xué)。學(xué)生可以使用基本的計算機(jī)等設(shè)備在虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)上實現(xiàn)技能、知識的交互，增強(qiáng)認(rèn)知，學(xué)習(xí)車床的基本知識、操作技能等內(nèi)容，并通過考核模塊對自主實訓(xùn)效果進(jìn)行檢驗，提高實訓(xùn)指導(dǎo)老師的教學(xué)效率，提高車削加工實訓(xùn)的質(zhì)量。

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收稿日期：2021-01-29

作者簡介：時慧喆（1990—），男，山東萊陽人，碩士研究生，工程師，研究方向：工程實訓(xùn)教學(xué)。