虛擬技術在機床拆裝教學過程中的應用

陳國炎　張鎖榮　管小麗

[摘 要] 為了解決學生實踐動手能力差和實踐教學設備投入不足、場地有限的矛盾，提出將虛擬技術應用到機床拆裝教學過程中去。解決設備投入不足和實習場地有限引起的問題，通過實踐證明虛擬技術在理論教學與實踐教學過程中可以起到平滑過渡銜接的作用。

[關 鍵 詞] 虛擬技術；實踐教學；Solidworks軟件

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）32-0018-02

在機械設計、裝備制造、機床概論等專業課程的理論教學過程中，由于缺乏實物參照，學生學習普遍積極性不高，對所學課程內容、專業知識一知半解，通常在理論課程學習之后，安排實踐類的現場機床拆裝課程。這樣的課程教學安排，符合“理論學習—現場實踐—理論運用”人才的培養規律，但在實際的實踐教學過程中發現以下幾個問題：（1）設備臺套數不夠；（2）教學場地受限；（3）設備損壞嚴重；（4）教學效果欠佳。為解決以上問題，提出了利用虛擬技術解決面向對象模式下的實踐類現場教學過程中存在的資源不足、場地有限和教學效果欠佳等問題。

一、虛擬技術概述

虛擬技術是利用三維圖形生成技術、多傳感交互技術以及高分辨顯示技術，生成三維逼真的虛擬環境，使客戶成為虛擬環境的一員，進行實時交互，感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而獲得身臨其境的感受和體驗。

虛擬技術的基本特征是沉浸性、交互性和想象性。沉浸性是指出計算機生成的逼真的三維立體圖像，使用戶產生一種身臨其境的感覺，如同在真實的客觀世界一樣。交互性是指用戶能夠自然地同虛擬環境中的對象進行交互操作，從而感知和響應虛擬環境。想象性是指虛擬環境向用戶提供了發揮想象力的機制，能夠啟發用戶的創造性思維，提高感性認識和理性認識。

由于虛擬技術具有可操作性、真實性、可重復性等優點，應用在教育行業上為教育技術的發展提供了一個飛躍的平臺，它創建了“自主學習”的環境，由傳統的“以教促學”的學習方式代之為學習者通過自身與信息環境的互動來獲得知識和技能的新型學習方式。它已經成為當今教育技術和計算機多媒體輔助教學的重要發展方向之一。

二、Solidworks在普通車床拆裝實踐教學中的應用

Solidworks是由法國達索公司開發的世界上第一個基于Windows開發的三維軟件。它集CAD/CAE/CAM于一身，因其易學易用、界面友好、操作簡便、功能強大等特點，深受工程技術人員和大專院校師生的喜愛。

（一）機床零部件三維模型的建立

建立三維模型是應用虛擬技術的關鍵步驟。我們以常見的CA6140A普通車床為例，該機床主要由主軸箱、進給箱、溜板箱和其他機床附件組成。每一個部分都有其各自的功能、作用和結構特點，且每個部件又由多個零件組成。單個零件是組成功能部件的基本單元，所以零件的三維建模是建立機床三維模型的基礎。

通過利用Solid works三維建模功能對每個零件進行三維建模的建立。如表1所示，為主軸箱部分典型零件三維模型。

（二）機床三維模型的虛擬裝配

零件三維模型創建好之后，根據零件的裝配關系，利用Solidworks裝配體功能對部件進行裝配，同時在裝配過程中根據裝配關系對零部件的尺寸、位置進行虛擬配合、裝配，對運動部件之間有速比、轉角等邏輯關系裝配時，借助軟件高級裝配功能，進行虛擬設置與裝配，如齒輪傳動、帶傳動、螺紋傳動等。表2為主要部件的三維裝配圖。

（三）機床三維模型的虛擬拆卸

為便于充分展示機床各零部件之間裝配順序和位置關系，Solidworks軟件提供了爆炸視圖的表達方式，爆炸視圖的創建即為三維模型的拆卸過程。通過利用Solidworks提供的零件平移、旋轉、測量、標注、剖切等功能，可實現整個拆卸過程的完全可視化操作，使操作者仿佛置身于真實的拆卸過程中，便于學生快熟熟練地掌握部件內部結構、工作原理、運動關系和傳動路線，培養了學生獨立思考和理、實結合的綜合能力，也為后續實際拆卸課程做好理論鋪墊。如圖1所示，為主傳動軸爆炸視圖。

通過上面的方法可對機床其他部件進行分別裝拆，通過反復的模擬拆卸過程，在隨后的實際操作過程中，學生可牢記拆卸順序、步驟和注意事項。通過這樣的方法，使裝拆過程變得簡單、直觀、易懂。這樣不僅縮短了學生實際拆裝的時間，同時還解決了實際裝拆過程中臺套數量不夠、學生裝拆過程思路和場面混亂等一系列問題。目前我校在機床概論相關專業課程的教學過程中，充分利用了已完成的Solidworks三維模型建模成果，學生的學習積極性明顯提高，取得了較好的教學效果。

三、課程教學定位

根據流程圖（圖2），課程教學涉及基礎專業基礎課程、專業選修課程，訓練學生綜合運用專業知識、問題分析等能力。與傳統課程教學相比較，進一步增強了學生的動手能力和問題分析能力，更貼近實際的生產現場情況。

四、虛擬技術在機床拆裝實踐教學過程中存在的問題

實踐證明，通過利用Solidworks軟件對機床虛擬裝拆，可使理論知識和實踐應用進行較好的銜接，打破了傳統教學方式，激發了學生的學習興趣，同時很好地解決了實踐教學過程中存在的一些共性問題。但同時我們也發現了一些問題：（1）三維模型的創建需要耗費大量時間和精力，需要對Solidworks軟件與機床結構都非常熟悉的工程專業人員才能完成；（2）實際的零件和三維模型在零件尺寸、形狀、相互位置等方面存在差異，虛擬裝拆不能完全反映實踐的裝拆情況。

綜上所述，虛擬技術在機床拆裝實踐教學中起著平滑過渡的關鍵作用，進一步提高了機床拆裝實踐教學的效果。

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