虛擬仿真技術在超精密加工實驗教學中的應用

葉回春，張洪偉，倪向貴，江蕓梅

（1.中國科學技術大學a.精密機械與精密儀器系；b.工程科學實驗教學中心，合肥 230027；2.廈門鳳凰創壹軟件有限公司研發部，福建廈門 361001）

0 引言

近些年，隨著航空航天、高精密儀器儀表、光學和激光等技術的迅速發展及在多領域的廣泛應用，相關行業對高精度的復雜零件、光學零件、高精度平面、曲面和復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質量取決于超精密加工技術的水平。因此，超精密加工技術的發展，直接影響到一個國家尖端技術和國防工業的發展［4-6］。目前，歐美、日本等發達國家已開發了多種精密和超精密車削、磨削、拋光等機床設備，新型的超精密加工和精密測量技術已相對成熟。國外在投入了很大力量進行超精密加工技術研究的同時，也實行了技術保密，嚴格控制關鍵加工技術及設備的出口［7］。因此，我國自主研發超精密加工技術勢在必行。

我國是一個制造大國，制造業規模位列世界前列，在精密加工技術和精密機床設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域，仍然遠落后于國外。因此，發展精密、超精密加工技術，對我國從制造大國邁向制造強國尤為重要?！爸袊圃?025”中關于高端制造建設內容的闡述，我國已將超精密加工技術定位為加工制造業領域中的重要發展方向［8-9］。

超精密加工是集設計、制造、控制、材料、測量等多學科知識為一體的技術［10-12］。開展超精密加工的教學，不僅能夠綜合機械設計、自動控制原理、精密測量、數控加工、工程材料等多學科的知識，有效地提高學生解決復雜工程問題的能力，更能為我國尖端制造領域儲備高層次人才。超精密加工技術種類較多，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、民用工程的制造技術中，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的有效途徑。但實際中，SPDT的設備價格昂貴、使用成本高、環境要求嚴格，大部分高校都無法將此項技術應用于實際教學中。因此，本文提出依托現有的單點金剛石車削超精密加工設備Freeform L，進行超精密加工虛擬實驗設計，建設超精密加工虛擬仿真實驗教學平臺，高規格地模擬真實設備操作，從零部件的自主設計、加工、到測量，完整重現超精密的加工工藝過程，通過過程評價和結果考核評價相結合，實現對超精密加工知識操作學習過程的全覆蓋。本虛擬實驗的設計對我國高端制造領域的人才培養闖出了一條新路。

1 超精密加工虛擬仿真實驗教學平臺內容設計

超精密加工虛擬仿真實驗平臺設計遵循滿足學生自主學習、自由探索的基本需求，分別設置了實驗準備、實驗預習、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容設計

各模塊所含內容包括：

（1）實驗準備模塊。該模塊包含的內容主要有：進行超精密加工虛擬實驗的目的；超精密加工技術涉及的理論知識及進行實驗所需學習的理論基礎課程；實驗中所用的設備（超精密加工系統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、調節工具等）及預設參數（恒溫［（18～25）±0.5］℃，恒濕55%±2% RH及萬級潔凈間）等。實驗準備模塊為開始進行超精密加工實驗做基本準備。

（2）實驗預習模塊。該模塊中的超精密加工技術背景知識，不但給出了超精密加工在航空航天、武器、民用等方面的應用實例，還配備了詳細的講義供下載學習，目的使學生能自主學習超精密加工機床構造及基本工作原理，使學生知道超精密加工能夠實現納米級加工精度的關鍵原因，并了解超精密加工在高端制造上的應用前景及在“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建議的教材。

（3）實驗操作模塊。該模塊包含練習模式及考核模式兩方面內容。練習模式中以案例教學為主，給定一個典型超精密零件圖紙，老師引領示范、學生跟隨操作，或學生根據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備也比較多，但是培養了學生觀察、思考和總結的能力，老師在示范過程中只強調關鍵步驟和注意事項?？紤]到學生在實驗操作中的不確定性，虛擬教學軟件中設計了比超精密加工機床更靈活的容錯、提示和恢復功能，讓學生在操作不正確情況下了解錯誤發生原因，觀察錯誤操作的后果，并能恢復到誤操作前的工況，修正操作；在考核模式中，待加工零件的圖紙由老師根據上課進度上傳，學生需要根據圖紙制定加工工藝，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，而且關鍵步驟會有相應的知識點考核，學生答錯會進行實驗分數的扣減。便于學生對學習效果進行自我檢驗，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置了導航條，實現一鍵可達相關界面的功能（見圖2）。

圖2 超精密加工虛擬實驗具體實現布局圖

（4）實驗報告模塊。該模塊是實驗操作完成的后續步驟，由兩部分組成，一部分為學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定進行的，根據權重扣分；另一部分為操作結果的考核，本實驗學生需要根據教師設定的圖紙進行程序編寫，進行參數設計及迭代加工，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果是否達標的依據。

（5）在線測驗模塊。主要考核學生在經過前面幾個模塊的學習后對超精密加工原理與知識的掌握情況。此模塊設置題庫，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，通過學生作答提交，系統進行自動判分，其中思考題判分的標準為學生答題知識要點的匹配程度。實驗報告模塊和在線測驗模塊的成績之和為學生在本虛擬實驗中的總成績，任課教師可以根據上課需要對這兩部分成績的權重進行調整。

（6）師生互動模塊。該模塊為學生教師交流的平臺，學生在學習過程中遇到問題，可以在模塊內提出問題，任課教師跟帖回復解答，其他學生也可以參與討論回復。實現學生與教師之間、學生與學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設計，實現了學生從零基礎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方法

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

圖3 超精密虛擬仿真教學方法及模式

開展實驗前，學生除了要閱讀平臺內給的講義及視頻外，還需自主收集超精密加工技術相關的知識，自主學習仿真軟件操作與數控編程，在學習中遇到問題可通過互動模塊與老師溝通，培養學生自主學習的能力；本實驗建議學生2 或3 人為1 組進行實驗，以便對超精密加工技術的關鍵操作步驟、關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律；實驗互動環節中預留了開放性討論題、方案設計題等，學生在組內進行探討研究，分工合作完成方案的設計并實施通過，完成本虛擬仿真實驗項目，對于擁有相類似超精密加工設備的院校，還可以在線下實際機床中具體操作驗證，實現線上線下混合教學。

3 超精密加工虛擬仿真實驗教學平臺應用成效與改進

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項目認定工作中，獲批為機械類國家級虛擬仿真實驗教學項目及國家級金課。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上虛擬教學資源，還可以為有培訓需求的企業服務。目前，校內已有800 余學生使用受益，校外有2.6 萬余人點擊試用，產生了良好的社會效益。

為進一步發揮本實驗平臺的示范效應，需要不斷進行實驗教學模式創新與改革，通過連續建設和發展，實現多學科、多校區、多學校、多組織之間的教學資源和教學經驗共享。具體計劃如下：

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

（2）面向社會的推廣與持續服務計劃。①本實驗將依托我校工程科學虛擬仿真實驗教學平臺，通過舉辦會議、成立論壇、接待參訪等形式，與校內外及國內外兄弟院校機械專業、相關研究機構和實驗室進行仿真實驗項目建設思路、經驗交流，和成果資源共享；實驗平臺還將為光學工程、天文學、儀器儀表、信息與控制學科等專業教學提供虛擬仿真實驗條件，為培養相關專業學生的綜合創新能力服務；②虛擬實驗還將綜合應用多媒體、大數據、三維建模、人工智能、人機交互、傳感器、超級計算、虛擬現實、增強現實、云計算等網絡化、數字化、智能化技術等手段，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 結語

超精密虛擬仿真實驗在內容設計上緊跟國家戰略發展需求，教學理念先進，將信息技術與實驗教學完美融合。基于虛擬現實技術的教學設計，打破了時間和空間的限制，是對傳統說教和靜態模型展示為主的實驗教學方式的重大革新。本實驗堅持問題導向，以學生為中心，實驗教學內容詳實適宜，學生可身臨其境地體驗超精密加工環境并能夠模擬工程師的實際操作；在教學方案上，注重課前指導、實驗預習，學生可分組完成實驗，分別提交報告，單獨考核。倡導學生自主、合作、探究地完成實驗項目，并可根據個人興趣自行設計圖紙、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，方便學生隨時討論實驗內容，并及時將學生反饋的問題匯總、整理、答疑。本虛擬實驗平臺是對傳統實驗教學的延伸與拓展，可作為機械設計基礎、精密機械設計、精密測量技術基礎等理論教學課程的補充，實現線上線下互動教學，也可單獨作為超精密加工技術的課程開設，與現有機床Freeform L 配合，實現虛實結合教學。

學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成和系統工作流程，深刻理解精密機械設計理論、精密測量理論、誤差分析等知識在超精密加工中的應用。超精密虛擬仿真實驗設計不僅能有效調動學生學習專業理論知識的積極性，還鍛煉了他們的實踐操作技能。有利于培養學生發現問題、解決問題的能力，充分發掘他們的創造潛能，提高解決復雜工程問題的綜合能力。