基于VR的數控銑床虛擬仿真教學系統

王 利，陳清奎，宋文浩，魏鑫鑫

（山東建筑大學 機電工程學院，山東 濟南 250101）

0 引 言

數控車間環境復雜，機床操作危險系數大，而學習者不得不進入車間進行學習，因此借助虛擬現實平臺展示數控車間。數控銑床的教學過程中，教師希望學生能熟練運行數控機床，并能熟練編寫數控程序。但是由于缺乏實訓機器、教學場地和安全因素，高校學生對數控銑床的學習并不能達到預期效果。借助虛擬現實平臺將虛擬現實技術與教學模式相結合，虛擬現實的三維可視化可以將數控銑床展示在使用者面前，既可以實地教學，又可以在線實訓，讓學生的學習更加高效，同時可降低使用者因操作不當產生的危險系數。因此將虛擬現實技術運用到教學系統中，對提升教學質量有重要的意義[1-5]。

目前虛擬現實技術在國內飛速發展，基于虛擬現實的教育項目層出不窮，并取得大量的成果。現結合傳統教育模式，運用虛擬現實技術，教學數控仿真系統，包含基本知識、基本操作、編程教學、仿真實訓和實訓自測題等多個方面。

1 數控車床虛擬仿真教學系統的開發

1.1 開發目的

教學系統基于高等院校數控實訓的機床，結合高等院校的課程教學大綱設計。通過應用軟件SolidWorks和3DS Max繪制模型，將C#程序導入Unity 3D控制模型開發虛擬仿真教學系統。數控仿真教學系統中，學習者可通過移動鼠標進行學習，鼠標在某一位置停留，即可顯示當前機床部件的名稱。其次，教學系統還分為多個模塊，點擊不同模塊，可以在實訓室漫游行走自行操作，跟隨本模塊的流程實現自主學習[6]。

1.2 功能介紹

基于數控銑床的虛擬仿真教學系統內容主要包括4個方面：數控銑床基本知識的講解、基本操作、編程教學、仿真實訓與考核。基本知識講解又分為結構名稱介紹、運動原理、加工參數的設定等模塊，將數控銑床的各個部位名稱、坐標系、運動方向、轉速以及進給速度進行詳細介紹。編程教學中先對學習者進行數控銑床指令的介紹，然后選取編程實例進行講解。最終的考核階段是以選擇題和填空題的形式對數控銑床知識進行考核。

1.3 結構分析

數控仿真教學系統中采用窗口、按鈕的方式制作，將仿真系統分為五大模塊：基本知識、基本操作、編程教學、仿真實訓和實訓自測題，教學系統結構如圖1所示。

圖1 數控銑床虛擬仿真教學系統結構

該教學系統設置了一級、二級、三級菜單，如三級菜單的銑削加工概念、銑削加工設備、銑床附件與銑刀和銑削方式等，使教學系統更加清晰，加強教學系統的邏輯性，使學生在使用過程中能更好地認識數控銑床。

1.4 開發流程

數控銑床虛擬仿真教學系統的開發流程由模型制作、交互界面設計及編程發布程序組成。根據現場考察獲取數控銑床的尺寸和圖片，首先借助SolidWorks、3DS Max等建模軟件按照比例對數控銑床進行建模；然后設計UI界面，經Photoshops將所需要的圖片進行處理，讓學習者學習時保持舒暢的心情；將繪制完成的模型以FBX格式輸出，并導入Unity 3D中，經C#編程而控制模型運動[4]，最后發布程序。虛擬仿真教學系統開發流程如圖2所示。

圖2 數控銑床教學系統開發流程

2 系統關鍵技術

2.1 界面設計

為了讓學習者能更好地使用仿真教學系統，教學系統的用戶界面經過UI界面設計，模塊以列表的方式進行排列，使系統更簡潔清晰。學生可以通過點擊按鈕進入三維空間，實現知識點的三維可視化，系統界面如圖3所示。

圖3 系統界面

2.2 模型建立與優化

在數控銑床建模的過程中，數據龐大，模型復雜。為了減小Unity 3D的渲染量，將SolidWorks導出的.STL文件導入3DS Max中。模型將以面的形式存在，因此頂點和面會急劇增加，可以通過轉換成四邊面達到降低三角面數量的目的。

3 實際應用

3.1 基礎知識

進入教學系統，系統分為基本知識、基本操作、編程教學、仿真實訓以及實訓自測題五大模塊。以基本知識模塊為例，打開基本知識模塊，包括銑削加工概念、銑削加工設備、銑床附件與銑刀以及銑削方式等內容。進入二級界面，在銑床附件與銑刀模塊中包含銑床附件與銑刀模塊。鼠標點擊銑削方式中三級模塊，會介紹3種不同的銑削方式。

3.2 基本操作

基本操作主要包含銑刀與工件安裝、銑平面、銑斜面、銑溝槽等內容。銑斜面包含偏轉銑刀銑斜面和使用斜墊鐵銑斜面。鼠標點擊三級模塊按鈕，即進入三維空間車間中進行學習。

3.3 編程教學

編程教學通過知識與實踐相結合的方式實現，通過改變編程進給速度、主軸轉速以及指令等幫助學習者更好地學習。

3.4 仿真實訓

進入系統，點擊仿真實訓模塊，系統右上角會出現實際操作步驟。進入車間，通過手柄點擊工具，系統自動進行操作。

3.5 考核模塊

為了使學習者更好地檢測自己的學習效果，在教學系統中增加了實訓自測題模塊。學習者將題目回答完畢后選擇提交，系統會自動批改，并給出正確答案。

4 系統檢驗

數控銑床虛擬仿真教學系統通過鼠標點擊界面按鈕，在實踐中進行理論知識的學習。通過低級模塊對系統進行檢測，間接完成對高級模塊的系統監測，如圖4所示。

圖4 基礎知識銑刀模塊

5 結束語

數控銑床虛擬仿真教學系統以XK5032數控銑床為實例，結合虛擬現實技術、計算機圖形學、Solid-Works和3DS Max建模，借助Unity 3D將數控銑床的銑床結構、仿真模擬及編程展示在使用者面前。通過對教程的使用讓學習者獲取由理性到感性再到理性的認知，一方面該教學系統改變了傳統教師的教學方式，將PPT的抽象內容實體化；另一方面應用虛擬仿真系統，有效地改善學生學習條件，增強了現實感，提高了學生學習興趣，有助于快速掌握數控銑床的相關知識。