基于VR的數(shù)控銑床虛擬仿真教學系統(tǒng)

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(shù)控車間環(huán)境復雜，機床操作危險系數(shù)大，而學習者不得不進入車間進行學習，因此借助虛擬現(xiàn)實平臺展示數(shù)控車間。數(shù)控銑床的教學過程中，教師希望學生能熟練運行數(shù)控機床，并能熟練編寫數(shù)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(shù)控銑床的學習并不能達到預期效果。借助虛擬現(xiàn)實平臺將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與教學模式相結(jié)合，虛擬現(xiàn)實的三維可視化可以將數(shù)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(chǎn)生的危險系數(shù)。因此將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用到教學系統(tǒng)中，對提升教學質(zhì)量有重要的意義[1-5]。

目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)在國內(nèi)飛速發(fā)展，基于虛擬現(xiàn)實的教育項目層出不窮，并取得大量的成果。現(xiàn)結(jié)合傳統(tǒng)教育模式，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，教學數(shù)控仿真系統(tǒng)，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(shù)控車床虛擬仿真教學系統(tǒng)的開發(fā)

1.1 開發(fā)目的

教學系統(tǒng)基于高等院校數(shù)控實訓的機床，結(jié)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?qū)險nity 3D控制模型開發(fā)虛擬仿真教學系統(tǒng)。數(shù)控仿真教學系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)自主學習[6]。

1.2 功能介紹

基于數(shù)控銑床的虛擬仿真教學系統(tǒng)內(nèi)容主要包括4個方面：數(shù)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(jié)構(gòu)名稱介紹、運動原理、加工參數(shù)的設定等模塊，將數(shù)控銑床的各個部位名稱、坐標系、運動方向、轉(zhuǎn)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(shù)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(shù)控銑床知識進行考核。

1.3 結(jié)構(gòu)分析

數(shù)控仿真教學系統(tǒng)中采用窗口、按鈕的方式制作，將仿真系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)控銑床虛擬仿真教學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該教學系統(tǒng)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(tǒng)更加清晰，加強教學系統(tǒng)的邏輯性，使學生在使用過程中能更好地認識數(shù)控銑床。

1.4 開發(fā)流程

數(shù)控銑床虛擬仿真教學系統(tǒng)的開發(fā)流程由模型制作、交互界面設計及編程發(fā)布程序組成。根據(jù)現(xiàn)場考察獲取數(shù)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(shù)控銑床進行建模；然后設計UI界面，經(jīng)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(jīng)C#編程而控制模型運動[4]，最后發(fā)布程序。虛擬仿真教學系統(tǒng)開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 數(shù)控銑床教學系統(tǒng)開發(fā)流程

2 系統(tǒng)關鍵技術(shù)

2.1 界面設計

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

圖3 系統(tǒng)界面

2.2 模型建立與優(yōu)化

在數(shù)控銑床建模的過程中，數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換成四邊面達到降低三角面數(shù)量的目的。

3 實際應用

3.1 基礎知識

進入教學系統(tǒng)，系統(tǒng)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(nèi)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(nèi)容。銑斜面包含偏轉(zhuǎn)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(jié)合的方式實現(xiàn)，通過改變編程進給速度、主軸轉(zhuǎn)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(tǒng)，點擊仿真實訓模塊，系統(tǒng)右上角會出現(xiàn)實際操作步驟。進入車間，通過手柄點擊工具，系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)會自動批改，并給出正確答案。

4 系統(tǒng)檢驗

數(shù)控銑床虛擬仿真教學系統(tǒng)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(tǒng)進行檢測，間接完成對高級模塊的系統(tǒng)監(jiān)測，如圖4所示。

圖4 基礎知識銑刀模塊

5 結(jié)束語

數(shù)控銑床虛擬仿真教學系統(tǒng)以XK5032數(shù)控銑床為實例，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機圖形學、Solid-Works和3DS Max建模，借助Unity 3D將數(shù)控銑床的銑床結(jié)構(gòu)、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(tǒng)改變了傳統(tǒng)教師的教學方式，將PPT的抽象內(nèi)容實體化；另一方面應用虛擬仿真系統(tǒng)，有效地改善學生學習條件，增強了現(xiàn)實感，提高了學生學習興趣，有助于快速掌握數(shù)控銑床的相關知識。