虛擬現實技術在數控機床教學中的應用研究

曲振波　王繼禹

摘要：虛擬現實（Virtual Reality，以下簡稱VR）技術作為新興技術擁有很大的可開發利用的空間，特別是將VR技術運用到教學領域之中。在數控機床教學中應用VR技術可以有效地降低培訓所需的成本以及培訓中發生危險的概率。文章首先闡述了虛擬現實技術及數控機床教學現狀相關內容，其次明確了虛擬現實技術在數控機床教學中的應用意義，最后提出了虛擬現實技術在數控機床教學中的應用思路。通過本文的研究，以期利用VR技術的優勢增加數控機床教學的多樣性。

關鍵詞：虛擬現實技術;數控機床;教學;應用

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2021）05-0038-02

1虛擬現實技術概述

20 世紀 70 年代，Krueger設計開發了一個 VideoPlace 系統，標志著虛擬現實技術的概念與理論初步形成。VR技術是一種通過計算機系統所生成的逼真的虛擬情景，利用用戶的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等感官使其產生身臨其境的感受。VR技術在現階段有三個主要的特征：沉浸性（Immersion）、 交互性（Interaction）、 想象性（Imagination）。VR技術從研發之初就以其強大的功能性和包容性被應用到各行各業之中，現在VR技術已經被廣泛地應用在軍事、醫療、教育、娛樂等行業中。

2數控機床教學現狀

雖然傳統的數控機床教學會比較細致全面地講解操作方法，但在實踐的過程中會涉及到對真實的數控機床進行操作，這對于高校來說數控機床這種教學用具是十分昂貴的，并且傳統的數控機床教學因為是以書本資料和視頻教學為主，教學材料如果得不到及時地更新，就會有一定的滯后性。此外，傳統的數控機床教學其實分為兩部分，一部分是在學校中學習數控機床的基本知識，還有一部分是要到企業由師傅單獨教學。這樣的教學模式需要的周期長，但效果卻不對等，而且不當的操作對于設備的損害可能會造成不可逆的后果。

3虛擬現實技術在數控機床教學中的應用意義

VR技術的使用對于教育來說是一種革新。在數控機床的教學中使用VR技術能夠極大地縮短數控機床的教學時長，作為一個輔助教學“工具”，VR技術的使用會使數控機床的教學更加生動形象。通過VR技術的應用可以很好地彌補傳統數控機床教學中存在的不足。

1）使用3D建模的形式將數控機床的結構模型展示在虛擬空間中，實現了在虛擬空間中對于數控機床整體及其細節結構的展現，對于初學者來說能夠更加全面立體地去了解數控機床本身，相對于傳統的教學方法更加得直觀，能夠大大地加深學習者對于數控機床的整體印象與認知。

2）通過VR技術在虛擬空間中模擬數控機床操作的全過程，讓學習者系統地學習到數控機床的操作細節，再結合后續的數控機床操作測試，加深在操作中的使用規范和注意事項，讓學習者更好地進入到學習狀態中。

3）將VR技術應用到數控機床教學中，能夠減少教學成本，同時也會提高數控機床教學的安全系數。

將VR技術運用到數控機床教學中，不僅能夠豐富數控機床的教學內容，而且還能提高學習者對于數控機床學習的興趣，使其能夠更好地掌握數控機床的相關操作。

4 虛擬現實技術在數控機床教學中的應用思路

借助 Unity3D 強大的三維虛擬顯示功能來實現VR技術在數控機床教學中的應用。

4.1建模導入

根據工廠提供的數控機床圖紙，通過建模軟件Rhino進行細致地建模，還原數控機床的現實結構，1：1制作數控機床虛擬模型，再將做好的模型打包導入到Unity3D中，根據傳動機構來對模型進行進一步的屬性設置（如圖1）。

4.2整合開發

根據數控機床的真實材質來對模型進行貼圖的設計，通過PS來對貼圖進行編輯，添加表面紋理，使得模型更加真實。

4.3虛擬場景教學

結合傳統的數控機床教學并利用VR技術將教學分為三大階段，建設四個對應的虛擬場景。

三個階段分別為：數控機床的結構學習、數控機床的工作流程學習、數控機床的使用測試。通過這三個階段的學習使得學習者基本上能夠掌握數控機床的理論知識和操作方法。在虛擬環境中將三個階段分為四個具體的場景，如下：

場景一， 六個不同型號的數控機床展廳，在場景中每個數控機床前都有相應的機床簡介：機床型號、可加工零件等。在場景中可以讓學習者對于各個數控機床先進行總體地了解，之后學習者可以根據自己的需要來選擇要學習的數控機床，隨后進入接下來的場景二中，進行更加具體的學習（如圖2）。

場景二，在第二個場景中將會把數控機床進行拆解，并對其零件結構和工作原理進行講解，讓學習者可以進一步地對數控機床的整體結構、功能和運作方式進行學習。

場景三，學習者通過上兩個場景的學習對于數控機床已經有了一定的認識，第三個場景開始培訓學習者對于數控機床的使用過程。包括觀察目標零件—選料—將料安放—觀察物料的成型過程—取料對比。通過這個場景的學習可以掌握數控機床的整體操作過程，并對于可能會出現的危險操作進行相應的警示，這樣可以最大化地避免在以后的操作中出現不合規范的操作。

場景四，經過以上的三個場景，學習者已經對于數控機床的操作和使用有了系統的學習，這個場景主要培訓的是學習者對于數控機床程序的編寫，并根據學習者所編寫的程序來進行零件的加工，最后通過等級評判檢測學習者的學習效果。通過對目標零件結構的觀察來給出目標零件所相對應的程序，通過學習者給出的程序與原零件的程序進行比對，標出出錯的地方。之后，根據學習者給出的程序來進行零件的加工，并將加工完成的零件與目標零件進行比對并給出相應的等級，完成測試。

5教學效果反饋

為了能夠更好地在數控機床教學中進行VR技術的應用，對其進行了應用測試，通過對學習者的測試結果進行分析，得出了以下幾點。

1）學習者對于VR技術的應用接受程度還是很高的，對于將VR技術加入到數控機場的教學中也很看好。

2）在VR技術的應用中發現，使用者因為對于VR技術的不熟悉導致在虛擬環境中容易出現操作失誤，導致不能很好地達到教學要求。

3） VR技術在數控機床教學中的應用需要一個大眾接受的過程，現在大眾所認為的VR技術的應用大多數都是偏娛樂性的，對這項技術沒有較為全面的認識。

6結語

利用VR技術的交互性、沉浸性和想象性的特征，將其應用到數控機床的教學中，根據教學反饋的結果來看，VR技術能夠很好地應用到數控機床教學中，新技術的應用能夠解決傳統教學中容易出現的一些問題，并能夠避免不必要的風險。VR技術的應用可以較好地還原數控機床的結構功能和工作原理。通過本文的研究，可以看出VR技術在數控機床教學中的應用是可以實現的，在解決傳統教學中出現的問題之外還能夠增加教學的趣味性，在未來有很大的可拓展空間。