車削刀具虛擬仿真輔助教學系統設計

寧波大學 于愛兵 李毅

虛擬仿真是目前課程教學中的主要輔助教學手段之一。車削運動和刀具角度學習內容比較抽象，學生的理解和掌握存在一定的困難。本文探索了虛擬仿真技術在車削刀具輔助教學中的應用，應用SolidWorks、Unity3D、3D Studio Max等軟件制作了車削刀具輔助教學軟件系統，幫助學生學習和理解車削運動、刀具組成和刀具角度。開發的軟件豐富了教學形式，提高了車削刀具基礎知識教學內容的易學性，有利于提升學生的學習興趣和學習效果。

金屬削加工是《機械制造技術基礎》、《金工實習》等課程的必修內容之一，車削運動與刀具基礎知識是金屬切削加工授課中的重點內容。但是，學生在學習上述知識時，常感到抽象而難以理解。通常情況下，教師采用刀具教具或者實際車床切削操作方式進行教學，但仍然存在一些問題：(1)受到刀具教具或者模型數量的限制，學生的參與度有限，體驗性較差；(2)車床切削操作過程中存在一定的安全隱患；(3)通過車床進行切削實驗，存在一定的資金投入以及運行和維護成本。虛擬仿真技術為課程教學帶來了新的方法和思路，虛擬仿真技術的互動性為傳統教學方式提供了革命性的升級途徑。目前，機械專業任課教師對虛擬仿真教學的開發與應用進行了有益的探索。本文結合車削刀具的基礎知識，應用Solidworks、Unity3D以及3D Studio Max等軟件，開發了車削刀具輔助教學系統，有助于豐富授課形式，幫助學生更好的學習和掌握車削刀具的專業知識。

1 車削刀具輔助教學系統開發流程

車削刀具輔助教學系統開發流程如圖1所示，具體過程如下：(1)對車刀、刀桿與三爪卡盤進行測繪，并通過SolidWorks建立三維幾何模型；(2)將車刀、刀桿與三爪卡盤的幾何模型導入到3D Studio Max中進行模型裝配并導出到Unity3D軟件中；(3)根據車削加工的實際運動與刀具幾何角度，在Visual Studio中編寫對應的腳本，通過界面中的虛擬按鈕和鍵盤實現對Unity3D中的幾何模型、場景相機以及助學文本的控制。除了模擬車削運動外，還可以實現3D視角與場景的切換；(4)完成軟件的應用模塊，檢測所有按鈕功能后，將軟件打包導出。

圖1 軟件設計流程Fig.1 Software design process

2 車削刀具輔助教學系統內容

車削加工是工件和刀具相互作用的過程，要求學生掌握的知識點包括：(1)切削運動；(2)刀具切削部分的組成；(3)刀具角度。我們根據刀具的基礎知識，對以上三部分內容進行了開發設計。教材中通常以示意圖的形式拆分切削加工過程，以剖面圖的形式解釋刀具角度，這對學生抽象思考的能力有一定要求。而在刀具輔助教學系統軟件的虛擬空間中，可以通過對場景相機的控制，在不同的視角觀察車刀，再通過添加輔助線、輔助面與文本等內容，達到幫助學生學習和理解上述知識點的效果。

2.1 軟件界面

點擊圖標即可打開軟件，出現如圖2所示的開始界面。點擊“開始”按鈕進入學習模塊，如圖3所示為教學軟件的初始主界面，主界面左側設置有兩組功能欄：“車削運動”與“刀具角度”，通過點擊對應的按鈕即可進行學習。右上角設置有“開始車削”與“返回初始界面”兩個按鈕。此外，通過鍵盤上的字母按鍵，還可以控制相機的場景轉換，以便于觀察和學習刀具的各個切削部分。

圖2 軟件開始界面Fig.2 Software start interface

圖3 軟件初始主界面Fig.3 Initial main interface of software

2.2 切削運動

單擊主界面右上角“開始車削”按鈕，切削運動開始，如圖4（a）所示，三爪卡盤帶動工件進行旋轉主運動，車刀進行直線進給運動。單擊“返回初始界面”按鈕，界面內的所有運動停止，恢復到如圖3所示的初始狀態。通過界面左側的“車削運動”功能欄，可以分別控制車削過程的主運動與進給運動，并對合成運動進行圖解。單擊“主運動”按鈕后，三爪卡盤與工件會進行逆時針旋轉，模擬實際切削運動中的主運動過程；單擊“進給運動”按鈕后，車刀向三爪卡盤方向進行水平運動，模擬實際切削運動中的進給運動；單擊“合成運動示意圖”按鈕后，軟件會提供一張切削合成運動示意圖，如圖4（b）所示，因為切削合成運動方向不便于觀察，可以通過示意圖進行輔助教學。學生通過上述軟件交互，可以直觀學習和理解切削運動的組成與對應功能。

圖4 切削運動界面Fig.4 Cutting motion interface

2.3 刀具切削部分組成

為了幫助學生觀察和理解刀具切削部分的各個組成，教學軟件設置了通過按鍵控制界面相機位置的功能，學生可以在不同相機角度觀察刀具的各個部分，同時，在不同的相機角度，還設置有助學文本幫助學生理解界面內容，從而清楚顯示刀具切削部分的各個組成，如圖5所示。在初始主界面狀態，在鍵盤上按下字母“Z”鍵，相機會切換到刀具的前刀面上方，學生便會觀察到刀具前刀面；同樣，按“X”鍵，顯示主后刀面；按“C”鍵，顯示副后刀面；按“V”鍵，顯示主切削刃；按“B”鍵，顯示副切削刃；按“N”鍵，顯示刀尖；點擊左上角“返回初始界面”按鍵，回到初始主界面。

圖5 刀具切削部分組成Fig.5 Composition of the cutting part

2.4 刀具角度

相比于刀具的各個切削部分，車刀角度更為抽象，需要借助刀具角度的參考平面來表現出相應的投影關系，因此，在軟件虛擬空間中插入了相應的刀具角度的三個參考平面，并提供了相應的文本說明，有助于更直觀的觀察和學習刀具角度。通過初始主界面左側“刀具角度”功能欄中的五個角度按鍵，可以分別顯示出五個刀具角度，如圖6所示。

圖6 刀具角度Fig.6 Tool angle

3 結語

車削運動和刀具角度學習內容比較抽象，學生的理解和掌握存在一定的困難。本文開發了車削刀具輔助教學系統，通過軟件界面的虛擬按鈕和鍵盤，實現了學生與虛擬模型的交互操作，并通過插入輔助文本和標識，幫助學生進一步學習和掌握知識點。開發的軟件豐富了教學形式，提高了車削刀具知識的易學性，有利于提升學習興趣和效果。