虛擬數(shù)控車削實訓(xùn)平臺的理論研究與開發(fā)

何流洪， 周崢嶸

（貴州大學(xué)， 貴州 貴陽 550025）

引言

數(shù)控實訓(xùn)是工程訓(xùn)練的重要環(huán)節(jié)，是學(xué)生將先進(jìn)制造技術(shù)運(yùn)用于實踐的重要平臺，是提高學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的重要手段。虛擬數(shù)控車削實訓(xùn)平臺的開發(fā)有利于解決師生比例不協(xié)調(diào)、設(shè)備投入大、安全問題等難題；更重要的是，虛擬數(shù)控車削實訓(xùn)平臺改變了傳統(tǒng)單一古板的教學(xué)模式，將教學(xué)拓展到線上課下，實現(xiàn)興趣驅(qū)動、“知行合一”、形成“以學(xué)生為中心”的良好教學(xué)模式。

1 虛擬數(shù)控車削實訓(xùn)平臺的理論基礎(chǔ)

1.1 構(gòu)建理論與認(rèn)知理論

構(gòu)建主義認(rèn)為知識構(gòu)建是個人經(jīng)驗以及原有知識與情景環(huán)境的相互作用形成的新認(rèn)知結(jié)構(gòu)。通過“同化與順應(yīng)”過程的建立，以“平衡－不平衡－新的平衡”的模式循環(huán)構(gòu)建。構(gòu)建主義強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者的作用，提倡“以學(xué)習(xí)者為中心”，同時重視環(huán)境與原有知識構(gòu)架的作用。認(rèn)知理論將學(xué)習(xí)者能根據(jù)有意識提取的線索直接陳述的知識定義為陳述性知識；將無法直接陳述的、需借助某一形式、并依靠間接推測的知識定義為程序性知識。認(rèn)知理論強(qiáng)調(diào)的學(xué)習(xí)形式有符號性學(xué)習(xí)、觀察性學(xué)習(xí)以及技能性學(xué)習(xí)。不難發(fā)現(xiàn)，虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控車削實訓(xùn)中的應(yīng)用正好契合構(gòu)建主義和認(rèn)知理論的理論精華。虛擬數(shù)控車削實訓(xùn)平臺構(gòu)建逼真的實訓(xùn)環(huán)境，拓展了學(xué)習(xí)資源，讓每一個學(xué)習(xí)者都能親身沉浸于虛擬世界，在這個逼真的虛擬世界，學(xué)習(xí)者就是中心，學(xué)習(xí)者會不經(jīng)意間學(xué)習(xí)虛擬世界里的符號知識，會觀察、感知虛擬世界里的事物，還會體驗操作虛擬設(shè)備。在學(xué)習(xí)、觀察、體驗的過程中，完成對新知識體系的構(gòu)建，形成新的理論和觀點[1]。

1.2“經(jīng)驗之塔”理論

“經(jīng)驗之塔”理論中，基于抽象程度不同將經(jīng)驗劃分為“做的經(jīng)驗”“觀察的經(jīng)驗”以及“抽象的經(jīng)驗”，“經(jīng)驗之塔”理論強(qiáng)調(diào)各層理論模型之間的相互轉(zhuǎn)變及影響。虛擬數(shù)控車削實訓(xùn)平臺提供給學(xué)習(xí)者逼真的虛擬學(xué)習(xí)場所，學(xué)習(xí)者能在虛擬場景中游走，還能真切地操作使用機(jī)床設(shè)備，實現(xiàn)“做的經(jīng)驗”獲??；虛擬數(shù)控車削實訓(xùn)平臺融合聲音、圖像、文本等視聽多媒體工具，將經(jīng)驗獲取從“做的經(jīng)驗”轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝^察的經(jīng)驗”；在此基礎(chǔ)上，對科學(xué)原理、定義、過程等“符號”進(jìn)行逼真的、更為立體的、可視化的重現(xiàn)，實現(xiàn)“抽象的經(jīng)驗”獲取。

1.3 情景認(rèn)知學(xué)習(xí)理論

情景認(rèn)知學(xué)習(xí)理論認(rèn)為：學(xué)習(xí)必須以情景為依托，以學(xué)習(xí)者為中心，以實踐為手段，通過一系列人類協(xié)調(diào)的行為，使學(xué)習(xí)者與動態(tài)變化發(fā)展環(huán)境相適應(yīng)。實訓(xùn)課程是情景認(rèn)知理論推崇的“知行合一”的最優(yōu)體現(xiàn)，其主體便是實踐。虛擬仿真技術(shù)為學(xué)習(xí)者提供便捷的、逼真的學(xué)習(xí)情景，促使學(xué)習(xí)者從傳統(tǒng)教學(xué)的被動接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，另外，通過虛擬數(shù)控車削平臺發(fā)布的PC和移動終端，掙脫了時空的限制，將學(xué)習(xí)情景拓展到任何地方任何時間，使實踐能動態(tài)自由進(jìn)行，知識能無時無地地獲取[2]。

2 虛擬數(shù)控車削實訓(xùn)平臺的開發(fā)

2.1 數(shù)控車削實訓(xùn)課程

數(shù)控技術(shù)的實踐訓(xùn)練是一門綜合性很高的實踐課程，是編程技術(shù)、控制技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)融合應(yīng)用于實踐的最佳典范。目前，數(shù)控技術(shù)實踐訓(xùn)練課程依托構(gòu)建理論、“經(jīng)驗之塔”理論以及情景認(rèn)知學(xué)習(xí)理論設(shè)計，基于CDIO模式搭建，教學(xué)過程包含構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）環(huán)節(jié)，由方案構(gòu)思→零件設(shè)計→工藝分析→數(shù)控程序編寫→數(shù)控程序仿真驗證→虛擬加工→實體加工→考核模塊構(gòu)成，如下頁圖1所示。

圖1 數(shù)控車削實訓(xùn)課程

數(shù)控車削實訓(xùn)課程的設(shè)置體現(xiàn)了“做中學(xué)”和“知行合一”的教學(xué)原則[2]。虛擬加工在實踐課程中起到承上啟下的關(guān)鍵作用，將課程串聯(lián)成一個整體，徹底擺脫設(shè)備不夠、安全性不高的制約；教學(xué)模式也從老師“操作示范”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩W(xué)生自主實踐”。課程拓展到課前的預(yù)習(xí)學(xué)習(xí)、課中訓(xùn)練、課后的鞏固復(fù)習(xí)等全方位學(xué)習(xí)狀態(tài)。

2.2 虛擬數(shù)控車削實訓(xùn)平臺開發(fā)的需求分析及工具選擇

平臺開發(fā)主要使用者是高校師生，平臺的應(yīng)用要具備如下幾個條件：仿真要高度逼真，即場景要高度逼真，操作要高度仿真、交互要及時有效，界面要清晰流暢；功能要完善，要具備逼真的加工環(huán)境，提供學(xué)習(xí)案例庫，提供安全教育和學(xué)習(xí)功能[3]。

平臺搭建主要包括材料收集準(zhǔn)備、三維模型建立、模型處理及虛擬仿真實現(xiàn)幾個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，相互影響，所以選擇合適的軟件至關(guān)重要。

虛擬仿真軟件的選擇基于軟件的兼容性、畫質(zhì)、交互性、經(jīng)濟(jì)性等方面考量，如表1所示。

表1 常用虛擬仿真軟件比選

顯然，作為一款專業(yè)的仿真軟件，unity3D的各項指標(biāo)都很全面，最為優(yōu)異的特征主要體現(xiàn)在：首先，開發(fā)思路清晰高效，unity3D以“All in One”作為設(shè)計理念，擁有全面完善的開發(fā)編輯功能，實現(xiàn)個性化設(shè)置、高度整合、方便擴(kuò)展的開發(fā)環(huán)境。其次，兼容性極佳，Unity3D支持的三維模型格式較全面，覆蓋了目前主流的三維軟件 （3ds Max、Blender、Maya、Cinema4D等）；支持腳本開發(fā)，兼容C#和JavaScript（JS）在同一項目中自由調(diào)用。Unity3D支持的編程語言有C#和JavaScript（JS）；另外，Unity3D能將產(chǎn)品發(fā)布多個平臺。最后，可視化的操作界面和較高的性價比也讓其受到越來越多開發(fā)者的青睞[4-5]。

綜上所述，虛擬仿真軟件選用Unity3D.

建模軟件主要從使用便捷性、功能全面性上考量，UG是一款專業(yè)的工程解決方案軟件，有強(qiáng)大的產(chǎn)品設(shè)計功能，能滿足平臺搭建中模型建立的要求。但UG不能導(dǎo)出Unity3D所需的格式，需要一款模型處理軟件對模型進(jìn)行處理，考慮到處理軟件和虛擬仿真軟件的兼容性問題以及處理軟件的使用便捷性，選用3DSMax進(jìn)行動畫制作及模型處理，使用PS進(jìn)行圖片處理。

2.3 虛擬數(shù)控車削實訓(xùn)平臺開發(fā)技術(shù)

虛擬數(shù)控車削實訓(xùn)平臺的開發(fā)包括兩方面的工作，一是虛擬加工環(huán)境構(gòu)造，包括虛擬車間、虛擬設(shè)備模型、虛擬工具及其他虛擬物品，要實現(xiàn)能在虛擬環(huán)境中游走、學(xué)習(xí)、觀察等功能；二是虛擬加工設(shè)備的構(gòu)造，也就是要搭建虛擬數(shù)控機(jī)床，要具備運(yùn)動功能、交互功能，在虛擬環(huán)境中心進(jìn)行加工，開發(fā)框架如圖2所示。

圖2 虛擬數(shù)控車削實訓(xùn)平臺開發(fā)技術(shù)框架

1）三維模型建立，虛擬環(huán)境的三維模型建立主要有車間模型建立（包括廠房、底板、墻體等）、設(shè)備模型建立（包括數(shù)控車床外觀模型、砂輪機(jī)等其他設(shè)備模型）、數(shù)控車床的具體模型建立。數(shù)控車床的模型包含各個車床的具體零件，比如機(jī)床外殼、主軸箱、導(dǎo)軌、刀架、尾座、操作面板等，還需要將各構(gòu)件裝配成完整的機(jī)床，以備后續(xù)使用。

2）模型優(yōu)化，通過UG建立的三維模型較為粗糙，最重要的是UG建立的模型格式不能直接導(dǎo)入Unity3D使用，所以，通過PS和3DSMax將一些圖片和模型進(jìn)行優(yōu)化處理是十分必要的，同時3DSMax動畫制作功能較強(qiáng)，便于學(xué)習(xí)案例庫的建立。在使用3DMax裝配文件時會出現(xiàn)面受損以及裝配位置偏差等情況，用先轉(zhuǎn)配后導(dǎo)入的方式能避免這種情況的發(fā)生。

3）實現(xiàn)交互控制，基于導(dǎo)入的模型，通過Unity3D進(jìn)行應(yīng)用層、組建、對象和場景四個層面的設(shè)計編輯，通過功能設(shè)置及腳本開發(fā)等，實現(xiàn)虛擬加工環(huán)境構(gòu)造及虛擬車削實訓(xùn)設(shè)備的各項功能。最后將項目發(fā)布至PC端和移動終端。

3 結(jié)語

在計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的高速發(fā)展的背景下，虛擬仿真技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用愈加廣泛，使得虛擬仿真技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用前景越來越廣闊，越來越深入，需要保持開放和積極態(tài)勢，加強(qiáng)對虛擬仿真技術(shù)的研究，拓展虛擬仿真技術(shù)在高校教學(xué)中應(yīng)用領(lǐng)域，為國家人才培養(yǎng)添磚加瓦。