基于VR的數(shù)控銑床虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)

王 利，陳清奎，宋文浩，魏鑫鑫

（山東建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

0 引 言

數(shù)控車間環(huán)境復(fù)雜，機(jī)床操作危險(xiǎn)系數(shù)大，而學(xué)習(xí)者不得不進(jìn)入車間進(jìn)行學(xué)習(xí)，因此借助虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)展示數(shù)控車間。數(shù)控銑床的教學(xué)過(guò)程中，教師希望學(xué)生能熟練運(yùn)行數(shù)控機(jī)床，并能熟練編寫數(shù)控程序。但是由于缺乏實(shí)訓(xùn)機(jī)器、教學(xué)場(chǎng)地和安全因素，高校學(xué)生對(duì)數(shù)控銑床的學(xué)習(xí)并不能達(dá)到預(yù)期效果。借助虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教學(xué)模式相結(jié)合，虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)地教學(xué)，又可以在線實(shí)訓(xùn)，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)更加高效，同時(shí)可降低使用者因操作不當(dāng)產(chǎn)生的危險(xiǎn)系數(shù)。因此將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用到教學(xué)系統(tǒng)中，對(duì)提升教學(xué)質(zhì)量有重要的意義[1-5]。

目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國(guó)內(nèi)飛速發(fā)展，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的教育項(xiàng)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(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，教學(xué)數(shù)控仿真系統(tǒng)，包含基本知識(shí)、基本操作、編程教學(xué)、仿真實(shí)訓(xùn)和實(shí)訓(xùn)自測(cè)題等多個(gè)方面。

1 數(shù)控車床虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)

1.1 開發(fā)目的

教學(xué)系統(tǒng)基于高等院校數(shù)控實(shí)訓(xùn)的機(jī)床，結(jié)合高等院校的課程教學(xué)大綱設(shè)計(jì)。通過(guò)應(yīng)用軟件SolidWorks和3DS Max繪制模型，將C#程序?qū)險(xiǎn)nity 3D控制模型開發(fā)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。數(shù)控仿真教學(xué)系統(tǒng)中，學(xué)習(xí)者可通過(guò)移動(dòng)鼠標(biāo)進(jìn)行學(xué)習(xí)，鼠標(biāo)在某一位置停留，即可顯示當(dāng)前機(jī)床部件的名稱。其次，教學(xué)系統(tǒng)還分為多個(gè)模塊，點(diǎn)擊不同模塊，可以在實(shí)訓(xùn)室漫游行走自行操作，跟隨本模塊的流程實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)[6]。

1.2 功能介紹

基于數(shù)控銑床的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)內(nèi)容主要包括4個(gè)方面：數(shù)控銑床基本知識(shí)的講解、基本操作、編程教學(xué)、仿真實(shí)訓(xùn)與考核?；局R(shí)講解又分為結(jié)構(gòu)名稱介紹、運(yùn)動(dòng)原理、加工參數(shù)的設(shè)定等模塊，將數(shù)控銑床的各個(gè)部位名稱、坐標(biāo)系、運(yùn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)速以及進(jìn)給速度進(jìn)行詳細(xì)介紹。編程教學(xué)中先對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行數(shù)控銑床指令的介紹，然后選取編程實(shí)例進(jìn)行講解。最終的考核階段是以選擇題和填空題的形式對(duì)數(shù)控銑床知識(shí)進(jìn)行考核。

1.3 結(jié)構(gòu)分析

數(shù)控仿真教學(xué)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(shí)、基本操作、編程教學(xué)、仿真實(shí)訓(xùn)和實(shí)訓(xùn)自測(cè)題，教學(xué)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(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該教學(xué)系統(tǒng)設(shè)置了一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)菜單，如三級(jí)菜單的銑削加工概念、銑削加工設(shè)備、銑床附件與銑刀和銑削方式等，使教學(xué)系統(tǒng)更加清晰，加強(qiáng)教學(xué)系統(tǒng)的邏輯性，使學(xué)生在使用過(guò)程中能更好地認(rèn)識(shí)數(shù)控銑床。

1.4 開發(fā)流程

數(shù)控銑床虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)流程由模型制作、交互界面設(shè)計(jì)及編程發(fā)布程序組成。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)數(shù)控銑床進(jìn)行建模；然后設(shè)計(jì)UI界面，經(jīng)Photoshops將所需要的圖片進(jìn)行處理，讓學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)時(shí)保持舒暢的心情；將繪制完成的模型以FBX格式輸出，并導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D中，經(jīng)C#編程而控制模型運(yùn)動(dòng)[4]，最后發(fā)布程序。虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 數(shù)控銑床教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)流程

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 界面設(shè)計(jì)

為了讓學(xué)習(xí)者能更好地使用仿真教學(xué)系統(tǒng)，教學(xué)系統(tǒng)的用戶界面經(jīng)過(guò)UI界面設(shè)計(jì)，模塊以列表的方式進(jìn)行排列，使系統(tǒng)更簡(jiǎn)潔清晰。學(xué)生可以通過(guò)點(diǎn)擊按鈕進(jìn)入三維空間，實(shí)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)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(guò)程中，數(shù)據(jù)龐大，模型復(fù)雜。為了減小Unity 3D的渲染量，將SolidWorks導(dǎo)出的.STL文件導(dǎo)入3DS Max中。模型將以面的形式存在，因此頂點(diǎn)和面會(huì)急劇增加，可以通過(guò)轉(zhuǎn)換成四邊面達(dá)到降低三角面數(shù)量的目的。

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 基礎(chǔ)知識(shí)

進(jìn)入教學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)分為基本知識(shí)、基本操作、編程教學(xué)、仿真實(shí)訓(xùn)以及實(shí)訓(xùn)自測(cè)題五大模塊。以基本知識(shí)模塊為例，打開基本知識(shí)模塊，包括銑削加工概念、銑削加工設(shè)備、銑床附件與銑刀以及銑削方式等內(nèi)容。進(jìn)入二級(jí)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(biāo)點(diǎn)擊銑削方式中三級(jí)模塊，會(huì)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(biāo)點(diǎn)擊三級(jí)模塊按鈕，即進(jìn)入三維空間車間中進(jìn)行學(xué)習(xí)。

3.3 編程教學(xué)

編程教學(xué)通過(guò)知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，通過(guò)改變編程進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速以及指令等幫助學(xué)習(xí)者更好地學(xué)習(xí)。

3.4 仿真實(shí)訓(xùn)

進(jìn)入系統(tǒng)，點(diǎn)擊仿真實(shí)訓(xùn)模塊，系統(tǒng)右上角會(huì)出現(xiàn)實(shí)際操作步驟。進(jìn)入車間，通過(guò)手柄點(diǎn)擊工具，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行操作。

3.5 考核模塊

為了使學(xué)習(xí)者更好地檢測(cè)自己的學(xué)習(xí)效果，在教學(xué)系統(tǒng)中增加了實(shí)訓(xùn)自測(cè)題模塊。學(xué)習(xí)者將題目回答完畢后選擇提交，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)批改，并給出正確答案。

4 系統(tǒng)檢驗(yàn)

數(shù)控銑床虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊界面按鈕，在實(shí)踐中進(jìn)行理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。通過(guò)低級(jí)模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，間接完成對(duì)高級(jí)模塊的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，如圖4所示。

圖4 基礎(chǔ)知識(shí)銑刀模塊

5 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控銑床虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)以XK5032數(shù)控銑床為實(shí)例，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、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(guò)對(duì)教程的使用讓學(xué)習(xí)者獲取由理性到感性再到理性的認(rèn)知，一方面該教學(xué)系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)教師的教學(xué)方式，將PPT的抽象內(nèi)容實(shí)體化；另一方面應(yīng)用虛擬仿真系統(tǒng)，有效地改善學(xué)生學(xué)習(xí)條件，增強(qiáng)了現(xiàn)實(shí)感，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，有助于快速掌握數(shù)控銑床的相關(guān)知識(shí)。