機械工程教學實訓仿真系統的研發與設計

王 娜

（西安航空職業技術學院航空維修工程學院,陜西西安,710089）

隨著我國經濟的不斷發展，企業特別是中小型企業開始越來越傾向于招納應用型技術人才，從而為企業的更快發展提供人才基礎。另一方面，高職院校人才培養與社會的脫節是當前我國高職教育存在的突出的問題，尤其是因為資金短缺等帶來的實驗室投入不足，實訓基地建設落后等問題，使得學生參加工廠實際的生產機會顯得非常少。而機械工程類專業學生在CAD制圖、模具等方面的要求非常高，可體現學生專業能力。因此，如何借助現代互聯網技術，在學校實訓設備比較缺乏的情況下，提升學生的專業技能，成為高職院校培養應用型人才的關鍵。對此，本文運用軟件平臺設計了機械制造的教學實訓平臺。

圖1 仿真軟件開發流程

1 軟件開發流程

仿真平臺的開發非常復雜，其涉及到的仿真項目也非常多。同時利用互聯網技術進行開發，必須考慮系統的穩定性、安全性和實用性，因此對該仿真軟件的開發總共分為兩個不同的部分：首先是結合機械制造課程對整體的教學大綱、教學內容等進行設計；其次是在上述教學設計的基礎上運用互聯網、三維立體軟件等進行仿真軟件開發。其具體的開發流程如圖1所示。

在進行教學設計階段，通過對工程類課程具體分析，如學校自身專業就業方向、培養重點、知識點、實訓方案等都必須做嚴格和仔細的規劃；其次在對仿真軟件進行開發，同時結合教學內容的要求，對軟件需要的素材、開發技術等進行一一的確定；最后則是按照邊開發、邊測試的方式，從而實現軟件的開發。

2 系統功能分析

仿真系統其主要實現的功能是通過虛擬的空間，使得學生通過人機界面在系統中實現對虛擬的裝配、制造等課程實訓，從而提升自身在機械工程專業應用的能力。本文以本校作為實例，結合學校自身的專業情況，將該仿真軟件的功能分為虛擬工廠、虛擬制造、虛擬裝配和虛擬評價等不同的實訓的功能模塊。其具體的整體功能設計如圖2所示。

圖2 仿真系統功能設計

（1）虛擬工廠環境

該模塊主要向學生展示在機械設計、模具制造等過程中與工廠的實際相符合的相關背景，從而讓學生通過仿真軟件可置身在真實的工廠環境當中。同時該功能還提供如機床、量具等相關的模型。

（2）虛擬裝配

該模塊是讓學生對簡單的機械制造模具，如機床、刀具等進行裝配，同時在該模塊當中還包括簡單的機械零部件。

（3）虛擬制造

該模塊的功能則是在虛擬的三維工廠環境中，實現對相關的制造產品的加工、裝配和調試。如學生選定軸承類的模具進行加工的時候，會涉及到相關的模具、刀具等的基本的參數，另外還包括其加工的工藝步驟等，系統則會根據其工藝的步驟，自動讓學生對每個環節進行實際的操作和訓練，從而直至完成對整個模具的加工。

（4）學習評價

本模塊的功能是對學生在設計和操作過程進行評價，從而客觀的反應學生在整個實訓的過程中存在的問題和需要改善的環節，以此更好的促進學生對課程實訓內容的理解。

3 系統開發方案的制定

3.1 開發軟件

對仿真系統的開發軟件有很多，在通常情況下都運用美國微軟公司的MFC作為開發的基本框架，同時在開發后采用OpenGL軟件對其進行三維立體的渲染，從而增強三維效果。但是采用該開發方式需要處理大量的代碼的編輯工作，其設計出來后所得到的三維效果也比較差，因此，在本設計中采用Unity3D游戲引擎對軟件進行開發。該軟件的優勢在于通過創建虛擬環境和實施動畫等交換的方式，提供包括圖像、文字、網絡等的引擎支持，從而實現多功能的編輯器，并可在包括安卓、iOS、WindowS等在內的多個平臺上運行，具有很強的優勢。

3.2 模型開發工具

在機械制造當中會涉及到的對模型的開發，包括對機床、刀具等。因此，需要采用專門的模型開發軟件對這些基本的機械零件進行設計。在本設計，采用SPS軟件公司開發的UG軟件，該軟件是集合CAM、CAD、CAE等為一體的計算機輔助機械設計系統，其在模型加工制造方面有著非常大的優勢，并被應用航空、模具等制造業多年。其強大的曲面造型、虛擬裝配、實體造型等功能呢，并可在對其進行設計的過程中運用有限元、機構運動、動力學等各種分析，因此大大的提高了軟件設計的效果和可靠性。同時其簡單的代碼生成程序，使得在后續的開發中可節約大量的代碼開發的時間，并且其提供的二次開發的語言具有簡單和功能多等特點。

而對三維模型的渲染則采用常用的3Dmax三維立體軟件，該軟件具有全功能的三維計算機圖形開發功能，從而成為現階段使用的最多的三維軟件之一。

3.3 網絡通信實現

為更好的實現對系統的開發，整體的體系架構采用B/S模式。選擇該模式其主要是和傳統的C/S模式比較，C/S是將相關的資源分配到客戶端和服務端，從而通過該模式大幅度的減少對通信的開銷，但是B/S模式結合其中的Script技術 與ActiveX技術，減少了軟件開發的成本和維護成本，因此，該系統選擇B/S模式。

4 機械制造教學實訓仿真實現

4.1 虛擬工廠環境模塊

通過采用UG軟件對三維立體模型進行構建，同時采用3DMAX立體軟件對圖片、模型的渲染，從而讓學生能置身于真實的車間工作環境中，并通過建立模型庫，從而為后續的裝配和制造提供數據基礎。

4.2 虛擬裝配實現

結合機械工程類課程，其需要仿真的項目很多，如機床、軸承等，在本設計中以機床加工作為案例。通過機床進行加工其需要將其動作分解成若干個不同的動作，包括控制刀具、工件之間的相對運動，從而加工出相應的制造模型。因此，首先采用三維立體軟件3DMAX對其中的幾何模型進行建模，包括主軸、床身、工裝、刀架等。其中的各個模型有著各自的參數，可對不同的參數進行設置，并通過三維軟件定義出不同零件之間的相互約束關系，裝配出完整的機床。

4.3 虛擬制造仿真實現

本模塊的設計以數控銑床為例，該模塊的實現步驟則是首先導入數控銑床的模型；其次構建相關的工件所需要的毛坯的模型，并和數控的銑床實現裝配的定位；第三，編輯NC代碼，并設置相關的加工參數，包括其中的工件的坐標；第四則為系統的仿真運行和仿真結果比較。

5 結語

仿真實訓軟件作為對機械工程類教學改革的實踐，通過采用互聯網技術，不僅節約了學校的成本，也提高了學生專業實訓的效果。但是，仿真軟件的開發其復雜程度非常大，同時機械工程所涉及的相關的明細也非常多，因此，依靠某人對仿真系統的開發具有很大的困難。本文結合相關的理論和技術，也僅對簡單的實訓項目進行了開發，在下一步還需更多的嘗試。