加工中心虛擬拆裝系統在教學中的應用

吳 飛，楊一粟，高 尚

(武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢430070)

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加工中心虛擬拆裝系統在教學中的應用

吳 飛，楊一粟，高 尚

(武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢430070)

為了加強學生在加工中心拆裝教學實踐課程中對加工中心結構以及工作原理的認識理解，在虛擬現實技術的基礎上開發出了基于VR-Platform的加工中心虛擬拆裝教學系統。該系統在拆裝實踐課程中的使用，有效地提升了教學效率和效果，降低了設備維護成本，加強了學生對加工中心結構原理的認識，為機械設備的拆裝實踐課程提供了一條可以參考的方法。

加工中心 教學系統 虛擬拆裝 VRP

0 引言

機械專業的學生必須掌握機床拆裝相關的知識和技能。傳統教學方法通過播放視頻、掛圖解說等方式，讓學生對各種機床的結構組成、工作原理有基本的認識；然后教師再帶領學生進行現場教學，通常先將機床拆解、分成各組零部件進行講解，再進行裝配，重復演示多次后，才能夠讓學生進行拆卸、安裝練習[1]。但是這些教學方法在實際教學中存在有如下問題：1)為了讓學生熟悉拆裝的操作過程，教師需要進行多次拆裝，延長了教學時間；2)機電專業學生較多，而結構完整的機床實物資源相對較少，學生必須進行分組練習，降低了教學效率；3)學生由于理論知識不足，不能牢記拆裝方法和步驟，導致機床零部件損壞，不但增加了教學成本，也存在安全隱患[2]。為了解決上述問題我們開發了虛擬拆裝教學系統，并對其可行性進行了分析。

1 加工中心虛擬拆裝系統介紹

加工中心虛擬拆裝系統面對的是對加工中心結構以及工作原理不是特別熟悉的參加實踐課程的高校學生，使用此系統的意義和目的在于讓學生更生動形象地了解加工中心的結構原理、各種零部件、所選用的材料、拆裝涉及到的工藝知識、故障的判斷以及正確的拆裝方法。

本系統使用SolidWorks進行建模，采用3DS Max對模型進行材質管理、紋理烘倍和動畫制作等，鑒于軟件的易用性和便于技術普及，使用VR-Platform作為虛擬拆裝系統的開發工具[3-4]。本系統主要具有四大功能模塊：結構展示、虛擬拆裝、動畫演示、文檔調用。

(1)結構展示

進入教學系統后，用戶面前呈現機床的整體外觀結構。并且通過鼠標點擊該工作系統結構組名稱后可以進入該工作系統的演示場景。本系統將加工中心的四大主體部分工作臺、主軸箱、立柱以及刀庫，分別點擊將進入各部分的結構展示模塊。可以通過透明度以及顯隱藏來設置零部件的顯示狀態，方便觀察各零部件之間的配合以及位置關系。圖1是刀庫結構展示界面，界面上有5個按鈕，其中“顯示隱藏”、“透明度”屬于對模型進行操作，點擊相應按鈕，即可顯示工作系具體結構組的名稱按鈕。當點擊“顯示隱藏”時，結構組分類菜單就會顯示出來，刀庫分為三大結構組，點擊按鈕顯示結構組整體結構，點擊下拉選擇框顯示結構組中的具體零件。

圖1 刀庫結構展示界面

圖2 下拉選擇框

如圖2有些結構組下拉選擇框零件可能較多，需要下拉顯示所有零件名稱，既可以拖動滾動條，也可以點擊滾動條上下的箭頭，進行滾動選擇。

當點擊“透明度”時，“顯示隱藏”下的結構組按鈕就會消失，相應的“透明度”底下的按鈕就會顯示。除了“顯示隱藏”“透明度”控制，有時候為了看清零件結構或者在結構組中的相對位置，需要進行“旋轉平移”“放大縮小”操作。操作方法見界面底部。

(2)虛擬拆裝

圖3 工作臺的虛擬拆裝界面

虛擬拆裝模塊將模擬現實中的加工中心拆裝環境，分為裝配與拆卸兩個功能。學生首先按系統提供的指導文件進行試拆裝，針對試拆裝中出現的問題不斷地改進重新進行拆裝練習，直至能夠快速準確的正確拆裝加工中心。經過虛擬的拆裝試驗過后，就可以進行實地的加工中心拆裝操作。圖3是加工中心工作臺的虛擬拆裝界面。

(3)動畫演示

動畫演示功能模塊能夠向學生提供正確的可供參考的加工中心拆卸演示。在觀看拆裝動畫的過程中學生能夠了解到正確拆裝路徑以及拆裝順序的選擇，同時還可以盡量避免在虛擬拆裝中出現干涉碰撞等現象，有效地提高了虛擬拆裝的效率。以刀庫的動畫演示過程為例，點擊“拖動播放動畫”，動畫播放控制條就會顯示出來，拖動滑塊即可控制結構組分離動畫。學生可以通過來回拖動滑塊來仔細觀察零部件之間的裝配順序及零部件之間的配合關系，直至徹底理解裝配的順序以及裝配關系。注意，再次進行“顯示隱藏”“透明度”控制時，需要把滑塊拖回最左端，不然結構組零件會一直處于分離狀態。

(4)說明文檔

說明文檔調用功能則包含了加工中心在拆卸過程中涉及到的各種工藝文件，包括了各種零部件的三維以模型及二維圖紙的顯示，裝配路徑順序的選擇方法，避免干涉碰撞的指導文件等。以刀庫文檔的調用為例，點擊圖4中的說明文檔按鈕，系統將會自動打開Word格式的刀庫文檔信息文件，部分內容如圖5。同時說明文檔的內容可以不斷的修改更新，學生可以將自己的理解添加到說明文檔中以豐富更新說明文檔的內容，但是更新的內容只能本地文件中，供自己參閱，不能上傳到網絡庫中。

圖4 刀庫動畫播放控制 圖5 刀庫說明文檔

2 加工中心虛擬拆裝系統在教學中的應用

加工中心虛擬拆裝系統在教學實踐課程中的應用主要過程如下：

1)課前知識預習。在正式進行拆裝試驗課程之前，實驗老師需將課程中涉及到的關于加工中心的各方面的知識編輯成電子文檔發送給參與課程實踐的學生進行預習，以便提高上課時的效率。

2)課程內容講解。對課程中涉及到的知識點進行詳細講解，重點介紹加工中心拆裝的拆裝順序與路徑的選擇原理，拆裝中怎么樣避免出現零部件之間的干涉問題，拆裝注意事項以及安全操作守則等。

3)虛擬裝配系統介紹與演示。詳細介紹加工中心虛擬裝配系統的各個功能模塊，并進行加工中心的虛擬拆卸過程教學演示，便于學生更快的掌握以及使用本系統，提高教學效果。圖6為加工中心虛擬拆裝系統界面。

4)虛擬拆裝。讓學生自己動手操作加工中心虛擬拆裝系統，通過各個模塊的功能仔細觀察了解加工中心的機構以及原理，同時進行加工中心的虛擬裝配與拆卸，為之后的實地拆裝做好準備。圖7為加工中心主軸箱結構演示界面。

5)實體拆裝。在進行了多次的虛擬拆裝后，總結虛擬拆裝中出現的問題，對加工中心實體進行拆裝，將課程中學習到的理論知識與實訓課中的實踐進行結合，更加清楚的了解了加工中心的結構與工作原理，同時對其他機電設備的拆卸提供了參考價值。

3 加工中心虛擬拆裝系統的意義與價值

各大高校的機械專業都設置有機械設備的拆裝實訓教學課程，為了將課本中的理論知識與實踐相結合，取得更好的教學效果，必須改善傳統的教學過程，提高教學效率[5]。加工中心虛擬拆裝系統的意義與價值體現在如下方面：

1)在各個學校的辦學條件不同，場地和設備的狀況也各不相同的情況下，加工中心虛擬拆裝系統可以減少對場地和設備的需求，降低教學成本。

2)學生可以通過反復地虛擬拆裝演練，不斷地改進拆裝步驟，提高拆裝效率，減少在實際拆裝操作過程無效步驟與嘗試，降低拆裝的難易程度，避免出現危險情況。

3)虛擬拆裝系統的發布形式多樣化，可以單機運行，也可以在網頁上通過插件運行，極大的降低了使用條件的限制，方便了學生的自學。

4 結語

加工中心虛擬拆裝系統對于傳統教學方式存在的問題提供了解決的方法和途徑，虛擬現實技術與傳統教學方式相結合的方式對教學效率有極大了的提升，加工中心虛擬拆裝系統的開發對機械設備課程實踐教學方法的改進與創新提供了可供參考的方向。

[1] 林聰.虛擬現實技術在普通機床拆裝課程教學中的應用研究[D].廈門：廈門大學,2014.

[2] 黃杰東.機床拆裝實習的探索[J].機械職業教育,2000(2):15.

[3] 錢芬.虛擬現實技術在教學中的作用和應用[D].成都：電子科技大學，2008.

[4] 苗壯，李凡長.基于虛擬現實技術的教學改革研究[J].黑龍江教育(高教研究與評估),2007(1)：129-130.

[5] 宋達.虛擬現實技術在教育領域中的應用與設計[D].長春：東北師范大學，2005.

Application of the virtual machining center disassembly/assembly system in teaching

WU Fei, YANG Yisu, GAO Shang

In order to enhance students’ understanding of the structure and working principle of the machining center, we developed a virtual teaching system based on VR-Platform. Application of the system in practice courses can effectively improve teaching efficiency and effect, reduce the maintenance cost of the device, enhance students’ understanding of the working principle of the machining center, and provide a referential method for the disassembly/assembly practice courses of machinery equipment.

machining center，teaching system，virtual disassembly/assembly，VRP

G642

A

1002-6886(2016)06-0104-03

吳飛，男，湖北武漢人，武漢理工大學機電工程學院副教授，國家實驗教學示范中心“機電工程實驗實訓中心”副主任，研究方向：CAD/CAM。 楊一粟，男，湖北應城人，武漢理工大學機電工程學院專業研究生，研究方向:CAD/CAM。

2016-06-24