虛擬數控車削實訓平臺的理論研究與開發

何流洪， 周崢嶸

（貴州大學， 貴州 貴陽 550025）

引言

數控實訓是工程訓練的重要環節，是學生將先進制造技術運用于實踐的重要平臺，是提高學生實踐能力和創新能力的重要手段。虛擬數控車削實訓平臺的開發有利于解決師生比例不協調、設備投入大、安全問題等難題；更重要的是，虛擬數控車削實訓平臺改變了傳統單一古板的教學模式，將教學拓展到線上課下，實現興趣驅動、“知行合一”、形成“以學生為中心”的良好教學模式。

1 虛擬數控車削實訓平臺的理論基礎

1.1 構建理論與認知理論

構建主義認為知識構建是個人經驗以及原有知識與情景環境的相互作用形成的新認知結構。通過“同化與順應”過程的建立，以“平衡－不平衡－新的平衡”的模式循環構建。構建主義強調學習者的作用，提倡“以學習者為中心”，同時重視環境與原有知識構架的作用。認知理論將學習者能根據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。認知理論強調的學習形式有符號性學習、觀察性學習以及技能性學習。不難發現，虛擬仿真技術在數控車削實訓中的應用正好契合構建主義和認知理論的理論精華。虛擬數控車削實訓平臺構建逼真的實訓環境，拓展了學習資源，讓每一個學習者都能親身沉浸于虛擬世界，在這個逼真的虛擬世界，學習者就是中心，學習者會不經意間學習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備。在學習、觀察、體驗的過程中，完成對新知識體系的構建，形成新的理論和觀點[1]。

1.2“經驗之塔”理論

“經驗之塔”理論中，基于抽象程度不同將經驗劃分為“做的經驗”“觀察的經驗”以及“抽象的經驗”，“經驗之塔”理論強調各層理論模型之間的相互轉變及影響。虛擬數控車削實訓平臺提供給學習者逼真的虛擬學習場所，學習者能在虛擬場景中游走，還能真切地操作使用機床設備，實現“做的經驗”獲取；虛擬數控車削實訓平臺融合聲音、圖像、文本等視聽多媒體工具，將經驗獲取從“做的經驗”轉變為“觀察的經驗”；在此基礎上，對科學原理、定義、過程等“符號”進行逼真的、更為立體的、可視化的重現，實現“抽象的經驗”獲取。

1.3 情景認知學習理論

情景認知學習理論認為：學習必須以情景為依托，以學習者為中心，以實踐為手段，通過一系列人類協調的行為，使學習者與動態變化發展環境相適應。實訓課程是情景認知理論推崇的“知行合一”的最優體現，其主體便是實踐。虛擬仿真技術為學習者提供便捷的、逼真的學習情景，促使學習者從傳統教學的被動接受轉變為主動學習，另外，通過虛擬數控車削平臺發布的PC和移動終端，掙脫了時空的限制，將學習情景拓展到任何地方任何時間，使實踐能動態自由進行，知識能無時無地地獲取[2]。

2 虛擬數控車削實訓平臺的開發

2.1 數控車削實訓課程

數控技術的實踐訓練是一門綜合性很高的實踐課程，是編程技術、控制技術與先進制造技術融合應用于實踐的最佳典范。目前，數控技術實踐訓練課程依托構建理論、“經驗之塔”理論以及情景認知學習理論設計，基于CDIO模式搭建，教學過程包含構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）環節，由方案構思→零件設計→工藝分析→數控程序編寫→數控程序仿真驗證→虛擬加工→實體加工→考核模塊構成，如下頁圖1所示。

圖1 數控車削實訓課程

數控車削實訓課程的設置體現了“做中學”和“知行合一”的教學原則[2]。虛擬加工在實踐課程中起到承上啟下的關鍵作用，將課程串聯成一個整體，徹底擺脫設備不夠、安全性不高的制約；教學模式也從老師“操作示范”轉變為“學生自主實踐”。課程拓展到課前的預習學習、課中訓練、課后的鞏固復習等全方位學習狀態。

2.2 虛擬數控車削實訓平臺開發的需求分析及工具選擇

平臺開發主要使用者是高校師生，平臺的應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境，提供學習案例庫，提供安全教育和學習功能[3]。

平臺搭建主要包括材料收集準備、三維模型建立、模型處理及虛擬仿真實現幾個環節，每個環節環環相扣，相互影響，所以選擇合適的軟件至關重要。

虛擬仿真軟件的選擇基于軟件的兼容性、畫質、交互性、經濟性等方面考量，如表1所示。

表1 常用虛擬仿真軟件比選

顯然，作為一款專業的仿真軟件，unity3D的各項指標都很全面，最為優異的特征主要體現在：首先，開發思路清晰高效，unity3D以“All in One”作為設計理念，擁有全面完善的開發編輯功能，實現個性化設置、高度整合、方便擴展的開發環境。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，兼容C#和JavaScript（JS）在同一項目中自由調用。Unity3D支持的編程語言有C#和JavaScript（JS）；另外，Unity3D能將產品發布多個平臺。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是一款專業的工程解決方案軟件，有強大的產品設計功能，能滿足平臺搭建中模型建立的要求。但UG不能導出Unity3D所需的格式，需要一款模型處理軟件對模型進行處理，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進行動畫制作及模型處理，使用PS進行圖片處理。

2.3 虛擬數控車削實訓平臺開發技術

虛擬數控車削實訓平臺的開發包括兩方面的工作，一是虛擬加工環境構造，包括虛擬車間、虛擬設備模型、虛擬工具及其他虛擬物品，要實現能在虛擬環境中游走、學習、觀察等功能；二是虛擬加工設備的構造，也就是要搭建虛擬數控機床，要具備運動功能、交互功能，在虛擬環境中心進行加工，開發框架如圖2所示。

圖2 虛擬數控車削實訓平臺開發技術框架

1）三維模型建立，虛擬環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）、設備模型建立（包括數控車床外觀模型、砂輪機等其他設備模型）、數控車床的具體模型建立。數控車床的模型包含各個車床的具體零件，比如機床外殼、主軸箱、導軌、刀架、尾座、操作面板等，還需要將各構件裝配成完整的機床，以備后續使用。

2）模型優化，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入Unity3D使用，所以，通過PS和3DSMax將一些圖片和模型進行優化處理是十分必要的，同時3DSMax動畫制作功能較強，便于學習案例庫的建立。在使用3DMax裝配文件時會出現面受損以及裝配位置偏差等情況，用先轉配后導入的方式能避免這種情況的發生。

3）實現交互控制，基于導入的模型，通過Unity3D進行應用層、組建、對象和場景四個層面的設計編輯，通過功能設置及腳本開發等，實現虛擬加工環境構造及虛擬車削實訓設備的各項功能。最后將項目發布至PC端和移動終端。

3 結語

在計算機技術和信息技術的高速發展的背景下，虛擬仿真技術在高校教學中的應用愈加廣泛，使得虛擬仿真技術在高校教學中的應用前景越來越廣闊，越來越深入，需要保持開放和積極態勢，加強對虛擬仿真技術的研究，拓展虛擬仿真技術在高校教學中應用領域，為國家人才培養添磚加瓦。