虛實結合的數控類實訓課程資源開發與教學實踐

肖冬明

摘要：因傳統機械類實訓課程教學受設備成本高、維護保養成本高等條件的制約，高校教師在課程教學與考核評價環節中往往投入大而效果不佳。將虛實融合技術與技能實訓教學相結合，運用人機交互技術和虛擬仿真技術進行數控類實訓課程教學演示系統開發，以數控機床操作與拆裝實訓課程為例，將基于虛擬現實的實訓仿真系統用于教學實踐。

關鍵詞：虛擬融合技術;數控機床;數控實訓

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9324（2020）22-0310-02

傳統數控實訓教學與考評主要在實際設備上開展實驗教學，但設備不足、成本較高等問題的存在嚴重制約了教學質量的提升。近年來，虛擬現實技術獲得了較大發展，對人們的生產生活產生了極大影響。該技術已經從傳統的軍事領域擴展到航空、航天、娛樂、教學培訓、工程設計與科學研究等很多領域[1]。基于虛擬現實的數控實訓教學是指借助三維虛擬仿真技術在計算機上構建虛擬的操作環境，學生像親臨實驗設備場地一樣操作設備，學生取得的學習效果不亞于在真實環境中所取得的效果[2]。該類系統主要包括虛擬設備、虛擬操作工具、交互設備等，注重虛擬操作過程性、情境性、交互性和考核結果客觀性。為適應產教融合的發展需求，本文提出將虛實融合技術與數控實訓教學相結合，將三維虛擬環境下的人機交互技術運用于技能實訓課程教學資源開發，開發虛實結合的數控機床實訓操作系統，并將其用于教學實踐。

一、虛實結合的數控機床實訓仿真教學系統

虛實結合的數控機床實訓仿真系統是在特定范圍內生成集逼真的視、聽、觸覺于一體的虛擬數控加工環境，用戶操作數控面板設備以自然的方式與虛擬環境中的機床對象進行交互作用、相互影響，從而產生與親臨真實環境等同的感受和體驗。以交互式3D虛擬環境展示虛擬數控機床的基本操作和實際操作中遇到的諸多問題，通過互動操作使用戶可以熟悉此機床的原理和操作流程，并且模擬完成此機床的所有操作。

虛實結合的數控機床仿真系統的開發環境由硬件與軟件兩個部分組成。選擇合適的軟硬件有助于虛實結合的數控機床實訓仿真系統開發工作的順利完成。硬件部分：虛實結合的數控機床仿真系統的實驗臺的搭建，用以裝載數控交互組件等硬件設備。采用Proteus軟件進行數控面板電路仿真設計，最終實現基于USB接口開發板設計制作數控操縱交互面板，同時研制一種經濟型的三維立體感成像投影設備，構建逼真的三維交互環境。軟件部分：根據對機床運動行為仿真系統的開發需求，采用面向對象的Visual C++作為主開發工具，構建軟件框架結構，開發NC編譯處理器。運用美國易用公司的虛擬現實開發平臺EON對虛擬數控機床模型和虛擬加工場景進行幾何變換、消隱、渲染及紋理映射、運動控制、邏輯處理和音效處理。

二、虛實結合的實訓仿真系統的教學評價

數控技能實訓課程對學生的實際動手操作能力要求較高，傳統停留在考查書本知識的考核評價模式只能反映學生對基礎理論的掌握程度，而忽視了學生的實際應用能力。常用的考核評價方法主要有量化評價和質性評價[3]。本文以量化評價為主要方式對實訓課程進行考評，為設計基于虛擬現實技術的技能實訓教學考評系統，首先組織命題專家依據相關實訓課程或技能工種確定考核范圍，設計考核內容，制定考評等級，規定考試時限。然后以各考查知識點為藍本構建與其對應的考評情境，主要有三維可視化建模、逼真感場景渲染及模型優化等。再根據考核內容和評價方法設置考核知識點，合理分配各知識點的權重，并給出操作過程的具體得分、扣分規則。通過虛擬現實開發平臺結合高級編程語言將三維虛擬考評環境與考試規則進行融合開發，構建考評規則庫及三維虛擬模型交互之間的映射關系。最后根據虛擬操作的規范性、正確性、所用時間及誤操作次數等交互信息綜合得出考評等級。基于虛擬現實的實訓教學考評系統可解決現場實訓教學考評中的評分難、考核不全面等難題，同時可減少考評器械的損耗、降低學生操作風險等。

三、基于數控機床操作與拆裝實訓課程的教學實踐

基于數控機床操作與拆裝實訓課程開發虛擬的數控機床仿真系統（如圖2所示），將虛實結合技術應用于數控技能訓練中，可使操作者出現在計算機所創建的逼真三維虛擬環境中，與虛擬環境中的數控機床發生交互操作。

（一）虛實結合的數控機床操作與仿真

開發出基于USB的真實機床操作面板，設計出真實數控機床操作面板與虛擬機床操作面板的接口程序，利用接口程序將真實機床操作面板的操作數據實時傳遞到計算機CPU再傳遞到虛擬機床中，實現對虛擬機床的實時運動控制。從數控機床的工件裝夾、工件尋邊、找正、對刀補償輸入等方面開發了虛實結合的三維可視化仿真系統，并開展相應的教學實踐。

（二）基于NC代碼的機床切削過程的仿真

將數控機床加工過程視為一個四維時空，即空間的x維、y維、z維和時間維。通過對NC代碼的編譯得到刀具及工件的運動軌跡。根據切削速度設定運動時間序列間隔，求解出刀具和工件的x、y、z值，再生成相應的刀具掃描體，最后通過刀具掃描體與零件實體模型相交求布爾來反映零件的幾何切削過程，實現對數控代碼的仿真與校驗。

（三）機床結構拆裝過程的自動考評

通過VC++編程平臺對機床結構的拆裝過程進行實時記錄，并構建拆裝過程路徑數據庫，系統通過遍歷路徑數據庫來判別操作的正確性，進而實現評分處理，用ACCESS數據庫全程記錄拆裝過程的操作情況，最后得出總評價。

四、結論

基于當前數控機床的實訓教學中的實際需求，提出虛擬的數控機床仿真教學方案。利用計算機技術生成數控機床、加工工件及刀具的虛擬模型，開發針對NC代碼的實時編譯及運動實時仿真，通過數控交互操作面板等人機交互設備，利用三維圖形生成技術以及高分辨顯示技術，生成逼真的三維虛擬環境。以數控機床操作與拆裝實訓課程為例，將研發的基于虛擬現實的數控機床操作實訓仿真系統用于教學實踐，有效提高了學生的學習興趣，降低數控實訓中材料的消耗和機床、刀具的磨損。

參考文獻：

[1]周忠，周頤，肖江劍.虛擬現實增強技術綜述[J].中國科學：信息科學，2015，45（2）：157-180.

[2]羅陸鋒，孫爽，李國琴，等.虛擬現實技術在技能實訓教學考評中的應用研究[J].中國現代教育裝備，2016，（21）：89-91.

[3]畢菁華.建立課堂教學質量評價體系的實踐性探索[J].北京大學學報（哲學社會科學版），2007，44（S2）：295-296+294.

Resource Development and Teaching Practice of CNC Training Course Based on Virtuality

and Reality Fusion Technology

XIAO Dong-ming

（Foshan University， Foshan， Guangdong 528225， China）

Abstract： Because of the restriction of high equipment cost and high maintenance cost in the teaching of traditional mechanical training courses， the teachers in colleges and universities often invest a lot in the teaching and assessment of the courses， but the effect is not good. In this paper， the virtuality and reality fusion technology is combined with the skill training teaching， and the human-computer interaction technology and virtual simulation technology are used to develop the teaching demonstration system of NC practical training courses. Taking the training course on CNC Machine Tool Operation and Disassembly as an example， the training simulation system based on virtual reality is used in teaching practice.

Key words： virtuality and reality fusion technology; CNC machine tools; CNC training