虛擬仿真技術在機械拆裝教學中的應用

張偉雄 成玲 張文福

摘要：利用SolidWorks建立數控車床的三維實體模型，并將模型導入Composer平臺，完成功能設計和人機界面設計，形成一個完整的虛擬仿真輔助教學系統。該系統可直觀、真實、多角度地再現數控車床的工作原理、零部件結構、裝配關系及裝拆流程，使用該系統有效延伸了學生學習機床結構和進行拆裝訓練的時間和空間，明顯提高了課堂教學效果。

關鍵詞：虛擬裝配;實踐教學;Composer

0? ? 引言

拆裝實訓是工科培養學生動手能力的實訓課，它既能幫助學生鞏固理論知識、拓寬知識面、提高分析問題與解決問題的能力，又為后續的專業課程學習打下了堅實的基礎。由于實訓設備損壞、零部件丟失、實訓設備數量不足以及實訓車間的空間和開放時間等諸多因素的影響，許多院校在組織實施傳統的機械拆裝實訓教學時，常常是多人一組，按組輪流進行拆裝實訓，最后能夠落實到學生個人的拆裝時間非常有限，嚴重影響了學習效果。另一方面，拆裝實訓過程還具有一定的危險性和安全隱患，一不小心極易產生人身意外傷害。計算機虛擬仿真教學則很好地解決了以上問題，它通過計算機數字建模與仿真技術模擬機械拆裝全過程，使學員能夠在計算機虛擬環境下學習復雜的機械設備的結構特征、工作原理與故障診斷，觀看設備功能演示等，學習不再受時間、設備和實訓室環境限制，增加了學習機會，增強了學習興趣，提高了教學效果。

1? ? 系統設計方案

SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows開發的三維CAD系統，其功能強大，組件繁多，易學易用，是一種領先的、主流的三維CAD解決方案。Composer是達索公司開發的一款圖形交互軟件，常常用于制作創新的三維互動市場營銷相關材料、產品手冊、裝配指令和培訓材料等，現已集成到SolidWorks環境中，兩者無縫對接。當然，Composer支持的3D文件格式不僅僅限于SolidWorks，還支持CATIA、Pro/E、UG、IGES和STEP等常用3D圖形格式。

設計方案如下：首先利用三維建模軟件Solid-

Works建立CK0632數控車床的三維模型，然后將建立的三維模型導入Composer平臺，根據數控車床拆裝實訓要求進行功能設計和人機界面設計，利用Composer的虛擬裝配、動畫仿真、視角導覽和強大的digger功能進行機床的結構展示，全方位、多角度地呈現機床拆裝訓練及其內部結構特寫等教學內容。系統功能設計方案如圖1所示，在數控車床虛擬輔助教學系統下，每位學員都可以對機床進行虛擬拆裝，查看重要零件關鍵結構特征。而鼠標操作、系列3D畫面以及動畫交互等功能增強了教學內容的趣味性和主動性，從而提高了學習效果。

2? ? 虛擬仿真教學系統應用

通過Solidworks創建的CK0632數控車床三維實體模型如圖2所示。將其導入Composer平臺，通過該平臺的功能設置、截面剖視圖、局部透明度、視頻動畫等功能可以清晰地了解CK0632機床的裝配關系及工作原理。結合CK0632數控車床的拆裝作業指導書，學生可以在3D模型的虛擬環境中進行拆裝訓練，從而對數控車床內部結構及拆裝流程有更深刻的認識，最終達到較高的學習效率和較好的學習效果。如CK0632數控車床主要零部件拆解如圖3所示，其主要由車床底座、床身、轉塔刀架、主軸箱、大拖板、小拖板、Z軸驅動部件、X軸驅動部件和尾座等幾部分組成。

Composer的digger功能可以輕松展示CK0632數控車床內部結構特征：通過洋蔥皮功能，剖切設置和焦點特寫等操作，可以獲取機床結構的任何細節信息。數控車床虛擬拆裝系統主要分為結構原理、功能操作和拆裝訓練等三個模塊，系統首頁如圖4所示。一級面板有三個，分別是結構原理、功能操作、拆裝訓練。其中結構原理主要包括主軸、轉塔刀架、防護罩、X軸驅動部件、Z軸驅動部件、尾座、床身和底座等部件的結構展示;功能操作主要用于控制數控機床前后左右移動以及主軸的正反轉等;拆裝訓練下面有三個模塊：X軸拆裝、Z軸拆裝和尾座拆裝。

點擊“功能操作”面板，進入功能操作二級頁面，如圖5所示，圖標為返回首頁按鍵，右上角的上、下、左、右箭頭分別是X軸負、X軸正、Z軸負和Z軸正的操作按鍵，右下角的旋轉圖標則為主軸正轉和主軸反轉按鍵。如點擊“X軸負”，則進入X軸移動頁面，播放X軸移動效果。

3? ? 結論

（1）基于Composer平臺創建的虛擬仿真教學系統讓操作者通過鼠標、鍵盤即可控制機床的移動與操作，自主選擇裝配順序和路徑，了解數控機床的結構原理，完成操作訓練工作，很好地彌補了傳統實踐教學的諸多缺點與不足。

（2）Composer可以快速輕松地創建爆炸視圖、特寫焦點、互動動畫、技術插圖、高分辨率圖像、零件清單和交互式物料清單等文件，故該技術方案不僅僅適用于學校的拆裝實訓教學環節，在企業的產品開發、效果展示和技術培訓中都具有廣泛的應用前景。

收稿日期：2020-09-04

作者簡介：張偉雄（1980—），男，廣東惠東人，工程碩士，機械工程講師，主要從事虛擬仿真研究與非標機械設計教學工作。