仿真技術在車削加工實踐課程教學中的應用

蘆靜，劉杰，楊衛軍，郝歡

（火箭軍工程大學，陜西 西安）

一 引言

虛擬仿真亦稱為模擬技術，它是利用相似原理，建立研究對象的模型，如形象模型、描述模型、數學模型，并通過模型間接的研究原型規律性的方法。它廣泛應用于武器系統設計、制造、鑒定、診斷、訓練以及軍事學習、作戰管理等方面，并推廣到國民經濟的各個領域[1]。虛擬技術自20世紀初已有了初步應用，正在成為繼理論研究和實驗研究之后的第三種認識和改造客觀世界的重要方法[2]，是一種可控制的、無破壞性的、耗費小的、并允許多次重復的試驗手段。它主要是對現實真實情境的技術進行模仿，構建出一個完整的虛擬場景，具備沉浸性、交互性、虛幻性和逼真性。

在科技高速發展的今天，數字化程度越來越高，虛擬仿真技術應用越來越廣泛，并且逐步應用在工程類實踐教學中，受到廣大師生的歡迎，成為教學過程中非常重要的教具之一[3-7]，尤其是機械工程實踐教學，其發展應用具有非常重要的意義[8-12]。比如普通車削加工，是我國理科高校的重要專業教學環節，該環節危險系數高，實踐操作性強，教學過程中非常注重學生動手實踐能力的培養，具有高標準專業化特點，必須要有專業知識、專門的車床才能操作，這部分的教學實施對我國生產制造業的人才培養有非常重要的作用。虛擬仿真技術在車削加工實踐中的應用，就是模擬實際的加工環境、加工過程和加工情況，通過計算機系統，利用軟件科技，搭建一個虛擬的加工系統和加工環境，允使學生進行仿真練習。利用虛擬仿真技術可以大幅提高初學者的操作安全，同時讓學生身臨其境，切身理解、掌握車削操作原理，解決了初學者安全規范操作的問題，激發了學生對機械實踐操作的積極性，為教師教學提供便利條件，為提高實踐教學效果提供有力保證，為學生就業履職奠定良好的基礎。

筆者根據本校開展的機械基礎實踐課程，針對車削加工工藝模塊，結合仿真軟件，用Flash動畫將機械基本知識、車削基本加工方式、加工實例等呈現在屏幕上，形象、直觀地呈現出車削加工基本知識、車床主要結構、加工過程和實際應用，使復雜的設備運行過程和整個實踐過程生動易懂。結合仿真軟件的自主練習，配合真實的實踐操作，達到知行合一，從理論到實踐，提升學生學習的興趣，加深學生對機械基本實踐操作的理解與記憶，同時提高了課程安全質量。將仿真軟件應用于教學，收到了良好的教學效果。

二 車削加工基礎知識仿真在課程教學中的應用

車削加工基礎知識主要包括車床的基本結構、車床主要附件、車刀的種類和功能以及車削的基本過程。各知識點相對獨立又相互聯系，通過課堂的理論講解與課下自主學習，加強學生利用課余時間自主學習的興趣，加深對基礎知識的理解與掌握。

車削基礎知識與動畫、仿真的有機結合，既能促進學生對機械基礎實踐理論知識的理解，又能自然地將這些知識應用到車削的基礎實踐中，促進實踐技能的快速學習、掌握。例如車床的基本結構，學生可以通過仿真模型建立起與真實設備之間的聯系，通過主要結構的模塊化介紹，如圖1，了解車床的主要結構，加深對車床結構的整體印象。

圖1 車床的主要結構

三 車削加工過程仿真在課程實踐教學中的應用

車削加工的應用如圖2所示，基本應用包括車削外圓、端面、錐面、切槽、鉆孔、車螺紋、鉸孔、鏜孔、滾花、倒角和車成型面多種形式，每種加工方法運用的刀具不同，切削過程中刀具的軌跡線及受力情況都不同，這些內部原理的變化與技術特點，即使現場示范，也只能看到表象，不易理解整個切削過程中各因素之間的相互作用。為此，以此為基礎，在各加工應用中開發了加工仿真板塊，該板塊主要用來仿真具體的加工過程，以及加工過程中刀具作用線、受力情況，使微觀過程放大顯現，學生更易理解整個切削加工過程，進而了解各切削要素之間的相互影響作用。圖3展示了粗車外圓的仿真過程，圖4為精車外圓的仿真過程，通過對比分析，對于粗、精車外圓的進到量、切削速度、表面光潔度，學生都能夠有直觀的了解。圖5為切斷刀切削過程與外圓車刀加工的對比分析，通過仿真對比，學生對各加工過程認識更加直觀，對刀具的結構特征和使用方法有了更清楚的認識。能夠有效彌補課堂教學過程中只停留在設備外觀的不足，提升學生對加工過程更深層次的理解。

圖2 車削加工的應用

圖3 粗車外圓的仿真過程

圖4 精車外圓的仿真過程

圖5 切斷刀切削過程與外圓車刀加工的對比分析

四 仿真操作在課程實踐教學中的應用

機械加工教材對于車削加工中工藝基礎理論介紹得很詳細，而對于設備的實際操作方法提及的不是很多，因此，仿真操作模塊正好彌補了這方面的不足，其中主要包括自動演示和手動操作兩個板塊。

圖6 車床仿真操作系統

進入自動演示模塊，首先系統按照指定程序進行車床各部位功能自動演示，設備通電、開機，車床橫向進給、縱向進給、進刀、退刀、主軸旋轉、暫停、反轉、開合螺母的使用以及尾座的前進與后退、刀架的旋轉、急停和設備關機斷電等系列功能操作演示，通過自動演示過程，學生可以明確車床各部分的主要功能。

手動操作是繼自動演示之后，學生自主學習車床操作方法。首先，學生可以對車床各功能區進行分部練習，熟悉車床各部分區域功能，結合相應結構部位的文本解釋，把理論部分與實踐部分有機結合，提高了學生對整個車削加工理論與實踐的有效融合。其次，通過嚴格的車削加工工藝流程仿真練習，熟悉車削加工的基本操作規程，掌握各種車削加工方法，作為實踐操作的預熱階段。

五 工程案例仿真在課程教學中的應用

在實際加工過程中，各種加工方法都是綜合運用的。案例仿真能將整個零件（產品）的綜合加工通過虛擬仿真實現。在此模塊中，制作了以課程加工為案例的兩個產品仿真加工。學員通過點擊案例，提取相應坯料，進行仿真操作，從制定工藝到抓夾工件、調整車床參數再進行仿真車削加工，整個操作流程嚴格按照實踐操作規范進行。達到練習目標后，再進行實際操作，有效地保障了初學者學習使用車床的安全性。

圖7 仿真案例應用

六 結語

本仿真軟件在windows系統中獨立運行，能夠實現對幾種車削加工工藝的高度仿真操作，具有很強的通用性，可以反復觀看、仿真操作，便于學生化解難點、自主學習，增加學習的趣味性，提高學習效果，在工程實踐練習中獲得了學生一致的好評。虛擬仿真技術在車削加工中的應用有效地提高了車床的工作效率，延長了車床使用壽命，對車削加工技術的廣泛應用起到了促進的作用。