基于虛擬仿真技術的車削加工實訓探究

時慧喆 貝廣霞 宋正陽

摘 要：車削加工實訓教學作為工程實訓課程中的重要環節，在實訓教學過程中大多使用“指導教師講解演示，學生觀摩后操作”的模式，故學生實訓操作過程存在一定的安全隱患。傳統的教學模式效率較低，實訓教學效果不佳，而虛擬仿真技術在改革車床傳統教學模式、提升學生工程素養方面可以起到重要作用。鑒于此，以C6132D臥式車床為基礎，探究了車削加工虛擬仿真教學系統的設計思路，對系統的功能與技術、教學應用等方面進行了設計與介紹，并對系統投入使用時可能面臨的問題進行了分析。

關鍵詞：車床實訓;虛擬仿真技術;工程實訓教學

0? ? 引言

在工程實訓教學中，傳統的普通車床實訓教學項目比較注重動手操作，但是由于工程實訓中心的設備數量不足，加上有經驗的實訓指導教師人數、學生實訓操作安全等方面的限制，傳統車床的實訓教學已無法滿足學生的需求[1]。隨著計算機技術的不斷發展，由計算機控制的數控車床逐步取代人工操作的普通車床，已經成為一個不可逆轉的趨勢[2]，但是普通車床作為數控車床的基礎，依然很重要，高等學校所開設的工程實訓課程中仍將普通車床作為一個重要的實訓項目[3]。

依托計算機、網絡、圖像處理等技術的成熟，虛擬仿真技術已應用于各實訓教學項目中，其能夠實現實訓教學的虛擬化、三維可視化;實現實訓教學項目的交互與沉浸，使學生能夠更主動地進行實訓操作;還能解決車床實訓教學過程中存在危險、車床設備數量不足等問題。與此同時，在注重工程專業認證的當下，虛擬仿真技術在工程實訓方面的應用，對工程專業認證也有著重要的加分作用[4-5]。

1? ? 車削加工虛擬仿真教學系統設計思想

普通車床實訓涉及的內容較多，學生需要掌握的知識不僅包括刀具、夾具和切削加工基礎知識，還包括C6132D普通車床的相關操作知識。要想通過系統自學普通車床的加工操作過程，就不能抱著只是在系統上用鼠標、鍵盤簡單地點擊幾下或敲幾個按鍵的想法。使用虛擬仿真教學系統學習，學生須扎扎實實地掌握相關知識。基于這個目的，該系統從設計開始就需要有知識學習、操作演示、動手實踐等基礎的設計思想，給學生提供豐富的車削加工知識，通過向學生演示車削加工的實例，方便學生進行模擬操作。因此，該系統應是一個集實訓教學與實訓操作于一體的系統，同時可以依靠網絡打破時間、空間的限制，讓學生實現自主實訓。

2? ? 車削加工虛擬仿真教學系統的開發軟件構想

在車削加工虛擬仿真教學系統中，需要模擬出一個真實的工件從毛坯到車削加工成型的過程，使學生能身臨其境地感受到車削加工的過程。AuthorWare作為備選軟件，能將圖像、聲音、圖片和動畫等結合在一起形成一個完善的系統;非專業的編程人員也能創造出一個與車削加工操作相關的多媒體應用軟件。在車削加工虛擬仿真開發方面，Visual Basic作為主要編程軟件，基于可視化編程技術與多媒體功能，能搭建出集聲音、動畫和圖像于一體的多媒體應用程序，營造出與車床實際操作過程相同的實訓環境。為了使界面更加完美，動畫顯示更加真實，還可以使用Photoshop、Flash和3ds Max軟件來處理圖像和制作動畫，實現虛擬仿真系統的各種功能。

3? ? 車削加工虛擬仿真教學內容

車削加工虛擬仿真教學系統是2020年山東科技大學虛擬仿真實驗教學建設的項目之一，該系統在人機交互界面上力求反映真實的車床加工實際操作過程，具備較強的真實感、順暢的交互性和一定范圍內的容錯性。該虛擬仿真教學系統可分為3個模塊：

3.1? ? 車削基礎知識模塊

該模塊主要功能是為初次參與工程實訓的學生提供一個車削加工設備的認知過程，學生在此模塊中可以學到車削加工的基本知識，內容如下：

（1）車削加工實訓目的及要求：讓學生在操作前充分掌握實訓目的，了解與車削加工相關的專業知識。

（2）車削加工實訓安全技術要求：雖然學生通過虛擬仿真模擬車削加工過程沒有危險性，但是虛擬模擬的最終目的還是要回歸于實際的操作中，因此，詳細地告知學生在實際操作過程中的注意事項十分必要。要明確說明什么可以做，什么不可以做，避免學生在實際操作過程中出現失誤，導致實訓設備損壞或發生嚴重的人身傷害事故。

（3）車削加工的概念與工作原理：涉及車削加工的介紹，車削加工的優點、缺點，車削加工的范圍等，學生可多角度觀察車削加工過程。

（4）車床結構（C6132D普通車床的結構）：通過車床模型可多角度任意旋轉、縮放觀察車床的結構，包括主軸箱、進給箱、掛輪箱、床身、溜板箱、尾架、光杠、絲杠、車床上各種按鈕和手柄的功能等。

（5）常用量具：讓學生認識常用量具，例如游標卡尺、螺旋測微器等，并輔以動態圖演示常用量具的結構及使用方法。

（6）常用車刀與夾具介紹：向學生介紹常用車刀，包括內孔車刀、偏刀、切槽刀等，輔以車刀模型的結構、名稱的展示，包括夾持部分、切削部分，夾具常使用的三爪卡盤、頂尖、中心支架等，并介紹它們的主要結構，輔以動態模型演示不同夾具的裝夾原理。

該模塊還向學生介紹常見的車削加工設備，介紹車床的發展與演化過程，激發學生的學習熱情。此外，該模塊還提供了大量的車削設備實際加工過程的視頻錄像和動畫演示，以便學生理解車削加工操作中車削設備的運行情況。

3.2? ? 車削實訓操作模塊

此模塊涉及車削加工的基本操作內容，學生不僅能夠通過系統演示進行觀察，還可以通過車削加工虛擬仿真教學系統來模擬相關操作。主要內容如下：

（1）車刀安裝：在虛擬仿真教學系統中，學生可通過三維模型動態演示學習車刀安裝操作，并在系統演示后自行操作模擬安裝車刀的過程。安裝過程中需要注意，車刀安裝在方刀架上，刀尖一般應與車床主軸中心等高。此外，車刀在方刀架上伸出的長度要適宜，墊刀片要放平整，車刀與方刀架均要鎖緊。

（2）三爪卡盤安裝工件方法：三爪卡盤是車床上最常用的裝夾工具，在虛擬仿真教學系統中，學生可通過三維模型動態演示學習如何將工件安裝到三爪卡盤上，并在演示后自行模擬將工件安裝到三爪卡盤上的過程。

（3）車端面：車端面是車削加工中最基本、最常見的工序之一，改變的是工件的長度。車端面時，車刀的刀尖應對準工件的中心，以免車出的端面中心留有凸臺;當背吃刀量較大時，容易扎刀;凸臺是逐漸車掉的，所以車端面時使用彎頭刀較為有利。

（4）車外圓：車外圓也是車削加工中最基本、最常見的工序之一，改變的是工件的直徑。為使車刀的主切削刃垂直于工件的軸線，可在先車好的端面上對刀，使主切削刃與端面貼平。

3.3? ? 車削實訓考核模塊

該模塊的作用是對學生進行考核，即學生在學習過車削加工的基本知識，以及車削加工的操作后，給學生一個具體的操作項目讓學生在虛擬仿真系統上進行操作。在學生進行操作的過程中，該模塊可以對學生的操作過程進行監督預警，如果操作步驟出現問題，可以及時提醒學生加以改正。在操作結束后，該模塊還能對學生的操作過程進行評價，并給出一個分數。這個分數可以作為學生能否繼續參加線下車削加工實訓的標準，此外，這個分數還可以按一定比例折合算入學生車削加工實訓的總成績。

4? ? 車削加工虛擬仿真存在的問題

4.1? ? 虛擬仿真系統建設成本較高

虛擬仿真系統除了軟件以外還需要有相關的硬件設備，最基礎的設備就是計算機。學生通過計算機的鼠標、鍵盤與虛擬仿真實訓軟件進行信息交互，如果想讓學生有更好的虛擬仿真實訓體驗，還需要有相應的配套設備，如VR眼鏡、VR數據手套、VR手柄等。這些外置設備單價較高，如果要滿足一個班的學生同時進行實訓的需求，那么建成一個完整的虛擬仿真實訓教室的費用就會相當可觀。

4.2? ? 虛擬仿真實訓存在局限性

虛擬仿真實訓也有其局限性，虛擬仿真無法全面模擬實訓過程。例如，對實訓中出現的一些偶發性問題可能無法全面模擬，學生就不能掌握其具體的解決方法，導致學生在實際操作機床的過程中遇到類似問題也不知道怎么處理。此外，實訓操作中一些具體的過程，如裝刀、裝工件，以及操作過程中緊急情況下制動的使用等內容可能都無法涉及。

5? ? 結語

依托虛擬仿真技術在教學領域的發展，可實現車削加工實訓的虛擬仿真，建設車削加工虛擬仿真系統，實現車削加工實訓的虛擬體驗教學。學生可以使用基本的計算機等設備在虛擬仿真教學系統上實現技能、知識的交互，增強認知，學習車床的基本知識、操作技能等內容，并通過考核模塊對自主實訓效果進行檢驗，提高實訓指導老師的教學效率，提高車削加工實訓的質量。

[參考文獻]

[1] 王榮校.新工科形勢下普通車床實訓教學思考與探索[J].科學咨詢（科技·管理），2018（8）：9-10.

[2] 湯秀紅，莫足琴.車床數控加工與改造設計[J].湖南農機，2013，40（11）：76-77.

[3] 韓德虎.高職院校校內數控車床實訓教學淺談[J].教育現代化，2019，6（50）：271-272.

[4] 李世丁，黃啟昭，薛裕童，等.基于VRML的虛擬車床仿真系統[J].無線互聯科技，2017（11）：143-144.

[5] 闞亞雄.基于虛擬仿真技術的車床工藝教學系統研究[J].鎮江高專學報，2020，33（3）：39-42.

收稿日期：2021-01-29

作者簡介：時慧喆（1990—），男，山東萊陽人，碩士研究生，工程師，研究方向：工程實訓教學。