虚实结合的数控类实训课程资源开发与教学实践

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　　摘要：因传统机械类实训课程教学受设备成本高、维护保养成本高等条件的制约，高校教师在课程教学与考核评价环节中往往投入大而效果不佳。将虚实融合技术与技能实训教学相结合，运用人机交互技术和虚拟仿真技术进行数控类实训课程教学演示系统开发，以数控机床操作与拆装实训课程为例，将基于虚拟现实的实训仿真系统用于教学实践。
　　关键词：虚拟融合技术;数控机床;数控实训
　　中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2020）22-0310-02
　　传统数控实训教学与考评主要在实际设备上开展实验教学，但设备不足、成本较高等问题的存在严重制约了教学质量的提升。近年来，虚拟现实技术获得了较大发展，对人们的生产生活产生了极大影响。该技术已经从传统的军事领域扩展到航空、航天、娱乐、教学培训、工程设计与科学研究等很多领域[1]。基于虚拟现实的数控实训教学是指借助三维虚拟仿真技术在计算机上构建虚拟的操作环境，学生像亲临实验设备场地一样操作设备，学生取得的学习效果不亚于在真实环境中所取得的效果[2]。该类系统主要包括虚拟设备、虚拟操作工具、交互设备等，注重虚拟操作过程性、情境性、交互性和考核结果客观性。为适应产教融合的发展需求，本文提出将虚实融合技术与数控实训教学相结合，将三维虚拟环境下的人机交互技术运用于技能实训课程教学资源开发，开发虚实结合的数控机床实训操作系统，并将其用于教学实践。
　　一、虚实结合的数控机床实训仿真教学系统
　　虚实结合的数控机床实训仿真系统是在特定范围内生成集逼真的视、听、触觉于一体的虚拟数控加工环境，用户操作数控面板设备以自然的方式与虚拟环境中的机床对象进行交互作用、相互影响，从而产生与亲临真实环境等同的感受和体验。以交互式3D虚拟环境展示虚拟数控机床的基本操作和实际操作中遇到的诸多问题，通过互动操作使用户可以熟悉此机床的原理和操作流程，并且模拟完成此机床的所有操作。
　　虚实结合的数控机床仿真系统的开发环境由硬件与软件两个部分组成。选择合适的软硬件有助于虚实结合的数控机床实训仿真系统开发工作的順利完成。硬件部分：虚实结合的数控机床仿真系统的实验台的搭建，用以装载数控交互组件等硬件设备。采用Proteus软件进行数控面板电路仿真设计，最终实现基于USB接口开发板设计制作数控操纵交互面板，同时研制一种经济型的三维立体感成像投影设备，构建逼真的三维交互环境。软件部分：根据对机床运动行为仿真系统的开发需求，采用面向对象的Visual C++作为主开发工具，构建软件框架结构，开发NC编译处理器。运用美国易用公司的虚拟现实开发平台EON对虚拟数控机床模型和虚拟加工场景进行几何变换、消隐、渲染及纹理映射、运动控制、逻辑处理和音效处理。
　　二、虚实结合的实训仿真系统的教学评价
　　数控技能实训课程对学生的实际动手操作能力要求较高，传统停留在考查书本知识的考核评价模式只能反映学生对基础理论的掌握程度，而忽视了学生的实际应用能力。常用的考核评价方法主要有量化评价和质性评价[3]。本文以量化评价为主要方式对实训课程进行考评，为设计基于虚拟现实技术的技能实训教学考评系统，首先组织命题专家依据相关实训课程或技能工种确定考核范围，设计考核内容，制定考评等级，规定考试时限。然后以各考查知识点为蓝本构建与其对应的考评情境，主要有三维可视化建模、逼真感场景渲染及模型优化等。再根据考核内容和评价方法设置考核知识点，合理分配各知识点的权重，并给出操作过程的具体得分、扣分规则。通过虚拟现实开发平台结合高级编程语言将三维虚拟考评环境与考试规则进行融合开发，构建考评规则库及三维虚拟模型交互之间的映射关系。最后根据虚拟操作的规范性、正确性、所用时间及误操作次数等交互信息综合得出考评等级。基于虚拟现实的实训教学考评系统可解决现场实训教学考评中的评分难、考核不全面等难题，同时可减少考评器械的损耗、降低学生操作风险等。
　　三、基于数控机床操作与拆装实训课程的教学实践
　　基于数控机床操作与拆装实训课程开发虚拟的数控机床仿真系统（如图2所示），将虚实结合技术应用于数控技能训练中，可使操作者出现在计算机所创建的逼真三维虚拟环境中，与虚拟环境中的数控机床发生交互操作。
　　（一）虚实结合的数控机床操作与仿真
　　开发出基于USB的真实机床操作面板，设计出真实数控机床操作面板与虚拟机床操作面板的接口程序，利用接口程序将真实机床操作面板的操作数据实时传递到计算机CPU再传递到虚拟机床中，实现对虚拟机床的实时运动控制。从数控机床的工件装夹、工件寻边、找正、对刀补偿输入等方面开发了虚实结合的三维可视化仿真系统，并开展相应的教学实践。
　　（二）基于NC代码的机床切削过程的仿真
　　将数控机床加工过程视为一个四维时空，即空间的x维、y维、z维和时间维。通过对NC代码的编译得到刀具及工件的运动轨迹。根据切削速度设定运动时间序列间隔，求解出刀具和工件的x、y、z值，再生成相应的刀具扫描体，最后通过刀具扫描体与零件实体模型相交求布尔来反映零件的几何切削过程，实现对数控代码的仿真与校验。
　　（三）机床结构拆装过程的自动考评
　　通过VC++编程平台对机床结构的拆装过程进行实时记录，并构建拆装过程路径数据库，系统通过遍历路径数据库来判别操作的正确性，进而实现评分处理，用ACCESS数据库全程记录拆装过程的操作情况，最后得出总评价。
　　四、结论
　　基于当前数控机床的实训教学中的实际需求，提出虚拟的数控机床仿真教学方案。利用计算机技术生成数控机床、加工工件及刀具的虚拟模型，开发针对NC代码的实时编译及运动实时仿真，通过数控交互操作面板等人机交互设备，利用三维图形生成技术以及高分辨显示技术，生成逼真的三维虚拟环境。以数控机床操作与拆装实训课程为例，将研发的基于虚拟现实的数控机床操作实训仿真系统用于教学实践，有效提高了学生的学习兴趣，降低数控实训中材料的消耗和机床、刀具的磨损。 　　參考文献：
　　[1]周忠，周颐，肖江剑.虚拟现实增强技术综述[J].中国科学：信息科学，2015，45（2）：157-180.
　　[2]罗陆锋，孙爽，李国琴，等.虚拟现实技术在技能实训教学考评中的应用研究[J].中国现代教育装备，2016，（21）：89-91.
　　[3]毕菁华.建立课堂教学质量评价体系的实践性探索[J].北京大学学报（哲学社会科学版），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
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