加工中心虚拟拆装系统在教学中的应用

吴 飞，杨一粟，高 尚

(武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉430070)



加工中心虚拟拆装系统在教学中的应用

吴 飞，杨一粟，高 尚

(武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉430070)

为了加强学生在加工中心拆装教学实践课程中对加工中心结构以及工作原理的认识理解，在虚拟现实技术的基础上开发出了基于VR-Platform的加工中心虚拟拆装教学系统。该系统在拆装实践课程中的使用，有效地提升了教学效率和效果，降低了设备维护成本，加强了学生对加工中心结构原理的认识，为机械设备的拆装实践课程提供了一条可以参考的方法。

加工中心 教学系统 虚拟拆装 VRP

0 引言

机械专业的学生必须掌握机床拆装相关的知识和技能。传统教学方法通过播放视频、挂图解说等方式，让学生对各种机床的结构组成、工作原理有基本的认识；然后教师再带领学生进行现场教学，通常先将机床拆解、分成各组零部件进行讲解，再进行装配，重复演示多次后，才能够让学生进行拆卸、安装练习[1]。但是这些教学方法在实际教学中存在有如下问题：1)为了让学生熟悉拆装的操作过程，教师需要进行多次拆装，延长了教学时间；2)机电专业学生较多，而结构完整的机床实物资源相对较少，学生必须进行分组练习，降低了教学效率；3)学生由于理论知识不足，不能牢记拆装方法和步骤，导致机床零部件损坏，不但增加了教学成本，也存在安全隐患[2]。为了解决上述问题我们开发了虚拟拆装教学系统，并对其可行性进行了分析。

1 加工中心虚拟拆装系统介绍

加工中心虚拟拆装系统面对的是对加工中心结构以及工作原理不是特别熟悉的参加实践课程的高校学生，使用此系统的意义和目的在于让学生更生动形象地了解加工中心的结构原理、各种零部件、所选用的材料、拆装涉及到的工艺知识、故障的判断以及正确的拆装方法。

本系统使用SolidWorks进行建模，采用3DS Max对模型进行材质管理、纹理烘倍和动画制作等，鉴于软件的易用性和便于技术普及，使用VR-Platform作为虚拟拆装系统的开发工具[3-4]。本系统主要具有四大功能模块：结构展示、虚拟拆装、动画演示、文档调用。

(1)结构展示

进入教学系统后，用户面前呈现机床的整体外观结构。并且通过鼠标点击该工作系统结构组名称后可以进入该工作系统的演示场景。本系统将加工中心的四大主体部分工作台、主轴箱、立柱以及刀库，分别点击将进入各部分的结构展示模块。可以通过透明度以及显隐藏来设置零部件的显示状态，方便观察各零部件之间的配合以及位置关系。图1是刀库结构展示界面，界面上有5个按钮，其中“显示隐藏”、“透明度”属于对模型进行操作，点击相应按钮，即可显示工作系具体结构组的名称按钮。当点击“显示隐藏”时，结构组分类菜单就会显示出来，刀库分为三大结构组，点击按钮显示结构组整体结构，点击下拉选择框显示结构组中的具体零件。

图1 刀库结构展示界面

图2 下拉选择框

如图2有些结构组下拉选择框零件可能较多，需要下拉显示所有零件名称，既可以拖动滚动条，也可以点击滚动条上下的箭头，进行滚动选择。

当点击“透明度”时，“显示隐藏”下的结构组按钮就会消失，相应的“透明度”底下的按钮就会显示。除了“显示隐藏”“透明度”控制，有时候为了看清零件结构或者在结构组中的相对位置，需要进行“旋转平移”“放大缩小”操作。操作方法见界面底部。

(2)虚拟拆装

图3 工作台的虚拟拆装界面

虚拟拆装模块将模拟现实中的加工中心拆装环境，分为装配与拆卸两个功能。学生首先按系统提供的指导文件进行试拆装，针对试拆装中出现的问题不断地改进重新进行拆装练习，直至能够快速准确的正确拆装加工中心。经过虚拟的拆装试验过后，就可以进行实地的加工中心拆装操作。图3是加工中心工作台的虚拟拆装界面。

(3)动画演示

动画演示功能模块能够向学生提供正确的可供参考的加工中心拆卸演示。在观看拆装动画的过程中学生能够了解到正确拆装路径以及拆装顺序的选择，同时还可以尽量避免在虚拟拆装中出现干涉碰撞等现象，有效地提高了虚拟拆装的效率。以刀库的动画演示过程为例，点击“拖动播放动画”，动画播放控制条就会显示出来，拖动滑块即可控制结构组分离动画。学生可以通过来回拖动滑块来仔细观察零部件之间的装配顺序及零部件之间的配合关系，直至彻底理解装配的顺序以及装配关系。注意，再次进行“显示隐藏”“透明度”控制时，需要把滑块拖回最左端，不然结构组零件会一直处于分离状态。

(4)说明文档

说明文档调用功能则包含了加工中心在拆卸过程中涉及到的各种工艺文件，包括了各种零部件的三维以模型及二维图纸的显示，装配路径顺序的选择方法，避免干涉碰撞的指导文件等。以刀库文档的调用为例，点击图4中的说明文档按钮，系统将会自动打开Word格式的刀库文档信息文件，部分内容如图5。同时说明文档的内容可以不断的修改更新，学生可以将自己的理解添加到说明文档中以丰富更新说明文档的内容，但是更新的内容只能本地文件中，供自己参阅，不能上传到网络库中。

图4 刀库动画播放控制 图5 刀库说明文档

2 加工中心虚拟拆装系统在教学中的应用

加工中心虚拟拆装系统在教学实践课程中的应用主要过程如下：

1)课前知识预习。在正式进行拆装试验课程之前，实验老师需将课程中涉及到的关于加工中心的各方面的知识编辑成电子文档发送给参与课程实践的学生进行预习，以便提高上课时的效率。

2)课程内容讲解。对课程中涉及到的知识点进行详细讲解，重点介绍加工中心拆装的拆装顺序与路径的选择原理，拆装中怎么样避免出现零部件之间的干涉问题，拆装注意事项以及安全操作守则等。

3)虚拟装配系统介绍与演示。详细介绍加工中心虚拟装配系统的各个功能模块，并进行加工中心的虚拟拆卸过程教学演示，便于学生更快的掌握以及使用本系统，提高教学效果。图6为加工中心虚拟拆装系统界面。

4)虚拟拆装。让学生自己动手操作加工中心虚拟拆装系统，通过各个模块的功能仔细观察了解加工中心的机构以及原理，同时进行加工中心的虚拟装配与拆卸，为之后的实地拆装做好准备。图7为加工中心主轴箱结构演示界面。

5)实体拆装。在进行了多次的虚拟拆装后，总结虚拟拆装中出现的问题，对加工中心实体进行拆装，将课程中学习到的理论知识与实训课中的实践进行结合，更加清楚的了解了加工中心的结构与工作原理，同时对其他机电设备的拆卸提供了参考价值。

3 加工中心虚拟拆装系统的意义与价值

各大高校的机械专业都设置有机械设备的拆装实训教学课程，为了将课本中的理论知识与实践相结合，取得更好的教学效果，必须改善传统的教学过程，提高教学效率[5]。加工中心虚拟拆装系统的意义与价值体现在如下方面：

1)在各个学校的办学条件不同，场地和设备的状况也各不相同的情况下，加工中心虚拟拆装系统可以减少对场地和设备的需求，降低教学成本。

2)学生可以通过反复地虚拟拆装演练，不断地改进拆装步骤，提高拆装效率，减少在实际拆装操作过程无效步骤与尝试，降低拆装的难易程度，避免出现危险情况。

3)虚拟拆装系统的发布形式多样化，可以单机运行，也可以在网页上通过插件运行，极大的降低了使用条件的限制，方便了学生的自学。

4 结语

加工中心虚拟拆装系统对于传统教学方式存在的问题提供了解决的方法和途径，虚拟现实技术与传统教学方式相结合的方式对教学效率有极大了的提升，加工中心虚拟拆装系统的开发对机械设备课程实践教学方法的改进与创新提供了可供参考的方向。

[1] 林聪.虚拟现实技术在普通机床拆装课程教学中的应用研究[D].厦门：厦门大学,2014.

[2] 黄杰东.机床拆装实习的探索[J].机械职业教育,2000(2):15.

[3] 钱芬.虚拟现实技术在教学中的作用和应用[D].成都：电子科技大学，2008.

[4] 苗壮，李凡长.基于虚拟现实技术的教学改革研究[J].黑龙江教育(高教研究与评估),2007(1)：129-130.

[5] 宋达.虚拟现实技术在教育领域中的应用与设计[D].长春：东北师范大学，2005.

Application of the virtual machining center disassembly/assembly system in teaching

WU Fei, YANG Yisu, GAO Shang

In order to enhance students’ understanding of the structure and working principle of the machining center, we developed a virtual teaching system based on VR-Platform. Application of the system in practice courses can effectively improve teaching efficiency and effect, reduce the maintenance cost of the device, enhance students’ understanding of the working principle of the machining center, and provide a referential method for the disassembly/assembly practice courses of machinery equipment.

machining center，teaching system，virtual disassembly/assembly，VRP

G642

A

1002-6886(2016)06-0104-03

吴飞，男，湖北武汉人，武汉理工大学机电工程学院副教授，国家实验教学示范中心“机电工程实验实训中心”副主任，研究方向：CAD/CAM。 杨一粟，男，湖北应城人，武汉理工大学机电工程学院专业研究生，研究方向:CAD/CAM。

2016-06-24