基于虚拟仿真技术的机械制造在线课程教学研究

芈 天

（南京工业大学，江苏 南京 210000）

虚拟仿真是指通过计算机图形学、仿真技术和人机交互技术将现实中的相关产品、设备虚拟化，使其能够在计算机中进行模拟交互，从而达到虚拟操作的效果。这种技术在教育行业有着巨大的应用前景，“十三五”规划中就曾明确指出，“要推动大数据、虚拟现实、人工智能等新技术在教育教学中的深入应用”[1]。机械制造基础是一门讲述加工工艺、加工方法的专业课程，内容广泛，专业性强。其中，介绍加工原理的知识点较为直观，而介绍加工参数的知识点较为抽象。这在学习过程中，对学生的抽象思维能力有着一定的要求。面对相关问题，以机械制造基础中的车刀集合角度以及参数一章为例，联系当下在线教育的新形式，将虚拟仿真技术与相关课程中较为抽象的知识点相结合，开发新型交互式课件，能够提高课件操作的交互性，表现的生动性，同时提升学生的参与度[2]，帮助学生更好地理解部分较为抽象的知识点。

1 当下课程中存在的主要问题

近来由于疫情影响，高校大多通过网课的形式进行课程教授，在讲解一些特殊的机械装备时（如讲解车刀结构的时候），传统的课程中往往使用实物演示、教具互动的形式进行讲解，由于网课教授方式的特殊性，教师无法通过实物或模型与学生形成良好的互动，同时，传统的课件在面对一些较为抽象的知识点时，不便于学生理解[3]。

以车刀组成以及角度参数一章为例，刀具几何角度的测量是其中最为重要的知识点，刀具的几何角度是通过将主（副）切削刃投影到辅助平面进行测量，刀具通常有3个辅助平面，分别为：基面Pr，切削平面Ps，正交平面Po。基面Pr为通过切削刃且平行于刀具安装面的平面，切削平面Ps为与刀具的切削刃和刀具进给方向重合的平面，而正交平面Po则是垂直于切削平面Ps和基面Pr的平面。由于这3个平面都为虚拟平面，且测量刀具几何角度时需要将刀具不同切削刃投影到相应辅助平面上进行测量，空间转换较为复杂。

面对此类知识点，传统课件大多会采用如图1的形式进行表现。这种表现方式十分抽象，不便于学生理解。

图1 车刀几何参数的传统课件表现形式

而虚拟仿真技术可以很好的解决此类问题，使用虚拟仿真技术开发的交互式课件，能够构建虚拟的车刀模型，并在车刀模型基础上将辅助平面展示出来[4]，通过动画将切削刃的投影过程加以演示，供教师展示讲解，也能够通过相关程序进行交互，能够自由旋转加工刀具，更加立体地展示刀具几何结构[5]。

图2 交互式课件的表现形式

基于上述问题，本文以虚拟仿真技术为基础，结合车刀组成以及角度参数中较为抽象的知识点，开发交互式课件，为新的教学模式提供理论支撑。

2 课程分析以及功能需求

根据相关课程的教学目标，这一章学生需要学习的知识点为：1）车刀的组成部分；2）用于测量车刀角度辅助平面的建立；3）车刀几何角度测量以及参数选择。

该部分知识点需要学生了解车刀组成部分的定义。由于部分定义在加工过程中才能够清楚表现(如车刀的前刀面是切屑流过的表面)，因此需要制作虚拟车削加工动画。车削加工中辅助平面的建立则需要根据辅助平面的定义，用动画的形式表现出辅助平面设立的过程。车刀角度测量不仅仅需要表现出相应角度的投影关系，不同角度结构的刀具有不同的测量方式，因此需要制作不同种类的刀具模型，用于分别讲解。同时，为了直观地展现相关投影结构，程序要能够实现自由平移、旋转、缩放等功能。系统的理论支撑以及设计思路如图3所示。

图3 系统框架以及软件设计流程

3 系统开发流程以及相关功能实现

3.1 开发流程规划

根据设计，交互式课件开发流程如下：1）选取具有代表性的车刀，对其进行测绘，使用solidworks建模软件构造车刀的模型；2）将solidworks制作得到的模型导入Maya软件中进行优化，同时使用maya制作车刀车削棒料的动画，并将其导出；3）使用unity引擎开发软件的基础功能，同时优化软件的操作体验，保证交互的便利性；4）最后将maya导出的模型以及动画文件导入unity软件中，结合相应素材完成软件的应用模块，最后将软件打包导出。

3.2 课件界面设计

为了增强课件的易用性和交互性，软件需要构建ui界面用于控制程序的开始与结束，显示相应模型以及信息，构建课件的交互界面。本课件的操作界面设计如图4所示。

图4 交互式课件的ui界面设计

交互式课件的ui界面主要包括刀具知识点选择，刀具结构观察，切削动画观看，相关知识点文字介绍等功能，点击相应按钮即可显示相应信息。

3.3 模型资源以及动画资源制作

在讲解车刀相关参数时需要用到车刀模型，车刀模型在制作过程中应当力求真实、形象，符合真实的车刀工作环境。车刀在加工过程中会用到多种角度的刀具，如90°偏刀、45°外圆刀、切断刀、内镗刀等等，不同的车刀在使用过程中起到不同的作用，其刀具组成部分和刀具角度都存在差异，如偏刀与外援刀有1个刀尖，而切断刀有2个刀尖。为了表现不同种类的刀具结构特征，需要根据刀具的种类分别制作模型。

图5 不同种类的刀具模型

此课程中的部分知识点结合动画讲解更加便于学生理解，如刀具结构中的前刀面，其定义是“切削过程中铁屑流过的表面”，为了使学生学习时更加直观，通过maya开发刀具切削动画，如图5所示，并将其烘焙后导出unity中，在讲解相关知识点时进行播放。

图6 外圆车削动画

3.4 基础功能实现

交互式课件须具备一定的交互性，尤其在展示相关结构细节时，应能够实现自由平移、旋转、缩放零件的交互方式。综合相关三维交互软件的使用方案，笔者选择了基于鼠标的交互模式。具体交互效果如图7所示。

图7 基础功能交互效果

图6（a）、（b）、（c）为刀具不同交互方式的对比。当用户按下鼠标中键，显示平移图标，拖动鼠标移动零件；按下右键，显示旋转图标，拖动旋转零件；滑动滚轮，显示缩放图标，滚动滚轮缩放零件。系统实时记录零件的角度位置缩放信息，实现自由观察零件的效果，实现基础交互功能的核心代码如下：

void Update(){

if(Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel")!= 0 ){

part.transform.localScale = new Vector3(part.transform.localScale.x + Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel"), part.transform.localScale.y + Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel"), part.transform.localScale.z + Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel"));}

if(Input.GetMouseButton(1)){

part.transform.Rotate(Vector3.down, Time.deltaTime * 200 * Input.GetAxis("Mouse X"));

part.transform.Rotate(Vector3.right, Time.deltaTime* 200 * Input.GetAxis("Mouse Y"));}

if(Input.GetMouseButton(2)){

move.gameObject.SetActive(true);

part.transform.Translate(Vector3.right * Input.GetAxis("Mouse X"));

part.transform.Translate(Vector3.up * Input.GetAxis("Mouse Y"));}}

3.5 应用功能实现

为了能够更好展示刀具切削过程以及角度参数的辅助平面和投影关系，刀具模型需要结合文字，动画等信息进行辅助介绍。由于需要介绍的知识点较多，为了提高软件运行效率以及开发效率，需将相关功能写成功能脚本，可供开发人员自由配置，通过修改脚本配置，就能改变知识点的动画序列以及介绍的文字内容，如图8所示。

图8 通过脚本配置播放不同动画以及介绍文本

其中，Introduce字段用于配置零件的介绍文本。Part_object字段用于配置当前显示的刀具，Need_play_animation字段用于控制当前知识点是否需要播放动画，Need_loop_animation用于控制动画是否需要循环播放，Animation_player字段用于配置播放动画的模型，Animation_name用于控制当前动画的名称。具体代码如下：

public void Knowledge_Points(){

ui_introcuce.text = introcuce;

part_onject.SetActive(true);

if(need_play_anmiation){

anmiation_player.GetComponent().Play(anmiation_name);

if(need_loop_anmiation){

if(anmiation_player.GetComponent().IsPlaying(anmiation_name)== false){

anmiation_player.GetComponent().Play(anmiation_name);}}}}

3.6 软件发布以及网络配置

开发完成的课件程序能够通过unity自带的发布程序发布到多个平台，例如windows、安卓、ios以及web平台。为了便于教师讲课使用，笔者将其发布到web平台，此处以web平台为例，在“Build Setting”页面中选择“WebGl”后点击“Build”，即可将相关程打包；最后将打好的包部署在IIS服务器，根据服务器的版本配置MIME类型文件；完成后即可通过浏览器访问网页，在线使用交互式课件，进行相关知识点教学。

4 基于虚拟仿真技术的交互式课件的优点

传统的课件在面对机械课程中一些较为抽象的知识点时，表达不清，同时面对当下较为时兴的网课教育环境，缺乏交互性是其一大弊端。而基于虚拟仿真技术的交互式课件能够很好地弥补传统课件的短板，其具有交互性强，化抽象为形象的特点，更加形象，直观地表达机械加工中一些抽象的知识点，在不能亲手使用教具展示相关刀具结构时，交互式课件能够更加清楚的展现零件的形态与结构。相比于静态课件，教师使用动态课件授课能使得学生注意力更加集中，这种优势在网络授课的环境中更加明显。学生学习的效率以及兴趣得到了显著提高，为高校的教学改革提供了新的参考。