基于VR的数控铣床虚拟仿真教学系统

王 利，陈清奎，宋文浩，魏鑫鑫

（山东建筑大学 机电工程学院，山东 济南 250101）

0 引 言

数控车间环境复杂，机床操作危险系数大，而学习者不得不进入车间进行学习，因此借助虚拟现实平台展示数控车间。数控铣床的教学过程中，教师希望学生能熟练运行数控机床，并能熟练编写数控程序。但是由于缺乏实训机器、教学场地和安全因素，高校学生对数控铣床的学习并不能达到预期效果。借助虚拟现实平台将虚拟现实技术与教学模式相结合，虚拟现实的三维可视化可以将数控铣床展示在使用者面前，既可以实地教学，又可以在线实训，让学生的学习更加高效，同时可降低使用者因操作不当产生的危险系数。因此将虚拟现实技术运用到教学系统中，对提升教学质量有重要的意义[1-5]。

目前虚拟现实技术在国内飞速发展，基于虚拟现实的教育项目层出不穷，并取得大量的成果。现结合传统教育模式，运用虚拟现实技术，教学数控仿真系统，包含基本知识、基本操作、编程教学、仿真实训和实训自测题等多个方面。

1 数控车床虚拟仿真教学系统的开发

1.1 开发目的

教学系统基于高等院校数控实训的机床，结合高等院校的课程教学大纲设计。通过应用软件SolidWorks和3DS Max绘制模型，将C#程序导入Unity 3D控制模型开发虚拟仿真教学系统。数控仿真教学系统中，学习者可通过移动鼠标进行学习，鼠标在某一位置停留，即可显示当前机床部件的名称。其次，教学系统还分为多个模块，点击不同模块，可以在实训室漫游行走自行操作，跟随本模块的流程实现自主学习[6]。

1.2 功能介绍

基于数控铣床的虚拟仿真教学系统内容主要包括4个方面：数控铣床基本知识的讲解、基本操作、编程教学、仿真实训与考核。基本知识讲解又分为结构名称介绍、运动原理、加工参数的设定等模块，将数控铣床的各个部位名称、坐标系、运动方向、转速以及进给速度进行详细介绍。编程教学中先对学习者进行数控铣床指令的介绍，然后选取编程实例进行讲解。最终的考核阶段是以选择题和填空题的形式对数控铣床知识进行考核。

1.3 结构分析

数控仿真教学系统中采用窗口、按钮的方式制作，将仿真系统分为五大模块：基本知识、基本操作、编程教学、仿真实训和实训自测题，教学系统结构如图1所示。

图1 数控铣床虚拟仿真教学系统结构

该教学系统设置了一级、二级、三级菜单，如三级菜单的铣削加工概念、铣削加工设备、铣床附件与铣刀和铣削方式等，使教学系统更加清晰，加强教学系统的逻辑性，使学生在使用过程中能更好地认识数控铣床。

1.4 开发流程

数控铣床虚拟仿真教学系统的开发流程由模型制作、交互界面设计及编程发布程序组成。根据现场考察获取数控铣床的尺寸和图片，首先借助SolidWorks、3DS Max等建模软件按照比例对数控铣床进行建模；然后设计UI界面，经Photoshops将所需要的图片进行处理，让学习者学习时保持舒畅的心情；将绘制完成的模型以FBX格式输出，并导入Unity 3D中，经C#编程而控制模型运动[4]，最后发布程序。虚拟仿真教学系统开发流程如图2所示。

图2 数控铣床教学系统开发流程

2 系统关键技术

2.1 界面设计

为了让学习者能更好地使用仿真教学系统，教学系统的用户界面经过UI界面设计，模块以列表的方式进行排列，使系统更简洁清晰。学生可以通过点击按钮进入三维空间，实现知识点的三维可视化，系统界面如图3所示。

图3 系统界面

2.2 模型建立与优化

在数控铣床建模的过程中，数据庞大，模型复杂。为了减小Unity 3D的渲染量，将SolidWorks导出的.STL文件导入3DS Max中。模型将以面的形式存在，因此顶点和面会急剧增加，可以通过转换成四边面达到降低三角面数量的目的。

3 实际应用

3.1 基础知识

进入教学系统，系统分为基本知识、基本操作、编程教学、仿真实训以及实训自测题五大模块。以基本知识模块为例，打开基本知识模块，包括铣削加工概念、铣削加工设备、铣床附件与铣刀以及铣削方式等内容。进入二级界面，在铣床附件与铣刀模块中包含铣床附件与铣刀模块。鼠标点击铣削方式中三级模块，会介绍3种不同的铣削方式。

3.2 基本操作

基本操作主要包含铣刀与工件安装、铣平面、铣斜面、铣沟槽等内容。铣斜面包含偏转铣刀铣斜面和使用斜垫铁铣斜面。鼠标点击三级模块按钮，即进入三维空间车间中进行学习。

3.3 编程教学

编程教学通过知识与实践相结合的方式实现，通过改变编程进给速度、主轴转速以及指令等帮助学习者更好地学习。

3.4 仿真实训

进入系统，点击仿真实训模块，系统右上角会出现实际操作步骤。进入车间，通过手柄点击工具，系统自动进行操作。

3.5 考核模块

为了使学习者更好地检测自己的学习效果，在教学系统中增加了实训自测题模块。学习者将题目回答完毕后选择提交，系统会自动批改，并给出正确答案。

4 系统检验

数控铣床虚拟仿真教学系统通过鼠标点击界面按钮，在实践中进行理论知识的学习。通过低级模块对系统进行检测，间接完成对高级模块的系统监测，如图4所示。

图4 基础知识铣刀模块

5 结束语

数控铣床虚拟仿真教学系统以XK5032数控铣床为实例，结合虚拟现实技术、计算机图形学、Solid-Works和3DS Max建模，借助Unity 3D将数控铣床的铣床结构、仿真模拟及编程展示在使用者面前。通过对教程的使用让学习者获取由理性到感性再到理性的认知，一方面该教学系统改变了传统教师的教学方式，将PPT的抽象内容实体化；另一方面应用虚拟仿真系统，有效地改善学生学习条件，增强了现实感，提高了学生学习兴趣，有助于快速掌握数控铣床的相关知识。