麻花钻虚拟仿真实验教学系统设计

于爱兵，叶家往

（宁波大学，浙江 宁波 315211）

0 引言

虚拟仿真是一种用虚拟系统模仿真实环境的技术[1]，它的互动性和逼真性能为“机械制造技术基础”的教学提供很好的辅助作用。国内学者针对虚拟仿真技术在“机械制造技术基础”教学中的实际应用进行了广泛的研究。

朱立达[2]等人对“机械制造技术基础”课程中典型的加工过程、机床进行建模与虚拟仿真，增强了教学直观性，提高了教学效果。付宏鸽[3]等人针对“机械制造技术基础”中机床夹具设计这部分知识教学存在困难这一问题，提出并设计了机床组合夹具设计仿真平台，使夹具的设计过程更加直观、清楚。

孔加工是“机械制造技术基础”这门课的重要内容，麻花钻作为最常用的孔加工刀具，其相关知识是教学的重点内容。教师在教授这部分知识时，存在以下问题：（1）在教授麻花钻切削部分结构时，课本上的图片只是用指引线指出各个结构的大概位置，学生很难清楚知道切削部分各个结构所处的确切区域；（2）在教授麻花钻几何角度这部分知识时，有多个虚拟平面，对于空间感差的同学来说很难理解；（3）学生很难实际观察到钻孔过程。虚拟仿真技术为课程带来了新的方法和思路[4]。设计的麻花钻虚拟仿真实验教学系统能一定程度的解决这些问题，该系统让学生能直接控制麻花钻三维模型并能让学生进行钻孔过程的虚拟仿真，这能让学生更好地掌握麻花钻的相关知识。

1 麻花钻教学内容

麻花钻是最常用的钻孔刀具，在孔加工中的地位极其重要，其要求学生掌握的主要内容有：（1）标准麻花钻结构：锥柄麻花钻结构、直柄麻花钻结构、各个结构的功能；（2）标准麻花钻切削部分结构：切削部分的组成、切削部分各个结构具体所处位置；（3）麻花钻几何角度：麻花钻几何角度的定义、几何角度大小的影响；（4）麻花钻具体钻孔过程：钻床钻孔过程、车床钻孔过程、两种钻孔方式的误差。

2 麻花钻辅助教学系统开发流程

麻花钻辅助教学系统开发流程如图1所示。具体过程：（1）在Solidworks软件中对钻床夹具、锥柄麻花钻、直柄麻花钻、三爪卡盘等进行建模；（2）在3dsMax软件中，将装配体的中心重新设置，并导出fbx格式的模型；（3）将fbx格式的模型导入Unity3D中再根据所需内容编写相应代码、设计相应按钮；（4）测试系统是否能实现相应功能，测试完成后打包输出。

图1 开发流程图

3 麻花钻虚拟仿真实验教学系统

麻花钻虚拟仿真实验教学系统以“机械制造技术基础”这本书为理论基础设计制作而成，内容主要包括：（1）麻花钻结构；（2）切削部分结构；（3）几何角度；（4）两种钻孔过程：车床钻孔、钻床钻孔。在介绍麻花钻结构时，该系统能实现麻花钻各个结构在三维模型上单独高亮，学生的观感会更加真实，记忆更加深刻。在介绍麻花钻切削部分时，该系统能高亮指定部分，并能旋转、放大、移动麻花钻模型，让学生更好地观察各个部位的具体空间位置。在介绍麻花钻几何角度时，该系统使用三维图和二维图相互对照的方式，让学生更加容易明白各个角度是在哪个平面上测量的哪两条边所夹的角。在介绍钻孔过程时，该系统能在虚拟空间内模拟车床钻孔、钻床钻孔，让学生更容易记住两种钻孔方式的特点。

3.1 软件主界面

点击麻花钻虚拟仿真实验教学系统图标即可打开软件进入软件初始界面，如图2所示。该界面按“ctrl”键可实现窗口化，按“esc”键可退出软件。点击“开始教学”按钮即会进入到软件主界面，如图3所示。

图2 软件初始界面

图3 软件主界面

标准麻花钻一般分为锥柄麻花钻以及直柄麻花钻，然而大多数学生很少有机会能近距离的观察这两类麻花钻，该系统能很好地解决该问题。在软件主界面点击“锥柄麻花钻”按钮，锥柄麻花钻钻将会单独展示，学生能通过鼠标移动、缩放、旋转锥柄麻花钻，点击“直柄麻花钻”按钮与锥柄麻花钻类似。这可以让学生从任意角度近距离观察锥柄和直柄麻花钻，增强实际和理论的结合。

3.2 麻花钻结构

锥柄麻花钻和直柄麻花钻的结构以及各个结构的作用是麻花钻这部分知识的基础，十分重要，该系统的麻花钻结构界面全面阐述了这方面的知识。在麻花钻结构界面，依次点击图4下方按钮，锥柄麻花钻和直柄麻花钻会高亮对应部分，由于锥柄麻花钻和直柄麻花钻在同一界面，学生能更好认识到两者结构上面的差别，同时，在高亮对应部分结构时，会出现相应的文字说明，这可以让学生更加方便掌握这部分知识。

图4 麻花钻结构界面

3.3 麻花钻切削部分结构

由于接触麻花钻实体的机会少，学生对麻花钻切削部分结构的具体空间位置掌握得并不是很好，麻花钻虚拟仿真实验教学系统比较好地解决了该问题。在切削部分结构界面，如图5，按“C”键会高亮麻花钻主切削刃部分，在主切削刃高亮时，学生还能通过鼠标自主移动、旋转、缩放麻花钻三维模型，如图6所示。这样可以让学生多角度清晰地看到主切削刃的具体位置，按其他键效果类似，这能让学生比较好的掌握切削部分结构的位置。

图5 切削部分结构界面

图6 主切削刃高亮

3.4 几何角度

刀具几何角度这块知识一直是学习刀具的重难点，麻花钻因其独特的外形导致这部分知识的学习更加困难，该系统能比较有效的降低这部分知识的学习难度。在几何角度界面，点击“前角”按钮，会出现前角的二维图和三维图以及相应的文字说明，如图7所示。三维图比较直观，二维图方便角度标注，该系统通过二维图与三维图相互对照，让学生能更加清楚知道几何角度是如何测量的，让学生对这块知识的掌握更加容易。点击“顶角、螺旋角、横刃斜角”、“后角”按钮效果类似。

图7 几何角度界面前角介绍

3.5 钻孔过程

钻孔方式一般分为车床钻孔和钻床钻孔，两者的主运动、进给运动、钻孔之后的误差都不尽相同，该系统的车床钻孔界面和钻床钻孔界面详细阐述了两者的特点和区别。在车床钻孔界面，点击“主运动”按钮右边棒料以及三角卡盘会照着图8中左边箭头方向旋转模拟车床上钻孔的主运动，点击“进给运动”按钮麻花钻会照着图8中右边箭头方向进给，模拟车床上进给运动。在钻床钻孔界面，点击“主运动”按钮麻花钻会照着图9上面箭头方向旋转模拟钻床上钻孔主运动，点击“进给运动”按钮麻花钻会照着图9下面箭头方向进给，模拟钻床上进给运动。这样可以让学生更加直观看到钻床钻孔、车床钻孔的主运动是不同的。同时，车床钻孔和钻床钻孔两个界面都有一定的文字说明，这可以让学生对钻床钻孔、车床钻孔各自的主运动、进给运动印象更加深刻，同时也让学生了解到两种钻孔方式的特点，即两种钻孔方式钻孔之后的误差区别。

图8 车床钻孔界面

图9 钻床钻孔界面

4 结束语

设计的麻花钻虚拟仿真实验教学系统包含麻花钻结构、切削部分结构、几何角度、钻孔过程四部分，并在各个界面配有相应的文字说明。学生通过该教学系统能任意角度观察麻花钻结构、切削部分结构，还能学习麻花钻几何角度的相关知识，同时，还可以操作麻花钻三维模型在虚拟空间内实现两种钻孔的仿真。麻花钻虚拟仿真实验教学系统是对传统理论教学的补充，增强了实践与理论的结合，能帮助学生更好地掌握麻花钻的相关知识，提高学生学习兴趣和学习效率，提高教学质量。