虚拟技术在机床拆装教学过程中的应用

陈国炎　张锁荣　管小丽

[摘 要] 为了解决学生实践动手能力差和实践教学设备投入不足、场地有限的矛盾，提出将虚拟技术应用到机床拆装教学过程中去。解决设备投入不足和实习场地有限引起的问题，通过实践证明虚拟技术在理论教学与实践教学过程中可以起到平滑过渡衔接的作用。

[关 键 词] 虚拟技术；实践教学；Solidworks软件

[中图分类号] G712 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2017）32-0018-02

在机械设计、装备制造、机床概论等专业课程的理论教学过程中，由于缺乏实物参照，学生学习普遍积极性不高，对所学课程内容、专业知识一知半解，通常在理论课程学习之后，安排实践类的现场机床拆装课程。这样的课程教学安排，符合“理论学习—现场实践—理论运用”人才的培养规律，但在实际的实践教学过程中发现以下几个问题：（1）设备台套数不够；（2）教学场地受限；（3）设备损坏严重；（4）教学效果欠佳。为解决以上问题，提出了利用虚拟技术解决面向对象模式下的实践类现场教学过程中存在的资源不足、场地有限和教学效果欠佳等问题。

一、虚拟技术概述

虚拟技术是利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成三维逼真的虚拟环境，使客户成为虚拟环境的一员，进行实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而获得身临其境的感受和体验。

虚拟技术的基本特征是沉浸性、交互性和想象性。沉浸性是指出计算机生成的逼真的三维立体图像，使用户产生一种身临其境的感觉，如同在真实的客观世界一样。交互性是指用户能够自然地同虚拟环境中的对象进行交互操作，从而感知和响应虚拟环境。想象性是指虚拟环境向用户提供了发挥想象力的机制，能够启发用户的创造性思维，提高感性认识和理性认识。

由于虚拟技术具有可操作性、真实性、可重复性等优点，应用在教育行业上为教育技术的发展提供了一个飞跃的平台，它创建了“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式代之为学习者通过自身与信息环境的互动来获得知识和技能的新型学习方式。它已经成为当今教育技术和计算机多媒体辅助教学的重要发展方向之一。

二、Solidworks在普通车床拆装实践教学中的应用

Solidworks是由法国达索公司开发的世界上第一个基于Windows开发的三维软件。它集CAD/CAE/CAM于一身，因其易学易用、界面友好、操作简便、功能强大等特点，深受工程技术人员和大专院校师生的喜爱。

（一）机床零部件三维模型的建立

建立三维模型是应用虚拟技术的关键步骤。我们以常见的CA6140A普通车床为例，该机床主要由主轴箱、进给箱、溜板箱和其他机床附件组成。每一个部分都有其各自的功能、作用和结构特点，且每个部件又由多个零件组成。单个零件是组成功能部件的基本单元，所以零件的三维建模是建立机床三维模型的基础。

通过利用Solid works三维建模功能对每个零件进行三维建模的建立。如表1所示，为主轴箱部分典型零件三维模型。

（二）机床三维模型的虚拟装配

零件三维模型创建好之后，根据零件的装配关系，利用Solidworks装配体功能对部件进行装配，同时在装配过程中根据装配关系对零部件的尺寸、位置进行虚拟配合、装配，对运动部件之间有速比、转角等逻辑关系装配时，借助软件高级装配功能，进行虚拟设置与装配，如齿轮传动、带传动、螺纹传动等。表2为主要部件的三维装配图。

（三）机床三维模型的虚拟拆卸

为便于充分展示机床各零部件之间装配顺序和位置关系，Solidworks软件提供了爆炸视图的表达方式，爆炸视图的创建即为三维模型的拆卸过程。通过利用Solidworks提供的零件平移、旋转、测量、标注、剖切等功能，可实现整个拆卸过程的完全可视化操作，使操作者仿佛置身于真实的拆卸过程中，便于学生快熟熟练地掌握部件内部结构、工作原理、运动关系和传动路线，培养了学生独立思考和理、实结合的综合能力，也为后续实际拆卸课程做好理论铺垫。如图1所示，为主传动轴爆炸视图。

通过上面的方法可对机床其他部件进行分别装拆，通过反复的模拟拆卸过程，在随后的实际操作过程中，学生可牢记拆卸顺序、步骤和注意事项。通过这样的方法，使装拆过程变得简单、直观、易懂。这样不仅缩短了学生实际拆装的时间，同时还解决了实际装拆过程中台套数量不够、学生装拆过程思路和场面混乱等一系列问题。目前我校在机床概论相关专业课程的教學过程中，充分利用了已完成的Solidworks三维模型建模成果，学生的学习积极性明显提高，取得了较好的教学效果。

三、课程教学定位

根据流程图（图2），课程教学涉及基础专业基础课程、专业选修课程，训练学生综合运用专业知识、问题分析等能力。与传统课程教学相比较，进一步增强了学生的动手能力和问题分析能力，更贴近实际的生产现场情况。

四、虚拟技术在机床拆装实践教学过程中存在的问题

实践证明，通过利用Solidworks软件对机床虚拟装拆，可使理论知识和实践应用进行较好的衔接，打破了传统教学方式，激发了学生的学习兴趣，同时很好地解决了实践教学过程中存在的一些共性问题。但同时我们也发现了一些问题：（1）三维模型的创建需要耗费大量时间和精力，需要对Solidworks软件与机床结构都非常熟悉的工程专业人员才能完成；（2）实际的零件和三维模型在零件尺寸、形状、相互位置等方面存在差异，虚拟装拆不能完全反映实践的装拆情况。

综上所述，虚拟技术在机床拆装实践教学中起着平滑过渡的关键作用，进一步提高了机床拆装实践教学的效果。

参考文献：

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