虚拟数控车削实训平台的理论研究与开发

何流洪， 周峥嵘

（贵州大学， 贵州 贵阳 550025）

引言

数控实训是工程训练的重要环节，是学生将先进制造技术运用于实践的重要平台，是提高学生实践能力和创新能力的重要手段。虚拟数控车削实训平台的开发有利于解决师生比例不协调、设备投入大、安全问题等难题；更重要的是，虚拟数控车削实训平台改变了传统单一古板的教学模式，将教学拓展到线上课下，实现兴趣驱动、“知行合一”、形成“以学生为中心”的良好教学模式。

1 虚拟数控车削实训平台的理论基础

1.1 构建理论与认知理论

构建主义认为知识构建是个人经验以及原有知识与情景环境的相互作用形成的新认知结构。通过“同化与顺应”过程的建立，以“平衡－不平衡－新的平衡”的模式循环构建。构建主义强调学习者的作用，提倡“以学习者为中心”，同时重视环境与原有知识构架的作用。认知理论将学习者能根据有意识提取的线索直接陈述的知识定义为陈述性知识；将无法直接陈述的、需借助某一形式、并依靠间接推测的知识定义为程序性知识。认知理论强调的学习形式有符号性学习、观察性学习以及技能性学习。不难发现，虚拟仿真技术在数控车削实训中的应用正好契合构建主义和认知理论的理论精华。虚拟数控车削实训平台构建逼真的实训环境，拓展了学习资源，让每一个学习者都能亲身沉浸于虚拟世界，在这个逼真的虚拟世界，学习者就是中心，学习者会不经意间学习虚拟世界里的符号知识，会观察、感知虚拟世界里的事物，还会体验操作虚拟设备。在学习、观察、体验的过程中，完成对新知识体系的构建，形成新的理论和观点[1]。

1.2“经验之塔”理论

“经验之塔”理论中，基于抽象程度不同将经验划分为“做的经验”“观察的经验”以及“抽象的经验”，“经验之塔”理论强调各层理论模型之间的相互转变及影响。虚拟数控车削实训平台提供给学习者逼真的虚拟学习场所，学习者能在虚拟场景中游走，还能真切地操作使用机床设备，实现“做的经验”获取；虚拟数控车削实训平台融合声音、图像、文本等视听多媒体工具，将经验获取从“做的经验”转变为“观察的经验”；在此基础上，对科学原理、定义、过程等“符号”进行逼真的、更为立体的、可视化的重现，实现“抽象的经验”获取。

1.3 情景认知学习理论

情景认知学习理论认为：学习必须以情景为依托，以学习者为中心，以实践为手段，通过一系列人类协调的行为，使学习者与动态变化发展环境相适应。实训课程是情景认知理论推崇的“知行合一”的最优体现，其主体便是实践。虚拟仿真技术为学习者提供便捷的、逼真的学习情景，促使学习者从传统教学的被动接受转变为主动学习，另外，通过虚拟数控车削平台发布的PC和移动终端，挣脱了时空的限制，将学习情景拓展到任何地方任何时间，使实践能动态自由进行，知识能无时无地地获取[2]。

2 虚拟数控车削实训平台的开发

2.1 数控车削实训课程

数控技术的实践训练是一门综合性很高的实践课程，是编程技术、控制技术与先进制造技术融合应用于实践的最佳典范。目前，数控技术实践训练课程依托构建理论、“经验之塔”理论以及情景认知学习理论设计，基于CDIO模式搭建，教学过程包含构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）环节，由方案构思→零件设计→工艺分析→数控程序编写→数控程序仿真验证→虚拟加工→实体加工→考核模块构成，如下页图1所示。

图1 数控车削实训课程

数控车削实训课程的设置体现了“做中学”和“知行合一”的教学原则[2]。虚拟加工在实践课程中起到承上启下的关键作用，将课程串联成一个整体，彻底摆脱设备不够、安全性不高的制约；教学模式也从老师“操作示范”转变为“学生自主实践”。课程拓展到课前的预习学习、课中训练、课后的巩固复习等全方位学习状态。

2.2 虚拟数控车削实训平台开发的需求分析及工具选择

平台开发主要使用者是高校师生，平台的应用要具备如下几个条件：仿真要高度逼真，即场景要高度逼真，操作要高度仿真、交互要及时有效，界面要清晰流畅；功能要完善，要具备逼真的加工环境，提供学习案例库，提供安全教育和学习功能[3]。

平台搭建主要包括材料收集准备、三维模型建立、模型处理及虚拟仿真实现几个环节，每个环节环环相扣，相互影响，所以选择合适的软件至关重要。

虚拟仿真软件的选择基于软件的兼容性、画质、交互性、经济性等方面考量，如表1所示。

表1 常用虚拟仿真软件比选

显然，作为一款专业的仿真软件，unity3D的各项指标都很全面，最为优异的特征主要体现在：首先，开发思路清晰高效，unity3D以“All in One”作为设计理念，拥有全面完善的开发编辑功能，实现个性化设置、高度整合、方便扩展的开发环境。其次，兼容性极佳，Unity3D支持的三维模型格式较全面，覆盖了目前主流的三维软件 （3ds Max、Blender、Maya、Cinema4D等）；支持脚本开发，兼容C#和JavaScript（JS）在同一项目中自由调用。Unity3D支持的编程语言有C#和JavaScript（JS）；另外，Unity3D能将产品发布多个平台。最后，可视化的操作界面和较高的性价比也让其受到越来越多开发者的青睐[4-5]。

综上所述，虚拟仿真软件选用Unity3D.

建模软件主要从使用便捷性、功能全面性上考量，UG是一款专业的工程解决方案软件，有强大的产品设计功能，能满足平台搭建中模型建立的要求。但UG不能导出Unity3D所需的格式，需要一款模型处理软件对模型进行处理，考虑到处理软件和虚拟仿真软件的兼容性问题以及处理软件的使用便捷性，选用3DSMax进行动画制作及模型处理，使用PS进行图片处理。

2.3 虚拟数控车削实训平台开发技术

虚拟数控车削实训平台的开发包括两方面的工作，一是虚拟加工环境构造，包括虚拟车间、虚拟设备模型、虚拟工具及其他虚拟物品，要实现能在虚拟环境中游走、学习、观察等功能；二是虚拟加工设备的构造，也就是要搭建虚拟数控机床，要具备运动功能、交互功能，在虚拟环境中心进行加工，开发框架如图2所示。

图2 虚拟数控车削实训平台开发技术框架

1）三维模型建立，虚拟环境的三维模型建立主要有车间模型建立（包括厂房、底板、墙体等）、设备模型建立（包括数控车床外观模型、砂轮机等其他设备模型）、数控车床的具体模型建立。数控车床的模型包含各个车床的具体零件，比如机床外壳、主轴箱、导轨、刀架、尾座、操作面板等，还需要将各构件装配成完整的机床，以备后续使用。

2）模型优化，通过UG建立的三维模型较为粗糙，最重要的是UG建立的模型格式不能直接导入Unity3D使用，所以，通过PS和3DSMax将一些图片和模型进行优化处理是十分必要的，同时3DSMax动画制作功能较强，便于学习案例库的建立。在使用3DMax装配文件时会出现面受损以及装配位置偏差等情况，用先转配后导入的方式能避免这种情况的发生。

3）实现交互控制，基于导入的模型，通过Unity3D进行应用层、组建、对象和场景四个层面的设计编辑，通过功能设置及脚本开发等，实现虚拟加工环境构造及虚拟车削实训设备的各项功能。最后将项目发布至PC端和移动终端。

3 结语

在计算机技术和信息技术的高速发展的背景下，虚拟仿真技术在高校教学中的应用愈加广泛，使得虚拟仿真技术在高校教学中的应用前景越来越广阔，越来越深入，需要保持开放和积极态势，加强对虚拟仿真技术的研究，拓展虚拟仿真技术在高校教学中应用领域，为国家人才培养添砖加瓦。