虚拟仿真技术在超精密加工实验教学中的应用

叶回春，张洪伟，倪向贵，江芸梅

（1.中国科学技术大学a.精密机械与精密仪器系；b.工程科学实验教学中心，合肥 230027；2.厦门凤凰创壹软件有限公司研发部，福建厦门 361001）

0 引言

近些年，随着航空航天、高精密仪器仪表、光学和激光等技术的迅速发展及在多领域的广泛应用，相关行业对高精度的复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切［1-3］，但此类精密零部件的生产质量取决于超精密加工技术的水平。因此，超精密加工技术的发展，直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展［4-6］。目前，欧美、日本等发达国家已开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备，新型的超精密加工和精密测量技术已相对成熟。国外在投入了很大力量进行超精密加工技术研究的同时，也实行了技术保密，严格控制关键加工技术及设备的出口［7］。因此，我国自主研发超精密加工技术势在必行。

我国是一个制造大国，制造业规模位列世界前列，在精密加工技术和精密机床设备制造方面也取得了很大的进展。但是，我国还不是一个制造强国，尤其是在精密和超精密加工领域，仍然远落后于国外。因此，发展精密、超精密加工技术，对我国从制造大国迈向制造强国尤为重要。“中国制造2025”中关于高端制造建设内容的阐述，我国已将超精密加工技术定位为加工制造业领域中的重要发展方向［8-9］。

超精密加工是集设计、制造、控制、材料、测量等多学科知识为一体的技术［10-12］。开展超精密加工的教学，不仅能够综合机械设计、自动控制原理、精密测量、数控加工、工程材料等多学科的知识，有效地提高学生解决复杂工程问题的能力，更能为我国尖端制造领域储备高层次人才。超精密加工技术种类较多，单点金刚石超精密车削（single point diamond turning，SPDT）是其中一个重要的分支，也是非常典型的超精密加工工艺，在国防工业、民用工程的制造技术中，有着举足轻重的地位［13-16］。以SPDT 工艺作为切入点，是进行超精密加工教学的有效途径。但实际中，SPDT的设备价格昂贵、使用成本高、环境要求严格，大部分高校都无法将此项技术应用于实际教学中。因此，本文提出依托现有的单点金刚石车削超精密加工设备Freeform L，进行超精密加工虚拟实验设计，建设超精密加工虚拟仿真实验教学平台，高规格地模拟真实设备操作，从零部件的自主设计、加工、到测量，完整重现超精密的加工工艺过程，通过过程评价和结果考核评价相结合，实现对超精密加工知识操作学习过程的全覆盖。本虚拟实验的设计对我国高端制造领域的人才培养闯出了一条新路。

1 超精密加工虚拟仿真实验教学平台内容设计

超精密加工虚拟仿真实验平台设计遵循满足学生自主学习、自由探索的基本需求，分别设置了实验准备、实验预习、实验操作、实验报告、在线测验、师生互动等6 大模块，如图1 所示。

图1 超精密加工模块及内容设计

各模块所含内容包括：

（1）实验准备模块。该模块包含的内容主要有：进行超精密加工虚拟实验的目的；超精密加工技术涉及的理论知识及进行实验所需学习的理论基础课程；实验中所用的设备（超精密加工系统Freeform L、显微镜、在线测量模块、白光干涉仪等）；实验中需要用到的耗材（金刚石刀具、试切件、毛坯、酒精、调节工具等）及预设参数（恒温［（18～25）±0.5］℃，恒湿55%±2% RH及万级洁净间）等。实验准备模块为开始进行超精密加工实验做基本准备。

（2）实验预习模块。该模块中的超精密加工技术背景知识，不但给出了超精密加工在航空航天、武器、民用等方面的应用实例，还配备了详细的讲义供下载学习，目的使学生能自主学习超精密加工机床构造及基本工作原理，使学生知道超精密加工能够实现纳米级加工精度的关键原因，并了解超精密加工在高端制造上的应用前景及在“中国制造2025”中的重要性；所含的超精密加工视频则包括了实际加工与实际测量的实例，便于学生形象地认识整个加工过程；超精密加工的基本步骤则给出了加工得到一个符合图纸精度要求工件所需的基本步骤；参考文献列出了本实验中所使用知识点的出处文献及超精密加工虚拟实验教学建议的教材。

（3）实验操作模块。该模块包含练习模式及考核模式两方面内容。练习模式中以案例教学为主，给定一个典型超精密零件图纸，老师引领示范、学生跟随操作，或学生根据说明书及软件提示完成操作。虽然实验操作步骤较多，且操作过程中需要观察和操作的仪器设备也比较多，但是培养了学生观察、思考和总结的能力，老师在示范过程中只强调关键步骤和注意事项。考虑到学生在实验操作中的不确定性，虚拟教学软件中设计了比超精密加工机床更灵活的容错、提示和恢复功能，让学生在操作不正确情况下了解错误发生原因，观察错误操作的后果，并能恢复到误操作前的工况，修正操作；在考核模式中，待加工零件的图纸由老师根据上课进度上传，学生需要根据图纸制定加工工艺，选择合适毛坯、刀具、自主编写程序进行加工。并且在具体的操作中，操作步骤提示缩减，而且关键步骤会有相应的知识点考核，学生答错会进行实验分数的扣减。便于学生对学习效果进行自我检验，为兼顾操作的真实体验感与易控性，在两个模块的下方及右上角处设置了导航条，实现一键可达相关界面的功能（见图2）。

图2 超精密加工虚拟实验具体实现布局图

（4）实验报告模块。该模块是实验操作完成的后续步骤，由两部分组成，一部分为学生在实验操作中的记录评分，操作过程中若有误操作，如未开电源、未解除急停等未按正确操作规定进行的，根据权重扣分；另一部分为操作结果的考核，本实验学生需要根据教师设定的图纸进行程序编写，进行参数设计及迭代加工，加工得到的零部件形状精度及表面粗糙度作为衡量加工结果是否达标的依据。

（5）在线测验模块。主要考核学生在经过前面几个模块的学习后对超精密加工原理与知识的掌握情况。此模块设置题库，题库由不定项选择题和思考题组成，每次考核时随机从题库抽出20 道选择题与2 道思考题，通过学生作答提交，系统进行自动判分，其中思考题判分的标准为学生答题知识要点的匹配程度。实验报告模块和在线测验模块的成绩之和为学生在本虚拟实验中的总成绩，任课教师可以根据上课需要对这两部分成绩的权重进行调整。

（6）师生互动模块。该模块为学生教师交流的平台，学生在学习过程中遇到问题，可以在模块内提出问题，任课教师跟帖回复解答，其他学生也可以参与讨论回复。实现学生与教师之间、学生与学生之间互动交流及讨论。

此虚拟仿真实验平台多模块之间的互联设计，实现了学生从零基础到熟练掌握超精密加工基本原理及工艺流程的目的。

2 超精密加工虚拟仿真平台教学方法

超精密加工虚拟仿真实验平台在设计上坚持“虚实结合、能实不虚”的基本准则，强调知识贯通、理论与技能并重。采用自主式、合作式、探究式、互动式的教学方法，充分调动学生的积极性和主动性（见图3）。

图3 超精密虚拟仿真教学方法及模式

开展实验前，学生除了要阅读平台内给的讲义及视频外，还需自主收集超精密加工技术相关的知识，自主学习仿真软件操作与数控编程，在学习中遇到问题可通过互动模块与老师沟通，培养学生自主学习的能力；本实验建议学生2 或3 人为1 组进行实验，以便对超精密加工技术的关键操作步骤、关键知识点进行研究讨论，掌握其工作原理及对零部件加工精度的影响规律；实验互动环节中预留了开放性讨论题、方案设计题等，学生在组内进行探讨研究，分工合作完成方案的设计并实施通过，完成本虚拟仿真实验项目，对于拥有相类似超精密加工设备的院校，还可以在线下实际机床中具体操作验证，实现线上线下混合教学。

3 超精密加工虚拟仿真实验教学平台应用成效与改进

超精密加工虚拟实验平台在2018 年度国家虚拟仿真实验教学项目认定工作中，获批为机械类国家级虚拟仿真实验教学项目及国家级金课。目前该实验平台已在我校各院系之间开放，同时也向校外兄弟院校师生提供开放的网上虚拟教学资源，还可以为有培训需求的企业服务。目前，校内已有800 余学生使用受益，校外有2.6 万余人点击试用，产生了良好的社会效益。

为进一步发挥本实验平台的示范效应，需要不断进行实验教学模式创新与改革，通过连续建设和发展，实现多学科、多校区、多学校、多组织之间的教学资源和教学经验共享。具体计划如下：

（1）持续建设与更新。本实验平台计划在今后的几年内，加强建设与改进，不断深化拓展教学内容，如增加超精密铣削与超精密磨削加工内容，并支持多轴联动加工、非对称曲面与微细结构的加工，以及细化表面轮廓仪、激光干涉仪等检测仪器的操作等，真正实现超精密加工技术从设计加工到检测的完整工艺过程的仿真教学，为我国高端制造业的人才培养贡献力量。

（2）面向社会的推广与持续服务计划。①本实验将依托我校工程科学虚拟仿真实验教学平台，通过举办会议、成立论坛、接待参访等形式，与校内外及国内外兄弟院校机械专业、相关研究机构和实验室进行仿真实验项目建设思路、经验交流，和成果资源共享；实验平台还将为光学工程、天文学、仪器仪表、信息与控制学科等专业教学提供虚拟仿真实验条件，为培养相关专业学生的综合创新能力服务；②虚拟实验还将综合应用多媒体、大数据、三维建模、人工智能、人机交互、传感器、超级计算、虚拟现实、增强现实、云计算等网络化、数字化、智能化技术等手段，增强超精密加工操作的虚拟仿真效果，提高虚拟仿真项目对实际超精密车削铣削的仿真精度。

4 结语

超精密虚拟仿真实验在内容设计上紧跟国家战略发展需求，教学理念先进，将信息技术与实验教学完美融合。基于虚拟现实技术的教学设计，打破了时间和空间的限制，是对传统说教和静态模型展示为主的实验教学方式的重大革新。本实验坚持问题导向，以学生为中心，实验教学内容详实适宜，学生可身临其境地体验超精密加工环境并能够模拟工程师的实际操作；在教学方案上，注重课前指导、实验预习，学生可分组完成实验，分别提交报告，单独考核。倡导学生自主、合作、探究地完成实验项目，并可根据个人兴趣自行设计图纸、编写程序，进行实验。该虚拟仿真实验项目提供线上答疑室的功能，方便学生随时讨论实验内容，并及时将学生反馈的问题汇总、整理、答疑。本虚拟实验平台是对传统实验教学的延伸与拓展，可作为机械设计基础、精密机械设计、精密测量技术基础等理论教学课程的补充，实现线上线下互动教学，也可单独作为超精密加工技术的课程开设，与现有机床Freeform L 配合，实现虚实结合教学。

学生通过本实验平台能全面了解单点金刚石超精密车削机床基本构成和系统工作流程，深刻理解精密机械设计理论、精密测量理论、误差分析等知识在超精密加工中的应用。超精密虚拟仿真实验设计不仅能有效调动学生学习专业理论知识的积极性，还锻炼了他们的实践操作技能。有利于培养学生发现问题、解决问题的能力，充分发掘他们的创造潜能，提高解决复杂工程问题的综合能力。