基于虚拟仿真技术的车削加工实训探究

时慧喆 贝广霞 宋正阳

摘 要：车削加工实训教学作为工程实训课程中的重要环节，在实训教学过程中大多使用“指导教师讲解演示，学生观摩后操作”的模式，故学生实训操作过程存在一定的安全隐患。传统的教学模式效率较低，实训教学效果不佳，而虚拟仿真技术在改革车床传统教学模式、提升学生工程素养方面可以起到重要作用。鉴于此，以C6132D卧式车床为基础，探究了车削加工虚拟仿真教学系统的设计思路，对系统的功能与技术、教学应用等方面进行了设计与介绍，并对系统投入使用时可能面临的问题进行了分析。

关键词：车床实训;虚拟仿真技术;工程实训教学

0    引言

在工程实训教学中，传统的普通车床实训教学项目比较注重动手操作，但是由于工程实训中心的设备数量不足，加上有经验的实训指导教师人数、学生实训操作安全等方面的限制，传统车床的实训教学已无法满足学生的需求[1]。随着计算机技术的不断发展，由计算机控制的数控车床逐步取代人工操作的普通车床，已经成为一个不可逆转的趋势[2]，但是普通车床作为数控车床的基础，依然很重要，高等学校所开设的工程实训课程中仍将普通车床作为一个重要的实训项目[3]。

依托计算机、网络、图像处理等技术的成熟，虚拟仿真技术已应用于各实训教学项目中，其能够实现实训教学的虚拟化、三维可视化;实现实训教学项目的交互与沉浸，使学生能够更主动地进行实训操作;还能解决车床实训教学过程中存在危险、车床设备数量不足等问题。与此同时，在注重工程专业认证的当下，虚拟仿真技术在工程实训方面的应用，对工程专业认证也有着重要的加分作用[4-5]。

1    车削加工虚拟仿真教学系统设计思想

普通车床实训涉及的内容较多，学生需要掌握的知识不仅包括刀具、夹具和切削加工基础知识，还包括C6132D普通车床的相关操作知识。要想通过系统自学普通车床的加工操作过程，就不能抱着只是在系统上用鼠标、键盘简单地点击几下或敲几个按键的想法。使用虚拟仿真教学系统学习，学生须扎扎实实地掌握相关知识。基于这个目的，该系统从设计开始就需要有知识学习、操作演示、动手实践等基础的设计思想，给学生提供丰富的车削加工知识，通过向学生演示车削加工的实例，方便学生进行模拟操作。因此，该系统应是一个集实训教学与实训操作于一体的系统，同时可以依靠网络打破时间、空间的限制，让学生实现自主实训。

2    车削加工虚拟仿真教学系统的开发软件构想

在车削加工虚拟仿真教学系统中，需要模拟出一个真实的工件从毛坯到车削加工成型的过程，使学生能身临其境地感受到车削加工的过程。AuthorWare作为备选软件，能将图像、声音、图片和动画等结合在一起形成一個完善的系统;非专业的编程人员也能创造出一个与车削加工操作相关的多媒体应用软件。在车削加工虚拟仿真开发方面，Visual Basic作为主要编程软件，基于可视化编程技术与多媒体功能，能搭建出集声音、动画和图像于一体的多媒体应用程序，营造出与车床实际操作过程相同的实训环境。为了使界面更加完美，动画显示更加真实，还可以使用Photoshop、Flash和3ds Max软件来处理图像和制作动画，实现虚拟仿真系统的各种功能。

3    车削加工虚拟仿真教学内容

车削加工虚拟仿真教学系统是2020年山东科技大学虚拟仿真实验教学建设的项目之一，该系统在人机交互界面上力求反映真实的车床加工实际操作过程，具备较强的真实感、顺畅的交互性和一定范围内的容错性。该虚拟仿真教学系统可分为3个模块：

3.1    车削基础知识模块

该模块主要功能是为初次参与工程实训的学生提供一个车削加工设备的认知过程，学生在此模块中可以学到车削加工的基本知识，内容如下：

（1）车削加工实训目的及要求：让学生在操作前充分掌握实训目的，了解与车削加工相关的专业知识。

（2）车削加工实训安全技术要求：虽然学生通过虚拟仿真模拟车削加工过程没有危险性，但是虚拟模拟的最终目的还是要回归于实际的操作中，因此，详细地告知学生在实际操作过程中的注意事项十分必要。要明确说明什么可以做，什么不可以做，避免学生在实际操作过程中出现失误，导致实训设备损坏或发生严重的人身伤害事故。

（3）车削加工的概念与工作原理：涉及车削加工的介绍，车削加工的优点、缺点，车削加工的范围等，学生可多角度观察车削加工过程。

（4）车床结构（C6132D普通车床的结构）：通过车床模型可多角度任意旋转、缩放观察车床的结构，包括主轴箱、进给箱、挂轮箱、床身、溜板箱、尾架、光杠、丝杠、车床上各种按钮和手柄的功能等。

（5）常用量具：让学生认识常用量具，例如游标卡尺、螺旋测微器等，并辅以动态图演示常用量具的结构及使用方法。

（6）常用车刀与夹具介绍：向学生介绍常用车刀，包括内孔车刀、偏刀、切槽刀等，辅以车刀模型的结构、名称的展示，包括夹持部分、切削部分，夹具常使用的三爪卡盘、顶尖、中心支架等，并介绍它们的主要结构，辅以动态模型演示不同夹具的装夹原理。

该模块还向学生介绍常见的车削加工设备，介绍车床的发展与演化过程，激发学生的学习热情。此外，该模块还提供了大量的车削设备实际加工过程的视频录像和动画演示，以便学生理解车削加工操作中车削设备的运行情况。

3.2    车削实训操作模块

此模块涉及车削加工的基本操作内容，学生不仅能够通过系统演示进行观察，还可以通过车削加工虚拟仿真教学系统来模拟相关操作。主要内容如下：

（1）车刀安装：在虚拟仿真教学系统中，学生可通过三维模型动态演示学习车刀安装操作，并在系统演示后自行操作模拟安装车刀的过程。安装过程中需要注意，车刀安装在方刀架上，刀尖一般应与车床主轴中心等高。此外，车刀在方刀架上伸出的长度要适宜，垫刀片要放平整，车刀与方刀架均要锁紧。

（2）三爪卡盘安装工件方法：三爪卡盘是车床上最常用的装夹工具，在虚拟仿真教学系统中，学生可通过三维模型动态演示学习如何将工件安装到三爪卡盘上，并在演示后自行模拟将工件安装到三爪卡盘上的过程。

（3）车端面：车端面是车削加工中最基本、最常见的工序之一，改变的是工件的长度。车端面时，车刀的刀尖应对准工件的中心，以免车出的端面中心留有凸台;当背吃刀量较大时，容易扎刀;凸台是逐渐车掉的，所以车端面时使用弯头刀较为有利。

（4）车外圆：车外圆也是车削加工中最基本、最常见的工序之一，改变的是工件的直径。为使车刀的主切削刃垂直于工件的轴线，可在先车好的端面上对刀，使主切削刃与端面贴平。

3.3    车削实训考核模块

该模块的作用是对学生进行考核，即学生在学习过车削加工的基本知识，以及车削加工的操作后，给学生一个具体的操作项目让学生在虚拟仿真系统上进行操作。在学生进行操作的过程中，该模块可以对学生的操作过程进行监督预警，如果操作步骤出现问题，可以及时提醒学生加以改正。在操作结束后，该模块还能对学生的操作过程进行评价，并给出一个分数。这个分数可以作为学生能否继续参加线下车削加工实训的标准，此外，这个分数还可以按一定比例折合算入学生车削加工实训的总成绩。

4    车削加工虚拟仿真存在的问题

4.1    虚拟仿真系统建设成本较高

虚拟仿真系统除了软件以外还需要有相关的硬件设备，最基础的设备就是计算机。学生通过计算机的鼠标、键盘与虚拟仿真实训软件进行信息交互，如果想让学生有更好的虚拟仿真实训体验，还需要有相应的配套设备，如VR眼镜、VR数据手套、VR手柄等。这些外置设备单价较高，如果要满足一个班的学生同时进行实训的需求，那么建成一个完整的虚拟仿真实训教室的费用就会相当可观。

4.2    虚拟仿真实训存在局限性

虚拟仿真实训也有其局限性，虚拟仿真无法全面模拟实训过程。例如，对实训中出现的一些偶发性问题可能无法全面模拟，学生就不能掌握其具体的解决方法，导致学生在实际操作机床的过程中遇到类似问题也不知道怎么处理。此外，实训操作中一些具体的过程，如装刀、装工件，以及操作过程中紧急情况下制动的使用等内容可能都无法涉及。

5    結语

依托虚拟仿真技术在教学领域的发展，可实现车削加工实训的虚拟仿真，建设车削加工虚拟仿真系统，实现车削加工实训的虚拟体验教学。学生可以使用基本的计算机等设备在虚拟仿真教学系统上实现技能、知识的交互，增强认知，学习车床的基本知识、操作技能等内容，并通过考核模块对自主实训效果进行检验，提高实训指导老师的教学效率，提高车削加工实训的质量。

[参考文献]

[1] 王荣校.新工科形势下普通车床实训教学思考与探索[J].科学咨询（科技·管理），2018（8）：9-10.

[2] 汤秀红，莫足琴.车床数控加工与改造设计[J].湖南农机，2013，40（11）：76-77.

[3] 韩德虎.高职院校校内数控车床实训教学浅谈[J].教育现代化，2019，6（50）：271-272.

[4] 李世丁，黄启昭，薛裕童，等.基于VRML的虚拟车床仿真系统[J].无线互联科技，2017（11）：143-144.

[5] 阚亚雄.基于虚拟仿真技术的车床工艺教学系统研究[J].镇江高专学报，2020，33（3）：39-42.

收稿日期：2021-01-29

作者简介：时慧喆（1990—），男，山东莱阳人，硕士研究生，工程师，研究方向：工程实训教学。