浅析VR数控模拟仿真系统在实际教学中的应用效果

陈 玉 霞

(江苏省大港中等专业学校, 江苏 大港 222047)

随着经济的快速发展,人们对生活水平的追求越来越高,对产品精细程度的需求也越来越高。[1]信息技术的发展使信息化教学在中职课程教学中的应用日益广泛,尤其是虚拟现实技术理念的出现,数控仿真系统也由最初的计算机仿真软件发展为可实现人机互动的VR数控模拟仿真系统，其采用三维实体模型，可多视角显示刀具轨迹。[2]文章将VR数控模拟仿真系统应用于实践教学,探讨其在实践教学中的优势和不足。

1 VR数控模拟仿真系统简介

VR数控模拟仿真系统(以新开普电子开发的VR数控仿真教学实验室为例)由VR数控示教机、VR数控仿真系统、可控制对象、教学资源、数控教学云平台等几部分组成(见图1)。

图1 VR数控仿真教学实验室示意图

1.1 VR数控仿真教学一体机

VR数控仿真教学一体机(VR数控仿真实训仪)采用虚拟仿真的模式,展开工件的实际加工和操作。该设备主要由真实的6轴数控系统、操作面板及多种虚拟的数控车床组成。系统内嵌多种虚拟机床,采用真实数控系统控制,可与仿真设备虚实结合。VR数控仿真教学一体机具有高兼容性,可根据教师授课需求安装、运行各类软件程序,如MasterCAM、UG、Pro/Engineer、CAXA等CAD/CAM软件程序。

1.2 VR数控仿真系统

VR数控仿真系统与VR数控仿真示教机进行交互,在虚拟机床中进行仿真呈现,让学生通过VR眼镜身临其境地观看数控加工。学生可精准地看到加工工件与标准工件的误差,便于学生从中总结经验。

1.3 可控制对象

(1)虚拟对象:虚拟对象可下载安装至VR数控仿真系统,虚拟机床以软件资源包的形式呈现,方便用户迁移和扩展。

(2)实体对象:VR数控仿真示教机可连接实体数控车床、加工中心等设备,验证代码和操作的正确性。

1.4 教学资源

(1)教材与课件:专业教材、课程设计、电子课件、实训指导、习题库等。

(2)VR数控实验例程:多种类别的数控实验例程(车、铣、刨、磨、加工中心、雕刻机等)。

1.5 数控教学云平台

由资源库管理系统、教学管理系统、数据分析与展示系统三大互联系统组成,让教学智慧化,让数据可视化。

2 VR数控模拟仿真系统在教学应用中的优势

与传统教学方法相比,VR数控机床模拟教学系统在教学目标、教学方法、操作安全性、创新性等方面具有很大的改进。在实际教学过程中可随讲随演,方便展示,通过与学生的及时互动，增加学生的参与感,提高学生的学习兴趣。教学资源丰富、评价体系完整,大大提高了教学效率。

2.1 成本相对较低

数控机床一般价格较高,占地面积较大,动辄几十万的价格,学校难以有充足的资金及空间大面积采购。[3]而相关专业的学生人数较多,在教学中不能充分满足学生的操作需求,数控机床模拟仿真系统在一定程度上解决了这个问题。VR数控仿真实训仪以虚拟机床和软件资源包的形式呈现,方便用户迁移和扩展,内嵌真实的6轴数控系统,让机床控制可虚可实,低延时、高精度,一机多用,大大提高了管理效率,节约了费用成本和管理成本。

2.2 安全系数较高

数控机床模拟仿真系统通过模拟真实数控机床的操作,利用计算机软件演示数控机床操作编程、检验数控程序、对刀、防止碰刀及工件加工等过程。[4]学生在学生机上操作时,仿真系统可模拟加工,对程序性错误及时修改。通过反复练习,学生能够在短时间内掌握各种系统数控机床的操作。同时,学生可以通过VR眼镜观看加工过程,实现交互式学习。在虚拟环境下模拟操作过程消除了实际操作过程中的安全隐患,也有效避免了因操作失误引起的数控机床设备损坏。VR数控仿真实训仪具有低延时、高精度的特点,目前系统延时控制在10ms以内,并实现虚拟数据“零误差”,避免了真实加工过程中的撞刀现象的发生，以及机械故障引发的安全事故。

2.3 教学资源丰富

VR数控仿真系统运用3D/VR半实物仿真,模型丰富,拥有大量仿真资源,使用Unity3D控制的仿真效果,可通过VR眼镜,让数控实践身临其境。采用实时性数据处理引擎、精准的运动控制引擎、算法形变控制引擎等三大创新性引擎,让仿真精准逼真。采用WIN10操作系统,安装机械教学过程中全部主流软件,如MasterCAM、UG、Pro/Enginneer、CAXA等CAD/CAM软件等。

教学资源库的资源类别全面,已有车、铣、钻、磨总计200多个实验例程,并且不断丰富完善。拥有包括专业教材、实训指导书、课程设计指导书、电子课件、习题库等五大类别的内容,贯通理论教学和实践教学的全过程。

2.4 自主学习便利

数控机床模拟仿真系统具有强大的网络功能,学生可以根据实际需要任意选择加工过程中的片段,反复观看、深度学习,为学生的自主学习和远程教育提供了很大的便利。同时,数控机床模拟仿真系统具有完善的图形和标准数据接口,学生既能在真实的环境中运行模拟机床,还能同时观察各种运行参数,并且可以实现与其他CAD/ CAM软件接口的连接，[5]可将自己的图纸上传,在模拟加工的过程中,提高学生的创新能力,增强学生的成就感,从而提升学生学习兴趣。

2.5 数据反馈结果有效

VR数控机床模拟仿真系统有近20项功能模块,涵盖了课程管理、考试考勤等功能。可实现对教学资源、实践统计等数据的分析与展示,及时反馈数控教学的效果。教师可根据数据反馈结果有针对性地开展实验指导及测试,进一步提高学生的学习质量。最终形成综合性评价,为改进教学方法提供依据,同时也为学生提供学习效果的反馈。

2.6 满足多人培训模式

VR数控机床模拟仿真系统的教师机可同时控制多台示教机,满足多人同时培训,避免了教师的重复教学,提高了教学效率,在培训前期起到了非常重要的作用。

3 VR数控模拟仿真系统在教学应用中的不足

VR数控机床模拟仿真系统在实际教学中的应用越来越广泛,教学效果显著,大大提高了管理效率,节约了管理成本。但模拟加工的目的是为上机操作做准备,并不能代替上机实训。因此,在教学过程中也出现了一些亟待解决的问题。

3.1 学生无法体会真实的加工环境

VR数控机床模拟仿真系统虽然解决了初学者入门学习的问题,可以在程序编制、程序输入运行及调试方面发挥作用,但不能完全代替传统的技能训练。因为VR数控机床模拟仿真系统只是加工过程的模拟,并非真实加工过程。它无法代替学生真实加工的实际感受。尤其是对切削用量的选择方面,仿真系统无法进行控制,只能在切削深度过大时加以限制。因此,学生在应用数控加工仿真系统进行编程与操作的训练中,往往容易忽视切削用量的选择、数控刀具的选用、零件的装夹方法的操作。而这些问题一旦反应在实际加工操作中,则可能出现打刀现象或直接影响零件加工质量，导致生产效率的降低。对此,教师应引起足够重视[6]。针对该问题,可在应用VR数控模拟仿真系统前,加强学生对通用机床实操训练。学生熟悉机床加工的各种方法及其切削用量的选择技巧之后,将逐步建立较为扎实的机械加工的感性认识。后阶段将实际数控机床的操作训练、综合课题的强化训练与工作中对口企业的数控机床实习相结合,通过大量的实际操作,弥补这一缺陷[7]。

3.2 学生勤于模拟仿真加工,疏于实操训练

VR数控机床模拟仿真系统拥有丰富的学习资源,学生在学习使用的过程中自主选择范围非常广,并能通过VR技术实现交互式体验,导致部分学生容易沉迷于仿真加工,疏于数控机床的实操训练。对此,教师要提高管理能力,在教学过程中合理安排教学内容,实行分组教学,严格按照教学要求把控学生对仿真加工和上机实操的学习时间,仿真训练与实操训练穿插进行,巩固学生的学习成果。

3.3 不利于学生安全生产意识的养成

VR数控机床模拟仿真系统仿真加工过程安全可靠,学生可通过VR技术获得浸入式的体验,消除了误操作可能带来的安全隐患[8];但同时也不利于学生安全意识的养成。对此,教师应加强安全教育,实操训练要严格按照安全操作规程进行,提高学生安全操作意识,做到安全生产。因此,VR数控机床模拟仿真教学仅可作为培训初期的辅助教学手段,不能替代上机操作,应和顶岗实习等方式相结合,达到更好的培训效果。

4 结语

VR数控机床模拟仿真系统的发展为数控机床教学提供了极大的便利,能很好地满足实训前期的要求。但依然在切削用量选择、刀具正确选用、零件装夹是否到位等实际操作问题上存在不足,所以在实际实训教学中,学员的上机操作必不可少,可通过顶岗实习等方式来弥补VR数控模拟仿真教学系统在实训教学中的不足,使其在教学中发挥积极作用。