铣削虚拟仿真辅助教学系统设计

于爱兵，齐少春

（宁波大学 机械工程与力学学院，浙江 宁波 315211）

0 引言

虚拟仿真技术是现代信息技术发展的成果之一，具有交互性，介入性、和逼真性等特点，被广泛应用于高校各类学科课程的教学[1，2]。“机械制造技术基础”是一门讲述加工方法和加工工艺的专业核心课程，在高校教学体系当中具有重要地位。但是因为在实际教学当中可能会面临着安全、教学质量及效率、成本等一系列问题，所以将虚拟仿真技术与该课程相结合就显得尤为重要。

国内学者对许多专业课程在虚拟仿真技术下的实际应用做了广泛的研究。付宏鸽等[3]根据“机械制造技术基础”中的机床组合夹具这部分内容，结合Vi原sual Basic 在Solid-Works 中建立的三维模型，开发设计了机床组合夹具仿真平台，学生可以通过仿真平台根据自己的想法将不同夹具的三维模型组合成自己想要的各种形状，极大地促进了学生的空间思维能力，提高了学生的学习积极性。叶回春等[4]根据“机械制造技术基础”中车削等相关知识点，结合单点金刚石车削超精密加工设备Freeform L，开发设计了超精密加工虚拟仿真实验教学平台，完全模拟了真实状态下的实验操作及超精密加工工艺全过程，非常完整地为学习者提供教学资源，产生了良好的社会效应。

目前，国内学者对于铣削等相关知识点在虚拟仿真技术下的研究还较少。铣削加工的知识点是“机械制造技术基础”课程中的重点内容之一，在铣削学习过程中，对学生的思维和想象能力有一定的要求。在教学过程中，授课老师一般采用传统的教学课件或者通过实际铣削操作进行教学，但这存在着一些问题，比如：（1）在铣床上进行铣削加工时，会有一定的安全隐患；（2）在教授铣刀几何角度时，课本上只是给出结合一些辅助线或辅助面的二维图片，非常抽象，学生很难了解清楚；（3）会受到铣床设备的限制，在教学过程中不能保证每位学生都能参与实际操作；（4）学生在动手操作铣床进行铣削的过程中，可能会由于自身的操作不当而损坏刀具，而增加教学成本。虚拟仿真技术将课程中抽象的知识点通过辅助教学系统进行人机模拟交互，从而达到虚拟教学的目的，可以推动新时代教育教学的新变革[5，6]。结合铣削相关知识点，应 用SolidWorks 2020、3ds Max 2021、Visual Studio 2019 以及Unity 3D 2021 等软件，设计开发的铣削虚拟辅助教学系统可以在一定程度上解决上述问题，这样不仅有助于丰富授课形式，降低铣削知识的学习难度，提高学习效率及学习兴趣，还消除了教学过程中可能产生的安全隐患和教学成本，可以让学生更好地掌握铣削相关知识，提高教学质量。

1 铣削教学内容

铣削是使用多齿旋转刀具进行切削加工的方法之一。该方法也被应用于加工各种沟槽、成形表面、齿轮和螺纹等。铣刀的种类繁多，但从结构实质上可看成是分布在圆柱体、圆锥体或特形回转体的外缘或端面上的切削刃或镶装上刀齿的多齿刀具。每一个刀齿相当于一把车刀，其切削加工特点与车削加工基本相同。在铣削加工中，用圆柱铣刀和面铣刀铣削平面具有代表性，故在讨论铣削运动和铣刀的几何角度时以这2 种刀具为主。

根据“机械制造技术基础”中铣削相关知识内容，其要求学生掌握的主要内容包括：（1）2 种铣刀的几何角度：圆柱铣刀的前角、后角、法前角、法后角和螺旋角的三维模型及其定义，面铣刀的前角、后角、主偏角和刃倾角的三维模型及其定义；（2）铣削运动：端铣运动、周铣运动以及2 种铣削运动的顺铣和逆铣。

2 铣削辅助教学系统开发流程

铣削辅助教学系统开发流程如图1 所示。具体过程为：（1）首先在SolidWorks 2020 软件中绘制面铣刀以及圆周铣刀的三维模型；（2）将2 种铣刀的三维模型导入到3Ds Max 2021 软件中进行格式转化，并导出到Unity3D 2021 软件中；（3）在Unity 3D 2021 软件中创建铣削运动以及刀具几何角度所需要的虚拟按钮和场景，并在Visual Studio 2019 软件中编写相对应的脚本代码，以此来达到通过控制界面中所需按钮和键盘来实现几何模型和场景相机的切换；（4）完成系统的应用模块，并检测所有按钮和键盘的功能是否能实现相对应的功能后，导出软件。

图1 系统开发流程

3 铣削虚拟仿真辅助教学系统

铣削虚拟仿真辅助教学系统是以“机械制造技术基础”这门课程为理论基础设计制作而成，系统内容主要包括：（1）2 种铣刀的几何角度；（2）铣削运动：端铣和周铣。根据铣刀的基础知识，对以上2 部分内容进行了开发设计。传统课件中通常以二维平面示意图的形式分解铣削加工过程，用剖面图解释刀具几何角度，这种表现方式十分抽象，不便于学生理解。而在铣削辅助教学系统的虚拟空间中，操作者可以通过对鼠标的控制，在不同的视角下观察铣刀以及铣削过程的三维模型，再结合一些文本和辅助线等方式，这种方式会使得学生的感官更加的真实，让学生更容易记住该部分知识点，帮助学生学习和理解铣削相关知识点。

3.1 软件界面

点击图标即可打开软件，则出现如图2 所示的开始界面，在此界面内按下键盘上的“ESC”键可以关闭软件。单击“开始学习”按钮进入软件主界面，如图3所示，主界面两侧设置有两组功能栏：分别为“铣削运动”与“铣刀的几何角度”两部分内容。最常用的铣刀有2 种：圆柱铣刀和面铣刀。一般来说，学生很少会有机会接触铣刀，但是，铣削辅助教学系统可以解决这个问题。软件主界面中间的2 把铣刀的三维模型，可以通过鼠标对其的控制，实现放大、缩小以及旋转等操作，可以让学生从任意角度观察和学习2 种铣刀铣刀的几何结构，这样能够将理论知识与实际结合起来。

图2 软件开始界面

图3 软件主界面

在开始界面按下键盘上的“ESC”键可以关闭软件。主界面可以通过两侧界面上的按钮分别进入相对应的学习界面，“铣刀的几何角度”还可以通过键盘上的按键来实现。除此之外，左上角还设置了“退出ESC”按钮，单击“退出ESC”键或者按下键盘上的“ESC”键均可返回到软件的开始界面中。

3.2 铣刀的几何角度

铣刀的几何角度一直以来都是学生学习的难点，理解起来十分抽象，而且圆柱铣刀和面铣刀的几何角度又存在一定的差异，因此需要借助刀具角度的参考平面以及文本说明来更好地学习和观察2 种铣刀的几何角度。通过点击软件主界面上任意一个角度按钮或者通过按下键盘上相对应的按键，则会出现想要学习的刀具角度的三维模型及其文字描述，并且系统会对三维模型进行适当的处理，使得刀具几何角度更加立体的展现出来。面铣刀的前角和后角，其他的铣刀几何角度可以通过返回主界面通过按钮来切换场景展现，还可以直接在当前的角度界面内按下键盘上相对应的按键来直接切换场景视角，见图4。在键盘上按下字母“Z”键，相机转到圆柱铣刀的前角和后角；按“X”键，显示圆柱铣刀的法前角和法后角；按“C”键，显示圆柱铣刀的螺旋角；按“V”键，显示面铣刀的前角和后角；按“B”键，显示面铣刀的主偏角和副偏角；按“N”键，显示面铣刀的刃倾角；按“M”键或单击每个角度界面右上角的“返回初始主界面（M）”按钮，则回到初始主界面。

图4 面铣刀的前角和后角介绍

3.3 铣削运动

铣削运动分为端铣和周铣2 种铣削方式，其中又可以分为顺铣和逆铣2 种形式。单击主界面内任意的“顺铣”和“逆铣”4个按钮，可分别进入相对应的铣削运动，因为端铣和周铣的主运动和进给运动不尽相同，所以对端铣和周铣中均加入了箭头，如图5 所示。在每个分界面中均有“主运动”“进给运动”和“复位”3个按钮，分别控制了铣削运动的各个状态过程。单击“主运动”按钮后，铣刀会自动旋转，模拟实际铣削运动中的主运动过程，如图5 中刀具旁边的箭头旋转方向所示；单击“进给运动”按钮后，铣刀或者工件作水平移动，模拟实际铣削运动中的进给运动，如图5 中直箭头方向所示；单击“复位”按钮后，铣削运动的主运动和进给运动全部恢复初始状态。在此过程中，单击左上角的“退出ESC”按钮或者按下键盘上的“ESC键”即可回到软件的主界面。学生通过上述的软件交互，可以直观地学习和理解相对应的铣削运动过程，同时也可以很清晰地比较两种铣削方式的不同。

图5 铣削运动界面

4 结论

（1）依据“机械制造技术基础”中铣削等相关知识为理论研究基础，应用SolidWorks 2020、3ds Max 2021、Visual Studio 2019 以及Unity 3D 2021 等软件为研究平台，依托虚拟仿真技术开发设计了铣削虚拟仿真辅助教学系统。该系统包含了2 种常用铣刀（圆柱铣刀和面铣刀）的9个几何刀具角度以及端铣运动和周铣运动，并且在几何角度这部分将三维模型、辅助线、辅助面和文字说明的方式相结合，以此达到可以让学生更好地掌握并理解该部分知识点的目的。

（2）学生在通过该系统进行学习的过程中时，可以通过该系统自主学习2 种铣刀的整体结构以及详细的几何角度，还可以通过系统界面内的相关按钮及键盘按键来操作三维铣刀模型，进行铣削运动的分解学习，并且可以重复进行操作，避免了实际操作时材料损耗的问题，很好模拟了真实情况下铣削运动的实际操作。

（3）所开发的辅助教学系统不仅真实还原了真实场景，而且还丰富了授课形式，消除了教学过程中可能产生的安全隐患和教学成本，降低了铣削这部分知识的学习难度，提高了学生的学习兴趣以及学习效率。