车削刀具虚拟仿真辅助教学系统设计

宁波大学 于爱兵 李毅

虚拟仿真是目前课程教学中的主要辅助教学手段之一。车削运动和刀具角度学习内容比较抽象，学生的理解和掌握存在一定的困难。本文探索了虚拟仿真技术在车削刀具辅助教学中的应用，应用SolidWorks、Unity3D、3D Studio Max等软件制作了车削刀具辅助教学软件系统，帮助学生学习和理解车削运动、刀具组成和刀具角度。开发的软件丰富了教学形式，提高了车削刀具基础知识教学内容的易学性，有利于提升学生的学习兴趣和学习效果。

金属削加工是《机械制造技术基础》、《金工实习》等课程的必修内容之一，车削运动与刀具基础知识是金属切削加工授课中的重点内容。但是，学生在学习上述知识时，常感到抽象而难以理解。通常情况下，教师采用刀具教具或者实际车床切削操作方式进行教学，但仍然存在一些问题：(1)受到刀具教具或者模型数量的限制，学生的参与度有限，体验性较差；(2)车床切削操作过程中存在一定的安全隐患；(3)通过车床进行切削实验，存在一定的资金投入以及运行和维护成本。虚拟仿真技术为课程教学带来了新的方法和思路，虚拟仿真技术的互动性为传统教学方式提供了革命性的升级途径。目前，机械专业任课教师对虚拟仿真教学的开发与应用进行了有益的探索。本文结合车削刀具的基础知识，应用Solidworks、Unity3D以及3D Studio Max等软件，开发了车削刀具辅助教学系统，有助于丰富授课形式，帮助学生更好的学习和掌握车削刀具的专业知识。

1 车削刀具辅助教学系统开发流程

车削刀具辅助教学系统开发流程如图1所示，具体过程如下：(1)对车刀、刀杆与三爪卡盘进行测绘，并通过SolidWorks建立三维几何模型；(2)将车刀、刀杆与三爪卡盘的几何模型导入到3D Studio Max中进行模型装配并导出到Unity3D软件中；(3)根据车削加工的实际运动与刀具几何角度，在Visual Studio中编写对应的脚本，通过界面中的虚拟按钮和键盘实现对Unity3D中的几何模型、场景相机以及助学文本的控制。除了模拟车削运动外，还可以实现3D视角与场景的切换；(4)完成软件的应用模块，检测所有按钮功能后，将软件打包导出。

图1 软件设计流程Fig.1 Software design process

2 车削刀具辅助教学系统内容

车削加工是工件和刀具相互作用的过程，要求学生掌握的知识点包括：(1)切削运动；(2)刀具切削部分的组成；(3)刀具角度。我们根据刀具的基础知识，对以上三部分内容进行了开发设计。教材中通常以示意图的形式拆分切削加工过程，以剖面图的形式解释刀具角度，这对学生抽象思考的能力有一定要求。而在刀具辅助教学系统软件的虚拟空间中，可以通过对场景相机的控制，在不同的视角观察车刀，再通过添加辅助线、辅助面与文本等内容，达到帮助学生学习和理解上述知识点的效果。

2.1 软件界面

点击图标即可打开软件，出现如图2所示的开始界面。点击“开始”按钮进入学习模块，如图3所示为教学软件的初始主界面，主界面左侧设置有两组功能栏：“车削运动”与“刀具角度”，通过点击对应的按钮即可进行学习。右上角设置有“开始车削”与“返回初始界面”两个按钮。此外，通过键盘上的字母按键，还可以控制相机的场景转换，以便于观察和学习刀具的各个切削部分。

图2 软件开始界面Fig.2 Software start interface

图3 软件初始主界面Fig.3 Initial main interface of software

2.2 切削运动

单击主界面右上角“开始车削”按钮，切削运动开始，如图4（a）所示，三爪卡盘带动工件进行旋转主运动，车刀进行直线进给运动。单击“返回初始界面”按钮，界面内的所有运动停止，恢复到如图3所示的初始状态。通过界面左侧的“车削运动”功能栏，可以分别控制车削过程的主运动与进给运动，并对合成运动进行图解。单击“主运动”按钮后，三爪卡盘与工件会进行逆时针旋转，模拟实际切削运动中的主运动过程；单击“进给运动”按钮后，车刀向三爪卡盘方向进行水平运动，模拟实际切削运动中的进给运动；单击“合成运动示意图”按钮后，软件会提供一张切削合成运动示意图，如图4（b）所示，因为切削合成运动方向不便于观察，可以通过示意图进行辅助教学。学生通过上述软件交互，可以直观学习和理解切削运动的组成与对应功能。

图4 切削运动界面Fig.4 Cutting motion interface

2.3 刀具切削部分组成

为了帮助学生观察和理解刀具切削部分的各个组成，教学软件设置了通过按键控制界面相机位置的功能，学生可以在不同相机角度观察刀具的各个部分，同时，在不同的相机角度，还设置有助学文本帮助学生理解界面内容，从而清楚显示刀具切削部分的各个组成，如图5所示。在初始主界面状态，在键盘上按下字母“Z”键，相机会切换到刀具的前刀面上方，学生便会观察到刀具前刀面；同样，按“X”键，显示主后刀面；按“C”键，显示副后刀面；按“V”键，显示主切削刃；按“B”键，显示副切削刃；按“N”键，显示刀尖；点击左上角“返回初始界面”按键，回到初始主界面。

图5 刀具切削部分组成Fig.5 Composition of the cutting part

2.4 刀具角度

相比于刀具的各个切削部分，车刀角度更为抽象，需要借助刀具角度的参考平面来表现出相应的投影关系，因此，在软件虚拟空间中插入了相应的刀具角度的三个参考平面，并提供了相应的文本说明，有助于更直观的观察和学习刀具角度。通过初始主界面左侧“刀具角度”功能栏中的五个角度按键，可以分别显示出五个刀具角度，如图6所示。

图6 刀具角度Fig.6 Tool angle

3 结语

车削运动和刀具角度学习内容比较抽象，学生的理解和掌握存在一定的困难。本文开发了车削刀具辅助教学系统，通过软件界面的虚拟按钮和键盘，实现了学生与虚拟模型的交互操作，并通过插入辅助文本和标识，帮助学生进一步学习和掌握知识点。开发的软件丰富了教学形式，提高了车削刀具知识的易学性，有利于提升学习兴趣和效果。