虛擬現(xiàn)實技術在數(shù)控機床教學中的應用研究

1、    虛擬現(xiàn)實技術在數(shù)控機床教學中的應用研究    曲振波王繼禹摘要：虛擬現(xiàn)實（virtual reality，以下簡稱vr）技術作為新興技術擁有很大的可開發(fā)利用的空間，特別是將vr技術運用到教學領域之中。在數(shù)控機床教學中應用vr技術可以有效地降低培訓所需的成本以及培訓中發(fā)生危險的概率。文章首先闡述了虛擬現(xiàn)實技術及數(shù)控機床教學現(xiàn)狀相關內容，其次明確了虛擬現(xiàn)實技術在數(shù)控機床教學中的應用意義，最后提出了虛擬現(xiàn)實技術在數(shù)控機床教學中的應用思路。通過本文的研究，以期利用vr技術的優(yōu)勢增加數(shù)控機床教學的多樣性。關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術;數(shù)控機床;教學;應用：g64

2、：a文章編碼：1672-7053（2021）05-0038-021虛擬現(xiàn)實技術概述20 世紀 70 年代，krueger設計開發(fā)了一個 videoplace 系統(tǒng)，標志著虛擬現(xiàn)實技術的概念與理論初步形成。vr技術是一種通過計算機系統(tǒng)所生成的逼真的虛擬情景，利用用戶的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等感官使其產生身臨其境的感受。vr技術在現(xiàn)階段有三個主要的特征：沉浸性（immersion）、 交互性（interaction）、 想象性（imagination）。vr技術從研發(fā)之初就以其強大的功能性和包容性被應用到各行各業(yè)之中，現(xiàn)在vr技術已經被廣泛地應用在軍事、醫(yī)療、教育、娛樂等行業(yè)中。2數(shù)控機床教學現(xiàn)狀

3、雖然傳統(tǒng)的數(shù)控機床教學會比較細致全面地講解操作方法，但在實踐的過程中會涉及到對真實的數(shù)控機床進行操作，這對于高校來說數(shù)控機床這種教學用具是十分昂貴的，并且傳統(tǒng)的數(shù)控機床教學因為是以書本資料和視頻教學為主，教學材料如果得不到及時地更新，就會有一定的滯后性。此外，傳統(tǒng)的數(shù)控機床教學其實分為兩部分，一部分是在學校中學習數(shù)控機床的基本知識，還有一部分是要到企業(yè)由師傅單獨教學。這樣的教學模式需要的周期長，但效果卻不對等，而且不當?shù)牟僮鲗τ谠O備的損害可能會造成不可逆的后果。3虛擬現(xiàn)實技術在數(shù)控機床教學中的應用意義vr技術的使用對于教育來說是一種革新。在數(shù)控機床的教學中使用vr技術能夠極大地縮短數(shù)控機床的教

4、學時長，作為一個輔助教學“工具”，vr技術的使用會使數(shù)控機床的教學更加生動形象。通過vr技術的應用可以很好地彌補傳統(tǒng)數(shù)控機床教學中存在的不足。1）使用3d建模的形式將數(shù)控機床的結構模型展示在虛擬空間中，實現(xiàn)了在虛擬空間中對于數(shù)控機床整體及其細節(jié)結構的展現(xiàn)，對于初學者來說能夠更加全面立體地去了解數(shù)控機床本身，相對于傳統(tǒng)的教學方法更加得直觀，能夠大大地加深學習者對于數(shù)控機床的整體印象與認知。2）通過vr技術在虛擬空間中模擬數(shù)控機床操作的全過程，讓學習者系統(tǒng)地學習到數(shù)控機床的操作細節(jié)，再結合后續(xù)的數(shù)控機床操作測試，加深在操作中的使用規(guī)范和注意事項，讓學習者更好地進入到學習狀態(tài)中。3）將vr技術應用到

5、數(shù)控機床教學中，能夠減少教學成本，同時也會提高數(shù)控機床教學的安全系數(shù)。將vr技術運用到數(shù)控機床教學中，不僅能夠豐富數(shù)控機床的教學內容，而且還能提高學習者對于數(shù)控機床學習的興趣，使其能夠更好地掌握數(shù)控機床的相關操作。4 虛擬現(xiàn)實技術在數(shù)控機床教學中的應用思路借助 unity3d 強大的三維虛擬顯示功能來實現(xiàn)vr技術在數(shù)控機床教學中的應用。4.1建模導入根據(jù)工廠提供的數(shù)控機床圖紙，通過建模軟件rhino進行細致地建模，還原數(shù)控機床的現(xiàn)實結構，1：1制作數(shù)控機床虛擬模型，再將做好的模型打包導入到unity3d中，根據(jù)傳動機構來對模型進行進一步的屬性設置（如圖1）。4.2整合開發(fā)根據(jù)數(shù)控機床的真實材質

6、來對模型進行貼圖的設計，通過ps來對貼圖進行編輯，添加表面紋理，使得模型更加真實。4.3虛擬場景教學結合傳統(tǒng)的數(shù)控機床教學并利用vr技術將教學分為三大階段，建設四個對應的虛擬場景。三個階段分別為：數(shù)控機床的結構學習、數(shù)控機床的工作流程學習、數(shù)控機床的使用測試。通過這三個階段的學習使得學習者基本上能夠掌握數(shù)控機床的理論知識和操作方法。在虛擬環(huán)境中將三個階段分為四個具體的場景，如下：場景一， 六個不同型號的數(shù)控機床展廳，在場景中每個數(shù)控機床前都有相應的機床簡介：機床型號、可加工零件等。在場景中可以讓學習者對于各個數(shù)控機床先進行總體地了解，之后學習者可以根據(jù)自己的需要來選擇要學習的數(shù)控機床，隨后進入

7、接下來的場景二中，進行更加具體的學習（如圖2）。場景二，在第二個場景中將會把數(shù)控機床進行拆解，并對其零件結構和工作原理進行講解，讓學習者可以進一步地對數(shù)控機床的整體結構、功能和運作方式進行學習。場景三，學習者通過上兩個場景的學習對于數(shù)控機床已經有了一定的認識，第三個場景開始培訓學習者對于數(shù)控機床的使用過程。包括觀察目標零件選料將料安放觀察物料的成型過程取料對比。通過這個場景的學習可以掌握數(shù)控機床的整體操作過程，并對于可能會出現(xiàn)的危險操作進行相應的警示，這樣可以最大化地避免在以后的操作中出現(xiàn)不合規(guī)范的操作。場景四，經過以上的三個場景，學習者已經對于數(shù)控機床的操作和使用有了系統(tǒng)的學習，這個場景主要

8、培訓的是學習者對于數(shù)控機床程序的編寫，并根據(jù)學習者所編寫的程序來進行零件的加工，最后通過等級評判檢測學習者的學習效果。通過對目標零件結構的觀察來給出目標零件所相對應的程序，通過學習者給出的程序與原零件的程序進行比對，標出出錯的地方。之后，根據(jù)學習者給出的程序來進行零件的加工，并將加工完成的零件與目標零件進行比對并給出相應的等級，完成測試。5教學效果反饋為了能夠更好地在數(shù)控機床教學中進行vr技術的應用，對其進行了應用測試，通過對學習者的測試結果進行分析，得出了以下幾點。1）學習者對于vr技術的應用接受程度還是很高的，對于將vr技術加入到數(shù)控機場的教學中也很看好。2）在vr技術的應用中發(fā)現(xiàn)，使用者因為對于vr技術的不熟悉導致在虛擬環(huán)境中容易出現(xiàn)操作失誤，導致不能很好地達到教學要求。3） vr技術在數(shù)控機床教學中的應用需要一個大眾接受的過程，現(xiàn)在大眾所認為的vr技術的應用大多數(shù)都是偏娛樂性的，對這項技術沒有較為全面的認識。6結語利用vr技術的交互性、沉浸性和想象性的特征，將其應用到數(shù)控機床的教學中，根據(jù)教學反饋的結果來看，vr技術能夠很好地應用到數(shù)控機床教學中，新技術的應用能夠解決傳統(tǒng)教學中容