于愛(ài)兵，葉家往

（寧波大學(xué)，浙江 寧波 315211）

0 引言

虛擬仿真是一種用虛擬系統(tǒng)模仿真實(shí)環(huán)境的技術(shù)[1]，它的互動(dòng)性和逼真性能為“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”的教學(xué)提供很好的輔助作用。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)虛擬仿真技術(shù)在“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究。

朱立達(dá)[2]等人對(duì)“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程中典型的加工過(guò)程、機(jī)床進(jìn)行建模與虛擬仿真，增強(qiáng)了教學(xué)直觀性，提高了教學(xué)效果。付宏鴿[3]等人針對(duì)“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”中機(jī)床夾具設(shè)計(jì)這部分知識(shí)教學(xué)存在困難這一問(wèn)題，提出并設(shè)計(jì)了機(jī)床組合夾具設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)，使夾具的設(shè)計(jì)過(guò)程更加直觀、清楚。

孔加工是“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”這門課的重要內(nèi)容，麻花鉆作為最常用的孔加工刀具，其相關(guān)知識(shí)是教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容。教師在教授這部分知識(shí)時(shí)，存在以下問(wèn)題：（1）在教授麻花鉆切削部分結(jié)構(gòu)時(shí)，課本上的圖片只是用指引線指出各個(gè)結(jié)構(gòu)的大概位置，學(xué)生很難清楚知道切削部分各個(gè)結(jié)構(gòu)所處的確切區(qū)域；（2）在教授麻花鉆幾何角度這部分知識(shí)時(shí)，有多個(gè)虛擬平面，對(duì)于空間感差的同學(xué)來(lái)說(shuō)很難理解；（3）學(xué)生很難實(shí)際觀察到鉆孔過(guò)程。虛擬仿真技術(shù)為課程帶來(lái)了新的方法和思路[4]。設(shè)計(jì)的麻花鉆虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)能一定程度的解決這些問(wèn)題，該系統(tǒng)讓學(xué)生能直接控制麻花鉆三維模型并能讓學(xué)生進(jìn)行鉆孔過(guò)程的虛擬仿真，這能讓學(xué)生更好地掌握麻花鉆的相關(guān)知識(shí)。

1 麻花鉆教學(xué)內(nèi)容

麻花鉆是最常用的鉆孔刀具，在孔加工中的地位極其重要，其要求學(xué)生掌握的主要內(nèi)容有：（1）標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆結(jié)構(gòu)：錐柄麻花鉆結(jié)構(gòu)、直柄麻花鉆結(jié)構(gòu)、各個(gè)結(jié)構(gòu)的功能；（2）標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆切削部分結(jié)構(gòu)：切削部分的組成、切削部分各個(gè)結(jié)構(gòu)具體所處位置；（3）麻花鉆幾何角度：麻花鉆幾何角度的定義、幾何角度大小的影響；（4）麻花鉆具體鉆孔過(guò)程：鉆床鉆孔過(guò)程、車床鉆孔過(guò)程、兩種鉆孔方式的誤差。

2 麻花鉆輔助教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

麻花鉆輔助教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程如圖1所示。具體過(guò)程：（1）在Solidworks軟件中對(duì)鉆床夾具、錐柄麻花鉆、直柄麻花鉆、三爪卡盤等進(jìn)行建模；（2）在3dsMax軟件中，將裝配體的中心重新設(shè)置，并導(dǎo)出fbx格式的模型；（3）將fbx格式的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中再根據(jù)所需內(nèi)容編寫相應(yīng)代碼、設(shè)計(jì)相應(yīng)按鈕；（4）測(cè)試系統(tǒng)是否能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，測(cè)試完成后打包輸出。

圖1 開(kāi)發(fā)流程圖

3 麻花鉆虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

麻花鉆虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)以“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”這本書為理論基礎(chǔ)設(shè)計(jì)制作而成，內(nèi)容主要包括：（1）麻花鉆結(jié)構(gòu)；（2）切削部分結(jié)構(gòu)；（3）幾何角度；（4）兩種鉆孔過(guò)程：車床鉆孔、鉆床鉆孔。在介紹麻花鉆結(jié)構(gòu)時(shí)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)麻花鉆各個(gè)結(jié)構(gòu)在三維模型上單獨(dú)高亮，學(xué)生的觀感會(huì)更加真實(shí)，記憶更加深刻。在介紹麻花鉆切削部分時(shí)，該系統(tǒng)能高亮指定部分，并能旋轉(zhuǎn)、放大、移動(dòng)麻花鉆模型，讓學(xué)生更好地觀察各個(gè)部位的具體空間位置。在介紹麻花鉆幾何角度時(shí)，該系統(tǒng)使用三維圖和二維圖相互對(duì)照的方式，讓學(xué)生更加容易明白各個(gè)角度是在哪個(gè)平面上測(cè)量的哪兩條邊所夾的角。在介紹鉆孔過(guò)程時(shí)，該系統(tǒng)能在虛擬空間內(nèi)模擬車床鉆孔、鉆床鉆孔，讓學(xué)生更容易記住兩種鉆孔方式的特點(diǎn)。

3.1 軟件主界面

點(diǎn)擊麻花鉆虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)圖標(biāo)即可打開(kāi)軟件進(jìn)入軟件初始界面，如圖2所示。該界面按“ctrl”鍵可實(shí)現(xiàn)窗口化，按“esc”鍵可退出軟件。點(diǎn)擊“開(kāi)始教學(xué)”按鈕即會(huì)進(jìn)入到軟件主界面，如圖3所示。

圖2 軟件初始界面

圖3 軟件主界面

標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆一般分為錐柄麻花鉆以及直柄麻花鉆，然而大多數(shù)學(xué)生很少有機(jī)會(huì)能近距離的觀察這兩類麻花鉆，該系統(tǒng)能很好地解決該問(wèn)題。在軟件主界面點(diǎn)擊“錐柄麻花鉆”按鈕，錐柄麻花鉆鉆將會(huì)單獨(dú)展示，學(xué)生能通過(guò)鼠標(biāo)移動(dòng)、縮放、旋轉(zhuǎn)錐柄麻花鉆，點(diǎn)擊“直柄麻花鉆”按鈕與錐柄麻花鉆類似。這可以讓學(xué)生從任意角度近距離觀察錐柄和直柄麻花鉆，增強(qiáng)實(shí)際和理論的結(jié)合。

3.2 麻花鉆結(jié)構(gòu)

錐柄麻花鉆和直柄麻花鉆的結(jié)構(gòu)以及各個(gè)結(jié)構(gòu)的作用是麻花鉆這部分知識(shí)的基礎(chǔ)，十分重要，該系統(tǒng)的麻花鉆結(jié)構(gòu)界面全面闡述了這方面的知識(shí)。在麻花鉆結(jié)構(gòu)界面，依次點(diǎn)擊圖4下方按鈕，錐柄麻花鉆和直柄麻花鉆會(huì)高亮對(duì)應(yīng)部分，由于錐柄麻花鉆和直柄麻花鉆在同一界面，學(xué)生能更好認(rèn)識(shí)到兩者結(jié)構(gòu)上面的差別，同時(shí)，在高亮對(duì)應(yīng)部分結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的文字說(shuō)明，這可以讓學(xué)生更加方便掌握這部分知識(shí)。

圖4 麻花鉆結(jié)構(gòu)界面

3.3 麻花鉆切削部分結(jié)構(gòu)

由于接觸麻花鉆實(shí)體的機(jī)會(huì)少，學(xué)生對(duì)麻花鉆切削部分結(jié)構(gòu)的具體空間位置掌握得并不是很好，麻花鉆虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)比較好地解決了該問(wèn)題。在切削部分結(jié)構(gòu)界面，如圖5，按“C”鍵會(huì)高亮麻花鉆主切削刃部分，在主切削刃高亮?xí)r，學(xué)生還能通過(guò)鼠標(biāo)自主移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放麻花鉆三維模型，如圖6所示。這樣可以讓學(xué)生多角度清晰地看到主切削刃的具體位置，按其他鍵效果類似，這能讓學(xué)生比較好的掌握切削部分結(jié)構(gòu)的位置。

圖5 切削部分結(jié)構(gòu)界面

圖6 主切削刃高亮

3.4 幾何角度

刀具幾何角度這塊知識(shí)一直是學(xué)習(xí)刀具的重難點(diǎn)，麻花鉆因其獨(dú)特的外形導(dǎo)致這部分知識(shí)的學(xué)習(xí)更加困難，該系統(tǒng)能比較有效的降低這部分知識(shí)的學(xué)習(xí)難度。在幾何角度界面，點(diǎn)擊“前角”按鈕，會(huì)出現(xiàn)前角的二維圖和三維圖以及相應(yīng)的文字說(shuō)明，如圖7所示。三維圖比較直觀，二維圖方便角度標(biāo)注，該系統(tǒng)通過(guò)二維圖與三維圖相互對(duì)照，讓學(xué)生能更加清楚知道幾何角度是如何測(cè)量的，讓學(xué)生對(duì)這塊知識(shí)的掌握更加容易。點(diǎn)擊“頂角、螺旋角、橫刃斜角”、“后角”按鈕效果類似。

圖7 幾何角度界面前角介紹

3.5 鉆孔過(guò)程

鉆孔方式一般分為車床鉆孔和鉆床鉆孔，兩者的主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、鉆孔之后的誤差都不盡相同，該系統(tǒng)的車床鉆孔界面和鉆床鉆孔界面詳細(xì)闡述了兩者的特點(diǎn)和區(qū)別。在車床鉆孔界面，點(diǎn)擊“主運(yùn)動(dòng)”按鈕右邊棒料以及三角卡盤會(huì)照著圖8中左邊箭頭方向旋轉(zhuǎn)模擬車床上鉆孔的主運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)擊“進(jìn)給運(yùn)動(dòng)”按鈕麻花鉆會(huì)照著圖8中右邊箭頭方向進(jìn)給，模擬車床上進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。在鉆床鉆孔界面，點(diǎn)擊“主運(yùn)動(dòng)”按鈕麻花鉆會(huì)照著圖9上面箭頭方向旋轉(zhuǎn)模擬鉆床上鉆孔主運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)擊“進(jìn)給運(yùn)動(dòng)”按鈕麻花鉆會(huì)照著圖9下面箭頭方向進(jìn)給，模擬鉆床上進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。這樣可以讓學(xué)生更加直觀看到鉆床鉆孔、車床鉆孔的主運(yùn)動(dòng)是不同的。同時(shí)，車床鉆孔和鉆床鉆孔兩個(gè)界面都有一定的文字說(shuō)明，這可以讓學(xué)生對(duì)鉆床鉆孔、車床鉆孔各自的主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)印象更加深刻，同時(shí)也讓學(xué)生了解到兩種鉆孔方式的特點(diǎn)，即兩種鉆孔方式鉆孔之后的誤差區(qū)別。

圖8 車床鉆孔界面

圖9 鉆床鉆孔界面

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的麻花鉆虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)包含麻花鉆結(jié)構(gòu)、切削部分結(jié)構(gòu)、幾何角度、鉆孔過(guò)程四部分，并在各個(gè)界面配有相應(yīng)的文字說(shuō)明。學(xué)生通過(guò)該教學(xué)系統(tǒng)能任意角度觀察麻花鉆結(jié)構(gòu)、切削部分結(jié)構(gòu)，還能學(xué)習(xí)麻花鉆幾何角度的相關(guān)知識(shí)，同時(shí)，還可以操作麻花鉆三維模型在虛擬空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)兩種鉆孔的仿真。麻花鉆虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是對(duì)傳統(tǒng)理論教學(xué)的補(bǔ)充，增強(qiáng)了實(shí)踐與理論的結(jié)合，能幫助學(xué)生更好地掌握麻花鉆的相關(guān)知識(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率，提高教學(xué)質(zhì)量。