虚拟现实技术在数控机床教学中的应用研究
曲振波 王继禹
摘要：虚拟现实（Virtual Reality，以下简称VR）技术作为新兴技术拥有很大的可开发利用的空间，特别是将VR技术运用到教学领域之中。在数控机床教学中应用VR技术可以有效地降低培训所需的成本以及培训中发生危险的概率。文章首先阐述了虚拟现实技术及数控机床教学现状相关内容，其次明确了虚拟现实技术在数控机床教学中的应用意义，最后提出了虚拟现实技术在数控机床教学中的应用思路。通过本文的研究，以期利用VR技术的优势增加数控机床教学的多样性。
关键词：虚拟现实技术;数控机床;教学;应用
中图分类号：G64 文献标识码：A
文章编码：1672-7053（2021）05-0038-02
1虚拟现实技术概述
20 世纪 70 年代，Krueger设计开发了一个 VideoPlace 系统，标志着虚拟现实技术的概念与理论初步形成。VR技术是一种通过计算机系统所生成的逼真的虚拟情景，利用用户的视觉、听觉、触觉、嗅觉等感官使其产生身临其境的感受。VR技术在现阶段有三个主要的特征：沉浸性（Immersion）、 交互性（Interaction）、 想象性（Imagination）。VR技术从研发之初就以其强大的功能性和包容性被应用到各行各业之中，现在VR技术已经被广泛地应用在军事、医疗、教育、娱乐等行业中。
2数控机床教学现状
虽然传统的数控机床教学会比较细致全面地讲解操作方法，但在实践的过程中会涉及到对真实的数控机床进行操作，这对于高校来说数控机床这种教学用具是十分昂贵的，并且传统的数控机床教学因为是以书本资料和视频教学为主，教学材料如果得不到及时地更新，就会有一定的滞后性。此外，传统的数控机床教学其实分为两部分，一部分是在学校中学习数控机床的基本知识，还有一部分是要到企业由师傅单独教学。这样的教学模式需要的周期长，但效果却不对等，而且不当的操作对于设备的损害可能会造成不可逆的后果。
3虚拟现实技术在数控机床教学中的应用意义
VR技术的使用对于教育来说是一种革新。在数控机床的教学中使用VR技术能够极大地缩短数控机床的教学时长，作为一个辅助教学“工具”，VR技术的使用会使数控机床的教学更加生动形象。通过VR技术的应用可以很好地弥补传统数控机床教学中存在的不足。
1）使用3D建模的形式将数控机床的结构模型展示在虚拟空间中，实现了在虚拟空间中对于数控机床整体及其细节结构的展现，对于初学者来说能够更加全面立体地去了解数控机床本身，相对于传统的教学方法更加得直观，能够大大地加深学习者对于数控机床的整体印象与认知。
2）通过VR技术在虚拟空间中模拟数控机床操作的全过程，让学习者系统地学习到数控机床的操作细节，再结合后续的数控机床操作测试，加深在操作中的使用规范和注意事项，让学习者更好地进入到学习状态中。
3）将VR技术应用到数控机床教学中，能够减少教学成本，同时也会提高数控机床教学的安全系数。
将VR技术运用到数控机床教学中，不仅能够丰富数控机床的教学内容，而且还能提高学习者对于数控机床学习的兴趣，使其能够更好地掌握数控机床的相关操作。
4 虚拟现实技术在数控机床教学中的应用思路
借助 Unity3D 强大的三维虚拟显示功能来实现VR技术在数控机床教学中的应用。
4.1建模导入
根据工厂提供的数控机床图纸，通过建模软件Rhino进行细致地建模，还原数控机床的现实结构，1：1制作数控机床虚拟模型，再将做好的模型打包导入到Unity3D中，根据传动机构来对模型进行进一步的属性设置（如图1）。
4.2整合开发
根据数控机床的真实材质来对模型进行贴图的设计，通过PS来对贴图进行编辑，添加表面纹理，使得模型更加真实。
4.3虚拟场景教学
结合传统的数控机床教学并利用VR技术将教学分为三大阶段，建设四个对应的虚拟场景。
三个阶段分别为：数控机床的结构学习、数控机床的工作流程学习、数控机床的使用测试。通过这三个阶段的学习使得学习者基本上能够掌握数控机床的理论知识和操作方法。在虚拟环境中将三个阶段分为四个具体的场景，如下：
场景一， 六个不同型号的数控机床展厅，在场景中每个数控机床前都有相应的机床简介：机床型号、可加工零件等。在场景中可以让学习者对于各个数控机床先进行总体地了解，之后学习者可以根据自己的需要来选择要学习的数控机床，随后进入接下来的场景二中，进行更加具体的学习（如图2）。
场景二，在第二个场景中将会把数控机床进行拆解，并对其零件结构和工作原理进行讲解，让学习者可以进一步地对数控机床的整体结构、功能和运作方式进行学习。
场景三，学习者通过上两个场景的学习对于数控机床已经有了一定的认识，第三个场景开始培训学习者对于数控机床的使用过程。包括观察目标零件—选料—将料安放—观察物料的成型过程—取料对比。通过这个场景的学习可以掌握数控机床的整体操作过程，并对于可能会出现的危险操作进行相应的警示，这样可以最大化地避免在以后的操作中出现不合规范的操作。
场景四，经过以上的三个场景，学习者已经对于数控机床的操作和使用有了系统的学习，这个场景主要培训的是学习者对于数控机床程序的编写，并根据学习者所编写的程序来进行零件的加工，最后通过等级评判检测学习者的学习效果。通过对目标零件结构的观察来给出目标零件所相对应的程序，通过学习者给出的程序与原零件的程序进行比对，标出出错的地方。之后，根据学习者给出的程序来进行零件的加工，并将加工完成的零件与目标零件进行比对并给出相应的等级，完成测试。
5教学效果反馈
为了能够更好地在数控机床教学中进行VR技术的应用，对其进行了应用测试，通过对学习者的测试结果进行分析，得出了以下几点。
1）学习者对于VR技术的应用接受程度还是很高的，对于将VR技术加入到数控机场的教学中也很看好。
2）在VR技术的应用中发现，使用者因为对于VR技术的不熟悉导致在虚拟环境中容易出现操作失误，导致不能很好地达到教学要求。
3） VR技术在数控机床教学中的应用需要一个大众接受的过程，现在大众所认为的VR技术的应用大多数都是偏娱乐性的，对这项技术没有较为全面的认识。
6结语
利用VR技术的交互性、沉浸性和想象性的特征，将其应用到数控机床的教学中，根据教学反馈的结果来看，VR技术能够很好地应用到数控机床教学中，新技术的应用能够解决传统教学中容易出现的一些问题，并能够避免不必要的风险。VR技术的应用可以较好地还原数控机床的结构功能和工作原理。通过本文的研究，可以看出VR技术在数控機床教学中的应用是可以实现的，在解决传统教学中出现的问题之外还能够增加教学的趣味性，在未来有很大的可拓展空间。
