机械工程教学实训仿真系统的研发与设计

王 娜

（西安航空职业技术学院航空维修工程学院,陕西西安,710089）

随着我国经济的不断发展，企业特别是中小型企业开始越来越倾向于招纳应用型技术人才，从而为企业的更快发展提供人才基础。另一方面，高职院校人才培养与社会的脱节是当前我国高职教育存在的突出的问题，尤其是因为资金短缺等带来的实验室投入不足，实训基地建设落后等问题，使得学生参加工厂实际的生产机会显得非常少。而机械工程类专业学生在CAD制图、模具等方面的要求非常高，可体现学生专业能力。因此，如何借助现代互联网技术，在学校实训设备比较缺乏的情况下，提升学生的专业技能，成为高职院校培养应用型人才的关键。对此，本文运用软件平台设计了机械制造的教学实训平台。

图1 仿真软件开发流程

1 软件开发流程

仿真平台的开发非常复杂，其涉及到的仿真项目也非常多。同时利用互联网技术进行开发，必须考虑系统的稳定性、安全性和实用性，因此对该仿真软件的开发总共分为两个不同的部分：首先是结合机械制造课程对整体的教学大纲、教学内容等进行设计；其次是在上述教学设计的基础上运用互联网、三维立体软件等进行仿真软件开发。其具体的开发流程如图1所示。

在进行教学设计阶段，通过对工程类课程具体分析，如学校自身专业就业方向、培养重点、知识点、实训方案等都必须做严格和仔细的规划；其次在对仿真软件进行开发，同时结合教学内容的要求，对软件需要的素材、开发技术等进行一一的确定；最后则是按照边开发、边测试的方式，从而实现软件的开发。

2 系统功能分析

仿真系统其主要实现的功能是通过虚拟的空间，使得学生通过人机界面在系统中实现对虚拟的装配、制造等课程实训，从而提升自身在机械工程专业应用的能力。本文以本校作为实例，结合学校自身的专业情况，将该仿真软件的功能分为虚拟工厂、虚拟制造、虚拟装配和虚拟评价等不同的实训的功能模块。其具体的整体功能设计如图2所示。

图2 仿真系统功能设计

（1）虚拟工厂环境

该模块主要向学生展示在机械设计、模具制造等过程中与工厂的实际相符合的相关背景，从而让学生通过仿真软件可置身在真实的工厂环境当中。同时该功能还提供如机床、量具等相关的模型。

（2）虚拟装配

该模块是让学生对简单的机械制造模具，如机床、刀具等进行装配，同时在该模块当中还包括简单的机械零部件。

（3）虚拟制造

该模块的功能则是在虚拟的三维工厂环境中，实现对相关的制造产品的加工、装配和调试。如学生选定轴承类的模具进行加工的时候，会涉及到相关的模具、刀具等的基本的参数，另外还包括其加工的工艺步骤等，系统则会根据其工艺的步骤，自动让学生对每个环节进行实际的操作和训练，从而直至完成对整个模具的加工。

（4）学习评价

本模块的功能是对学生在设计和操作过程进行评价，从而客观的反应学生在整个实训的过程中存在的问题和需要改善的环节，以此更好的促进学生对课程实训内容的理解。

3 系统开发方案的制定

3.1 开发软件

对仿真系统的开发软件有很多，在通常情况下都运用美国微软公司的MFC作为开发的基本框架，同时在开发后采用OpenGL软件对其进行三维立体的渲染，从而增强三维效果。但是采用该开发方式需要处理大量的代码的编辑工作，其设计出来后所得到的三维效果也比较差，因此，在本设计中采用Unity3D游戏引擎对软件进行开发。该软件的优势在于通过创建虚拟环境和实施动画等交换的方式，提供包括图像、文字、网络等的引擎支持，从而实现多功能的编辑器，并可在包括安卓、iOS、WindowS等在内的多个平台上运行，具有很强的优势。

3.2 模型开发工具

在机械制造当中会涉及到的对模型的开发，包括对机床、刀具等。因此，需要采用专门的模型开发软件对这些基本的机械零件进行设计。在本设计，采用SPS软件公司开发的UG软件，该软件是集合CAM、CAD、CAE等为一体的计算机辅助机械设计系统，其在模型加工制造方面有着非常大的优势，并被应用航空、模具等制造业多年。其强大的曲面造型、虚拟装配、实体造型等功能呢，并可在对其进行设计的过程中运用有限元、机构运动、动力学等各种分析，因此大大的提高了软件设计的效果和可靠性。同时其简单的代码生成程序，使得在后续的开发中可节约大量的代码开发的时间，并且其提供的二次开发的语言具有简单和功能多等特点。

而对三维模型的渲染则采用常用的3Dmax三维立体软件，该软件具有全功能的三维计算机图形开发功能，从而成为现阶段使用的最多的三维软件之一。

3.3 网络通信实现

为更好的实现对系统的开发，整体的体系架构采用B/S模式。选择该模式其主要是和传统的C/S模式比较，C/S是将相关的资源分配到客户端和服务端，从而通过该模式大幅度的减少对通信的开销，但是B/S模式结合其中的Script技术 与ActiveX技术，减少了软件开发的成本和维护成本，因此，该系统选择B/S模式。

4 机械制造教学实训仿真实现

4.1 虚拟工厂环境模块

通过采用UG软件对三维立体模型进行构建，同时采用3DMAX立体软件对图片、模型的渲染，从而让学生能置身于真实的车间工作环境中，并通过建立模型库，从而为后续的装配和制造提供数据基础。

4.2 虚拟装配实现

结合机械工程类课程，其需要仿真的项目很多，如机床、轴承等，在本设计中以机床加工作为案例。通过机床进行加工其需要将其动作分解成若干个不同的动作，包括控制刀具、工件之间的相对运动，从而加工出相应的制造模型。因此，首先采用三维立体软件3DMAX对其中的几何模型进行建模，包括主轴、床身、工装、刀架等。其中的各个模型有着各自的参数，可对不同的参数进行设置，并通过三维软件定义出不同零件之间的相互约束关系，装配出完整的机床。

4.3 虚拟制造仿真实现

本模块的设计以数控铣床为例，该模块的实现步骤则是首先导入数控铣床的模型；其次构建相关的工件所需要的毛坯的模型，并和数控的铣床实现装配的定位；第三，编辑NC代码，并设置相关的加工参数，包括其中的工件的坐标；第四则为系统的仿真运行和仿真结果比较。

5 结语

仿真实训软件作为对机械工程类教学改革的实践，通过采用互联网技术，不仅节约了学校的成本，也提高了学生专业实训的效果。但是，仿真软件的开发其复杂程度非常大，同时机械工程所涉及的相关的明细也非常多，因此，依靠某人对仿真系统的开发具有很大的困难。本文结合相关的理论和技术，也仅对简单的实训项目进行了开发，在下一步还需更多的尝试。