虚拟现实技术在数控技术教学中的应用

【摘要】虚拟现实技术的发展与应用，极大程度上促进了数控技术教学工作的开展及教学质量的提高。本文首先简单概述虚拟现实技术的概念及其基本特征，其次就虚拟现实技术在数控技术教学中的应用展开深入分析，并提出虚拟现实技术存在的一些不足之处与展望，为丰富数控教学方法与手段提供一定的参考。

【关键词】虚拟现实技术;数控技术教学;应用分析

引言

随着科技的飞速发展，虚拟现实技术在教育培训、医学实习、建筑设计以及军事演练等众多领域得到了非常广泛的应用。如果将数控加工及计算机仿真技术作为基础，利用计算机将数控设备的实际工作环境模仿出来，并应用在数控技术教学中，那么将会对数控教学的效果及质量产生极为重要的影响。

1.虚拟现实技术的概念及其基本特征

1.1 概念

虚拟现实技术指的是以计算机及相关硬件设备为基础，融合计算机仿真、计算机图形、传感显示、人工智能、网络并行处理等多项技术，为人们提供可通过视觉、听觉、触觉等手段感受到的虚拟环境的一种极端技术。虚拟现实技术中的三维数字模型由计算机图形构成，并在计算机中编制、生成出以视觉感受为主的人工环境，使得人们可以利用计算机可视化操作、交互复杂的数据[1]。

1.2 基本特征

（1）沉浸性特征

虚拟现实技术根据人们的听觉、视觉的特点，利用计算机生成生动、逼真的三维图像，当用户戴上数据手套与头盔显示器等交互设备后，便处于虚拟的环境之中。此时，用户可以与虚拟环境中的不同对象产生相互作用，就好像置身于现实生活中。

（2）多感知性特征

虚拟现实技术不但具备视觉感知，而且还包括听觉、触觉、嗅觉、运动等多项感知，从而给用户一种身临其境的感受。

（3）交互性特征

在虚拟显示系统中，用户与计算机之间的交互接近于自然交互，用户不但可以利用鼠标、键盘等，而且还可利用数据手套、特制头盔等传感设备进行人机交互。

（4）构想性特征

虚拟现实技术具有极为广阔的想象空间，可将人们的认知范围进行拓宽，不但可以将真实环境再现出来，而且还可以构想出不存在的环境。

2.虚拟现实技术在数控技术教学中的应用分析

在现代化机械制造产业中，数控技术为其核心技术，产品的生产加工水平受到数控技术应用的直接影响。然而我国极度缺乏数控技术方面的人才，因而如何将先进数控技术高质、

高效传授给学生，已成为当前数控技术教学面临的重要课题。在数控技术教学中，需应用到较为昂贵的数控机床，给学校带来了一定的经济压力。倘若利用计算机仿真及建模技术，将数控加工的真实环境模拟出来，同样可以帮助学生对数控机床加工的真实环境及过程进行全面掌握，实现数控技术教学效果的提高[2]。虚拟现实技术在数控技术教学中的应用主要体现在以下方面。

2.1 在立体展示数控教学仪器设备、产品加工中的应用

在传统的数控教学模式中，学生只能通过观察实际教学仪器设备的外形或查看书本设备平面图实现感性认识的获得。然而，现场教学会给学校带来一定的资金投入，平面图形又对学生空间想象能力造成了限制。在此种形势下，可以应用虚拟现实技术构建出相同于实物的三维立体物体，例如应用Pro/E进行建模，虚化各种教学仪器设备及产品等，并以立体的形式将这些物体存放进虚拟的教室中，只需进入这个虚拟空间中，教师与学生便可随时对这些仪器设备及其内部构造进行观察，起到辅助数控技术教学的作用，在充分加强学生理解能力的基础上，实现教学质量的提高。

2.2 在模拟实验中的应用

在实际数控教学过程中，由于受到价格的限制，难以普及许多昂贵的器材及实验。然而，利用虚拟现实技术建立一个虚拟的实验室，学生便可在其中操作虚拟的仪器设备。此类实验操作不但不会消耗数控器材，而且也不受时间、场地等条件的限制，可进行重复操作。同时，虚拟的实验室具有绝对的安全性，完全避免因学生出现错误操作而导致人身事故的发生。

2.3 在数控加工仿真教学系统中的应用

随着计算机及虚拟现实技术的飞速发展，可将数控机床实际加工状态与环境模拟出来的仿真加工系统也得到了开发与应用。仿真加工系统利用计算机软件与硬件的功能，再通过实验人员的控制与演示，进而可以对数控加工的零件设计图直至切削动态演示等全过程进行全面、详细分析。仿真机床的操作包括定义毛坯、夹装工件、安装压板、安装刀具、手动操作机床等过程。由于虚拟数控仿真教学系统完全模拟数控零件的真实加工过程，因而可将数控指令正确与否检验出来，并向使用者提供完全相同于实际机床的操作面板，以及调试、修改、编辑、执行等全套功能[3]。学生可以身临其境对各种数控仪器设备进行操作。数控加工仿真教学系统有效解决了数控技术初学者需要进行大量操作练习这一难题，充分提高了学生操作时间。在实际数控教学中引入数控仿真教学系统，可有效避免因操作失误对机床造成的损害，同时也可让学生在操作仿真数控机床过程中，产生真实的感受与体会。

2.4 在联系虚拟仿真教学与实际生产加工中的应用

数控仿真教学系统可单机独立运行或在线运行。其中，单机独立运行指的是数控机床模型方式，只需一台计算机，在其显示出的仿真面板上进行机床模拟操作，机床模型利用三维动画将数控零件的切削过程演示出来。而在线运行则指的是数控机床的工作方式，教学系统连接实际的数控机床，由计算机硬件将零件的切削过程演示出来，此时操作者采用仿真面板进行操作，其他情况则与实际机床相同。在数控仿真教学系统中，具备完善的数据与图形接口，使用者可在真实环境中运行虚拟数控机床，对其运行参数进行全面观察，并且可直接调入加工UG、Pro/E等软件产生的三维设计处理的NC程序。

2.5 在网络数控培训与考核中的应用

在虚拟数控机床中，具备非常强的网络功能，可将其应用于远程教育培训中。在局域网方面，虚拟现实技术具备双向互动的教学功能;在互联网方面，此项技术具备双向远程教学功能，可利用卫星与宽带等手段传送数据。此外，还可充分应用远程网络的学习、考试等功能，并实现保存答卷、自动评分及查询成绩等功能，促进数控教学考核与测评的无纸化发展。

3.虚拟现实技术存在的不足及其展望

其一，虚拟环境与真实的生产存在差异性。虚拟环境中的学习与实际生产训练或多或少会存在不同之处，且相比于媒体教学，真正的动手操作具有更强的效果。因此，在数控技术教学过程中，不可将虚拟现实技术完全取代真实的机器操作。

其二，虚拟显示技术注重几何的表示，在物理、行为模型等方面较为缺乏;在感知方面，虚拟现实技术较多的研究视觉的合成，在听、触觉方面关注度不够，缺乏足够的实时性与真实性，还需进一步加强虚拟效果。

其三，在虚拟现实技术中，与此相关的仪器设备存在使用不便、效果不理想等问题，难以充分满足虚拟现实系统提出的要求，例如计算机处理速度无法达到虚拟操作中实时处理大量数据的需求，有关味觉与嗅觉的设备还未能实现商品化等，需进一步扩展虚拟现实系统的硬件设备品种。

综上所述，作为新型教学媒体方法的虚拟现实技术已得到了教育部门及学校的广泛关注。随着计算机及虚拟等技术的进步与发展，虚拟现实系统中的软件与硬件成本也在不断降低，此项尖端技术将会在数控技术教学中得到广泛应用，并在现代化的教育中产生深远的意义。

参考文献

[1]龚成泉.虚拟现实技术在数控教学中的应用[J].职业教育，2010，12（03）：36-38.

[2]张豪锋，李震，郑春恒.虚拟现实技术在中职数控专业教学中的应用研究[J].现代教育技术，2013，5（21）：108-109.

[3]田春霞.虚拟现实技术在数控技术教学中的应用[J].装备制造技术，2012，8（11）：254-255.