CNC模型制作虚拟仿真项目

CNC全称为Computer numerical control，是计算机数字控制技术的简称，该技术是指用特定编写的数字语言指令控制相应一台或多台机械设备运动的技术。它所控制的通常是多维度方向中的位移、角度、速度等机械量或与机械能量流向有关的开关量。采用这种技术的控制的雕刻机，命名为电脑数控雕刻机，简称CNC设备。

（1）实验所属课程所占课时： 

150课时   

CNC模型制作虚拟仿真项目采用科学的方法，使系统中人与环境、机器其他组成部分直接的交互关系优化，注重理论联系实际，将科学的理论内容结合虚拟空间案例，辅导学生进行实际的设计演练。
知识点：共  6  个
理论模块包含三个课程。第一个课程为《雕刻材料的特性》，教学目的：让学生了解并掌握木质、塑料和金属这三大类材料的基本知识及加工特性，注重书本理论知识与实际材料加工特性相结合的能力培养，能辨别各种材料外观特征及根据模型的加工要求进行相应选择。教学内容：本课程包含八个课时，前四个课时为木质材料的讲解，包括实木、人造板，竹材；后四个课时分别是塑料材料及金属材料，前者包括：有机玻璃、PVC、ABS等常用雕刻塑料，后者包括铝、铜及铁等金属材料。在授课的过程中配合材料展示区中的各类标本进行讲解，相关特征需要学生掌握。
第二个理论课程为《雕刻设备的操作入门》，教学目的：让学生了解精雕设备的加工原理，明确精雕设备控制的方式和方法，并能熟练掌握设备进行三维方向上运动的特征及实现各类加工工艺的要点。教学内容：本课程包含八个课时，包含设备操作前的安全准备工作确认、设备开启及预热、设备控制软件的讲解及相应参数的设置、如何使用键盘及手轮控制主轴电机在三维方向上的运动、加工材料的底面要求及固定方法、刀具和夹具的选择及拆装、起刀点x轴和y轴向上定位及z轴向上的确定、根据不同材料的特性设置转速及进给速度、加工过程中出现故障的解决方法及加工结束后的关机事项。
第三个理论课程为《雕刻软件的运用》，教学目的：通过对雕刻软件的学习，能熟练运用其各种模块化的雕刻工艺完成对不同材质和加工要求的模型的路径设置及输出。教学内容：本课程包含三个模块总计二十四个课时，分别为平面设计及造型、曲面设计及造型、刀具路径设置。平面模块涉及图形选择、观察、编辑、变换、节点修编、文字编辑、艺术变形、图像矢量化以及图形的输入与输出；曲面模块涉及曲面构成、观察、编辑、变形以及曲面数据的输入与输出；路径模块涉及刀具库与材料库的简介、几种常用雕刻工艺的选用、路径计算模板的使用、刀具路径的编辑及输出。
实践模块也包含三个课程，第一个课程为《平面拉伸模型的制作》，教学目的：通过该课程的实践，让学生能熟练掌握平面拉伸模型的制作工艺及相关注意事项。教学内容：本课程包含二十个课时，通过老师指导示范，学生动手操作的方式进行授课。授课老师从材料的选择及固定、平面路径的设置及输出、起刀点的选择及定位、实时雕刻参数的设置、雕刻过程中偶发事件的处理方法、加工完成后设备的清理及维护等方面进行整个流程的现场示范并讲解，学生可以随时提问，遇到的问题当场解决，需要学生做好笔记。教学的重点是：不同材料加工参数的设置，难点是：执行整套操作流程的连贯有序性。
实践课程都需要完成相应作业，作业内容：分别采用纤维板、PVC板和铝合金材料完成三件平面拉伸模型的制作，模型长、宽、厚尺寸限定为20cm*20cm*2cm内。
第二个实践课程为《单面曲面模型的制作》，教学目的：通过该课程的实践，让学生能熟练掌握单面曲面模型的制作工艺及相关注意事项。教学内容：本课程包含二十个课时，教学内容在步骤流程上与平面拉伸模型的制作课程一致，重点强调多个曲面模型的编辑及路径设置的注意事项：在z轴方向上，调整为所有曲面向上，分别对各个模型底部进行居中，然后全部选择同时顶部居中，并提取轮廓线。先选择曲面粗雕刻，原则上选择直径大的刀具并调低路径重叠率，然后选择曲面精雕刻，根据曲面表面的细致程度选择是否换刀加工，调高路径重叠率。最后强调必须设置轮廓切割。作业内容：采用纤维板一次性加工完成三个单面曲面模型的制作，模型长、宽、厚尺寸限定为20cm*20cm*3cm内。
第三个实践课程为《双面曲面模型的制作》，教学目的：通过该课程的实践，让学生能熟练掌握双面曲面模型的制作工艺及相关注意事项。教学内容：本课程包含二十个课时，教学内容在步骤流程上与单面曲面模型的制作课程一致，重点强调双面模型的编辑及路径设置的注意事项：首先对双面曲面的模型进行观察，将曲面弧度较小的一面设定为正面，并在距离模型轮廓15mm外的位置绘制不在同一直线上的三个定位点，一般选择的位置在模型的左下、右下及左上。按照单面曲面模型的方法进行曲面粗雕刻及精雕刻的路径设置，同时对三个定位点进行钻孔的路径设置，输出路径命名为模型正面。然后在三维界面中对双面曲面模型及三个定位点整体绕y轴方向旋转180°，先对三个定位点进行打孔路径设置，输出路径命名为模型模具。接下来按照单面曲面模型的方法对模型翻转后的正面进行曲面粗雕刻及精雕刻的路径设置，最后要设置轮廓切割路径，输出路径命名为模型反面。实例示范中特别要强调的注意点为：模具的尺寸要大于模型的尺寸，翻面必须绕y轴向，雕刻时必须选择与孔径大小一致的定位销将模型和模具精确匹配并固定。作业内容：采用PVC板完成一个双面曲面模型的制作，模型长、宽、厚尺寸限定为30cm*30cm*4cm内。

1. IE，Chrome等主流浏览器
2. VR，AR眼镜
3. 云计算与云服务
4. CNC设备实体实验室
5. CNC设备相应的课程网站

1、Web端用户
2、互联网、带有独立显卡的笔记本或台式电脑。
3、实验材料：包括三大类材料：木质材料（实木、人造板、竹材）、塑料材料（有机玻璃、PVC板、ABS板）、金属材料（铝、铜、铁）。将各类材料裁切为15cm*15cm的正方形片状形态，木质材料的厚度一般以2cm为准，塑料材料及金属材料以板材成品的实际厚度为主，以块状、柱状、管状、球状及异形的材料规格为辅助。还要包括一些新型复合材料，如木塑复合板材、铝塑板及其它可以用于雕刻的材料。雕刻刀具包括：各种常用尺寸的平底刀、球头刀、牛鼻刀、锥度平底刀、锥度球头刀、锥度牛鼻刀、钻头刀、大头刀等。

我们认为上课的第一要务是调动广大学生的学习积极性，让学生主动，充满快乐地学习，而不是强迫式的灌鸭式学习，对于我们这样的实践性课程，一定不能把学生固定圈在教室里上课，要采取“走出去”的方式，看到材料，看到设备，触摸材料，了解各种数字化加工设备的加工手段及高精度的加工性能。在上课中特备注意要与学生互动，让学生们勇于表达自己想法及意见，形成良好的沟通，同时在课程后期的实体模型的制作过程中，让不同专业的学生跨界合作，优势互补，形成团队，完成作业要调动学生学习的积极性，面向大多数学生，同时注意培养优秀生和提高后进生。
课程基础知识与理论讲解结合虚拟仿真技术、多媒体课件演示、优秀模型实例介绍与分析、数字化模型制作设备功能介绍，使学生从整体设计概念上理解数字化模型制作课程具有桥梁作用,它始终是完成优秀实体模型的坚实基础。
以小班教学，人人参与的形式逐步展开教学，由于教学内容饱满，更要积极利用同学间的相互促进以提高个人的学习成效。尽量鼓励学生做不同角度的尝试，使每个参与者都能直接实验室中所有的数字化加工设备并了解各设备的功能，以拓展思路。在这个基础上，实验指导教师进行个别辅导，查看学生创作练习思路，调整其作品表现形式，并在选材、加工、后期制作等方面给予学生专业的指导，同时充分发挥学生自身特点，鼓励并引导学生创作差异的形成。

课程组织形式：小班教学，分组练习
1.  实验小组人数1~2人，每个实验 2 小时，由学生独立完成实验；
2.  学生通过实验教学网络管理系统进行每一个实验的预约、获准后，学生签到；
3.  检查学生实验预习情况，包括实验目的、步骤、实验原理等；
4.  学生实验过程的数据可实时采集监控，网络学生的实验数据；
5.  教师可以当场评定学生的操作成绩。

教师指导方法：实地讲解示范教学
1.  指导教师在实验前利用多媒体课件，讲解本次实验的基本原理、要求、实验设备性能、实验目的及安全注意事项；多媒体课件挂接在教学网站；
2.  学生可以根据实验指导书和网上多媒体课件预习实验，有问题的可在网络答疑系统上得到教师的指导；
3.  实验过程中教师采用启发式的指导，帮助学生完成实验项目；
4.  实验报告的认真批改，指出学生的实验问题所在。

1. 实验方法描述：

基于虚拟仿真技术，通过理论结合实践，材料结合设备，把电脑上的效果图通过数字化的加工手段变成精美的实物模型。

1. 学生交互性操作步骤说明：

以下列举精雕的教学过程设计：
教学方法：实践教学之数字化模型制作手段（精雕）
上课学生规模：小班教学，25人/班，保证每位学生都有操作机器的机会
信息系统的运用和效果：虚拟仿真教学视频投影教学，在线答疑等
作业：制作出实体模型，并对造型创意表现、结构合理性、材料运用、制作精度等方面的综合评价，以及对相关设计文本的内容评价，进行全面评定决定课程最终成绩。
举例说明：车外壳模型制作流程——利用Rhinoceros制作实物基本流程
 
在RHINO上设计并在空间上绘制出车壳的轮廓线
 
将车壳面组合成整体检查虚拟模型细节

分别建立两个文件，把上下两个面分开，放在水平面上，分两边来进行路径设置。保存文件为.IGES格式导入JDpaint。

  
将犀牛建好的模型导入JDpaint，并提取外轮廓线
 
设置刀具路径，分层区域粗加工
 
设置刀具路径进行分层区域精加工
 
将路径输入控制系统，将材料定位固定，进行数控制作。

• 是否记录每步实验结果：是
• 实验结果与结论要求：实验报告          

• 其他描述：
  

本课程考核内容由三个部分组成：
1、设计产品的选题、构思、建模（占20%）；
2、基于虚拟仿真技术的cnc雕刻方式及设备配合运用方案 （占20%）；
3、通过一系列的数字化加工工艺手段制作出实物（含材料、制作工艺、加工手段和整体艺术效果，占50%）；
4、课程表现（含卫生、课堂纪律，占10%）
采用一位主讲教师介绍，三位以上专业教师共同评议的方法对课程作业进行评定。
方法
1.实验操作结束后，应将实验数据传送教师机，指导老师审阅评定。
2.指导教师在实验课结束时对每份实验报告进行批改、评分。
3.进行每个人实验项目操作抽查考试定成绩。
4.最后按比例，给出学生的实验总成绩。

七个学院：包括绘画艺术学院、雕塑与公共艺术学院、跨媒体艺术学院、设计艺术学院、手工艺术学院、影视与动画艺术学院、建筑艺术学院；十七个专业系别的师生：包括版画系、公共空间艺术系、纤维艺术系、实验艺术系、平面设计系、染织与服装设计系、工业设计系、综合设计系、设计艺术学系、首饰艺术设计系、漆艺艺术设计系、影视系、动画系、建筑艺术系、城市设计系、环境艺术系、景观艺术系；学生层次从本科、硕士研究生到博士研究生。

掌握设计材料、产品设计、CNC雕刻入门（自编教材）等专业课程理论，初步具备设计思维、设计方法解决设计问题的能力。

• 本校上线时间 ：2019年12月 
• 已服务过的本校学生人数：      
• 是否纳入到教学计划： 是

(勾选“是”，请附所属课程教学大纲）

• 是否面向社会提供服务： 否
• 社会开放时间 ：2022年12月   ，已服务人数: