交互式教育系统——虚拟轧钢模拟器
L.V. Radionova, A.D. Chernyshev, R.A. Lisovskiy
摘要
文章报道了现代计算机技术对提高工程和冶金行业专家教育水平和教育质量的经验。交互式虚拟模拟器“板材轧制”是通过使用Unity3D，SolidWorks和3DsMax程序创建的。本文给出了模拟器中包含的简短模块描述，称为“基本规定”。系统地给出了片材轧制的理论和技术信息；机械模块“板材轧机”探索了冷轧板的设备；基于冷轧工艺数学模型的技术专家模块“冷轧”提供了进行分析研究的可能性；并且“考试模块”由任务和测试组成，可以获取关于知识水平的客观信息。
关键词：轧机；冷轧板；互动教育系统；虚拟模拟器；Unity3D；SolidWorks；Visual Studio；3DMax
1.引言
随着计算机技术的发展，创造交互式虚拟实验台、装置和模拟器的机会越来越多。在教育培训期间使用这些技术不仅可以降低财务成本，而且可以增加教育过程的吸引力[1]。此外，允许差异化、有机化和实现同时使用虚拟实验台和真实实验台，可以优化和加强教育过程。但是，应该指出的是，使用交互式实验装置是有区别的，不能完全替换实际的实验室和实践培训。为了获得所有必要的知识和能力，学生应当找机会去接触实物。同时，如果由于设备的尺寸、复杂性和过程的危险性没有这样的机会，最好对实物进行模拟。
在高校培养冶金机械工程领域专业人才中，冶金设备和冶金技术课程备受重视。冷轧机是这些课程中研究的关键对象之一。传统上，为了理解机床工作过程中结构和功率指标的原理，课程和实践教育培训中使用的是方法性文献、方案、幻灯片和电影。这是由于许多教育机构出于各种原因无法承担可用的轧机造成的。
为了增强教育机构实验和实践基础，通过引进创新发展，提出了提高工程和冶金行业专家培训质量的交互式虚拟模拟器“板材轧制”。
2.关于交互式虚拟模拟器“板材轧制”的描述
交互式虚拟仿真器“板材轧制”（图1）基于实际运行的1700冷轧机的数据。模拟器由两个主要模块构成：机械模拟器“板材轧机”模块和技术专家模块“冷轧钢板”，还包括板材轧制理论和技术以及控制获取知识的基本规定。（图2）
图 1板材轧制模拟器的外观
图 2模拟器的模块
用于绘制冷轧机组件的SolidWorks和3DMax以及使用Visual Studio开发3DUnity3D应用程序的系统已被用作项目实现的软件。板材轧机模块是用于设备研究的模拟器。该模块可以研究设备的工作原理、细节和单元，还可以使用可拆卸滚筒和板材轧机主要生产线的技术。作为模拟器的一部分，图纸包括轧机，床身，联轴器，主轴，齿轮箱，滚动轴承和轧机主线的其他部件。
冷轧钢板模块旨在工艺流程研究。该模块可以研究板材轧制工艺参数对功率参数，板材的物理力学性能和几何特性的影响。它可以直观地验证形状变化和形变过程中金属的尺寸，并以直观方便的方式提供信息进行分析：时间表、图表、图纸。
此外，模拟器还有一部分是便于学习的模块，提供了有关冷轧钢板的设备和技术基础的理论材料、测试、控制问题和任务。
应该指出的是，用于教育目的的虚拟交互式模拟器必须是最真实的。在这种情况下，通过使用参考书[2-6]，根据NGS绘制元件并使用经过充分验证的工艺过程数学模型来计算功率指标过程和轧制带材的几何指标[7]。使用虚拟交互式模拟器时的实际工作有详细的方法指导是非常重要的。
3.关于程序技术的描述
图 3用户交互界面编辑器截屏
虚拟模拟器被开发成Microsoft Visual Studio（集成开发环境）。它是使用.NET Framework4.5和Windows Presentation Foundation技术（WPF）开发的。WPF是功能性最强，且比Windows Forms（之前的技术）更舒适的技术。可扩展应用程序标记语言（XAML）用于用户界面表示[8]。它基于可扩展标记语言（XML）。XAML允许设计用户界面以及网站。见图三。
图 4设计模式结构
技术人员模块基于数学模型，该模型通过使用数学库（System. Math）的标准来实现。模型是实时重新计算的。任何修改后，表格的所有字段都会自动重新计算和更新。使用设计模式MVVM（模型-视图-视图-模型）可以实现自动更新字段，并且跟踪每个参数的更改。结构在图四中呈现。
该模型包含板料轧制过程和数据库的算术确定。该模型计算出结果。该视图是一个用户界面，可以显示所有必要的信息。但是，该视图无法发送重新计算数据的请求。系统不知道发送这个请求到什么位置，而且不知道使用什么逻辑。视图模型是专门为模型和视图之间的通信而创建的中间层（程序类）。它既是模型的包装又是视图的抽象。这个功能将允许修改甚至替换模型或视图，而不会在未来出现任何问题。
机械模块被开发成游戏引擎Unity3D。游戏引擎Unity3D被用来创建虚拟场景。开发脚本用于控制摄像机，控制机床的组装/拆卸以及查看图纸。每个脚本都是一个代码块，位于单独的文件中。每个模块执行一项独特的任务，例如：负责旋转和移动相机。该工厂的装配或拆卸任务通过使用非循环图（树）的堆栈收集和连接来解决（图5）。堆栈通过指定的用户指令来保存和显示机床的所有细节。该图允许控制装配过程的正确性。
图 5装配控制顺序的演示
4.关于模拟器接口和模块的描述
模拟器的启动过程从授权菜单开始。授权将教师帐户和每个学生的帐户分开。它允许每个学生单独执行任务，同时允许教师检查结果。主菜单制作方便又清晰。此外，可以在主页上逐步看到学习技术对象和过程的所有程序。
为了简化学生和老师的工作过程，比如图纸、方案、时间表和图纸，所有必要的理论材料用于研究板材轧制的设备和技术都在模拟器中系统地给出了。该材料可以打印或保存为单独的文档。这一点将简化课外个别学生的培训。
在研究理论材料后，有必要通过实践部分。实践培训分为两个主要模块：机械模块和我们开发的模拟器中的技术人员模块。这与在大学学习“机械工程”，“机器设备”，“冶金学”方向的学士和本科生有关。
机械模块（图6）查看机床的组件不仅可以像传统学习那样以图纸的形式，而且还可以以三维模型的形式。学生们一直在拆解和组装轧机主要工作线，同时在实践培训的过程中研究设备的每个细节。作为生产线的一部分，不同细节的模型可以分别看作不同的临近视角。
图 6机械模块“轧钢机”
当然，除了细节的三维模型之外，根据NGS还有图纸。如果没有图纸，将会不可能完全理解机械设备。模拟器的该模块用于向学生演示机床设备，用于培训主线上主单元组装和拆卸以及显示各种细节的机械相互关系。
技术人员模块（图7）可以模拟冷轧薄板的工艺过程，并根据工艺参数估算对功率特性的依赖程度。Vydrin V.N. 提供的基于能量守恒定律的数学模型[7-9]是模拟器技术部分的基石。
图 7技术人员模块“冷轧钢板”
该程序根据学生给出的工艺过程的特征对功率参数进行计数，并以数字形式（以表格形式）和图形形式显示。该方案提供了一种可能性，即改变作为轧机的一部分滚筒的数量，从而可以模拟实际使用的所有类型的冷轧薄板轧机[9]。
任务系统（图8）包含实践任务、测试和控制问题，用于检查获得的知识。“实践任务”小节包含10个有关该理论模块主要主题的计算任务。测试是30个关于冷轧工艺关键时刻和轧机设备结构的全面知识控制的问题。这个测试对于检查已经掌握的材料而言是相当简单的形式，并且还有控制问题。所有任务都由变体形成，取决于授权用户。
图 8检验模块
所以研究工厂和技术冷轧薄板工艺所需的一切都包含在该程序中，不仅可以在课堂培训中使用，而且可以远程使用。使用“检查模块”可以远程给出标记。
这个交互式训练模拟器在南乌拉尔州立大学（国家研究型大学）教育过程中在“压力处理材料的机器和技术”专业实施。
5.结论
虚拟模拟器“板材轧制”是为了机械工程和冶金领域专家人才培育的创新发展。这个模拟器通过使用现代计算机可视化工具，可以使教师的工作更容易并且提高教育过程的质量。由于这种刺激器，教育机构可以在没有大量材料成本的情况下详细地研究冷轧板工艺技术和板材轧机的设备。应该指出，它不是大学培训专家使用的唯一虚拟模拟器。在此之前，我们在教育过程的开发阶段中开发和实施了“图纸集”，“高质量轧制”和“热轧卷”模拟器等模拟器。
致谢
该工作得到了俄罗斯联邦政府211法案的支持，合同编号为02.A03.21.0011。
参考文献
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[2] A.A. Korolev, Rolling mills and rolling mill equipment, Metallurgy, Moscow, 1981.
[3] L.V. Konstantinov, The wire-pressing and drawing plant textbook, Infra-M MGU, Moscow, 2014.
[4] A.D. Zobnin, Technological bases of designing rolling facilities, Technology of production of certain types of rolled products: Proc. allowance for students, high schools, Metallurgy, Moscow, 2013.
[5] A.D. Zobnin, A.I. Tselikov, P.I. Poluhin, V.M. Grebnik, Machines and equipment of metallurgical shops, Metallurgy, Moscow, 1988.
[6] A.A. Radionov, Automatic Electric mills for the production of steel wire, MSTU, Magnitogorsk, 2007.
[7] V.N. Vydrin, A.S. Fedosienko, V.I. Krasnov, Continuous rolling process, Metallurgy, Moscow, 1970.
[8] https://msdn.microsoft.com/ru-ru/library/cc295302.aspx.
[9] L.V. Radionova, R.A. Lisovskiy, T.A. Lisovskaya, Computer simulator “Cold rolling steel sheet”: mathematical modeling of process and 3D visualization of equipment, Russian Internet Journal of Industrial Engineering. 4 (2016) 29–39.
[10] A.A. Radionov, A.S. Karandaev, Automated electric winding-winders units rolling production, MSTU, Magnitogorsk, 1999.
[11] A.A. Radionov, A.S. Karandaev, S.A. Evdokimov, V.R. Khramshin, Information And Measurement System For Control Of Technical State Of Asynchronous Electric Motors With Group Supply From Frequency Converter, in proceeding of 2014 12th International Conference On Actual Problems Of Electronic Instrument Engineering. (2014) 280–285.
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