本虚拟仿真实验项目以提高学生工程实践能力为落脚点，基于《压力焊与特种焊》课程所授理论知识，结合焊接生产，以航空铝合金回填式搅拌摩擦点焊为例，构建真实实验基础上的虚拟实验。

虚拟实验还原了整个生产环境及过程，采用远程访问，内容引导，自主完成的教学方法。学生借助网络进入虚拟实验，虚拟环境中，辅以文字、图片、动画、交互式界面等手段，使学生充分体验整个实验过程。学生在教师指导下：首先，学习有关实验过程的生产安全规范和注意事项；其次，熟悉材料、工艺过程、生产工装、操作者和环境等；最后，了解设备结构、参数设置和焊接过程。在系统引导下，学生通过交互操作，按生产流程独立实施实验。学生可多次重复实验，直至完全掌握整个实验后，需进行填写实验报告、完成自测题等考核环节。

虚拟实验中，学生通过理论学习、虚拟操作、知识引导、分析设计、问题情景等方法，自主完成搅拌摩擦焊工艺（理论认知学习）、回填式搅拌摩擦点焊机使用操作（技能操作学习）、焊点缺陷成因分析（综合应用学习）等实验过程。

（1）理论学习 学生利用虚拟实验提供的理论知识学习版块，通过图片、视频形式，完成回填式搅拌摩擦点焊原理、焊接设备操作、金属成型过程、缺陷形成机理等实验内容的自主学习。此过程既可作为实验前的预习环节，也可作为实验后进行理论知识的深化巩固。

（2）虚拟操作 学生通过模拟操作，按照生产规程完成工艺设计、工件定位、参数设置、焊接成型、缺陷分析等过程。使学生在虚拟操作的过程中，将认知与实践相结合，系统地掌握实际生产过程中的工艺规程和规范操作。

（3）知识引导 虚拟实验过程中依据教学和实验的要求，分别设置有：情景人物对话、知识提示、观察视角引导、部件高亮提示、虚拟动画等指引方法。其中情景对话和知识提示对基础的实验知识进行了拓展与扩充，便于学生更好的进行理论和实践的融会贯通；视角引导、高亮提示等引导手段，降低了实验的操作难度，保证学生将更多的注意力集中于对注塑工艺过程的学习。

（4）分析设计 学生自行完成工艺分析和方案设计，通过生产加工验证其方案可行性，可多次实施不同工艺方案并分析不同参数下的缺陷形式，掌握重要工艺参数对工件质量的影响规律。此外，学生可借助系统提示分析缺陷成因，理解缺陷形成机理，明晰参数影响规律，改进工艺方案。

（5）问题情景 系统在关键工艺过程创设了问题情景分析及模拟对话，设置了多样化的交互问题，包括情景判断、专业知识测试、错误操作警示等形式，使学生能充分理解所学知识在实践中的体现和应用，激发学生的好奇心和求知欲。

进入虚拟实验后，交互式操作步骤如下：

（1）加载软件后，显示实验界面，在该界面上设计了“摩擦点焊工艺卡片设计”和“摩擦点焊过程与工艺方案优化”两个子界面链接，在选中相关子界面链接后点击“开始实验”进入实验。

（2）点击进入工艺卡片设计后，仿真系统首先要实验人员通过学习《焊接安全生产手册》，掌握摩擦焊机的操作规范和安全注意事项等。

（3）搅拌工具安装实验，根据实验手册，首先，认识搅拌工具中压紧环、套筒和搅拌针的等；其次，分析搅拌工具结构，通过搅拌工具的组成、结构及说明，认知，并根据搅拌工具安装示意图对其进行合理安装，为初步确定工艺方案做准备，搅拌工具安装如图。

（4）焊接工艺卡设计，通过查阅手册，结合对焊接机和零件的分析，初步确定焊接参数，输入工艺卡，并填写工艺员姓名。填写完工艺卡后，选择“设计完成”进行下一步交互操作，进入实验环节，如图。

（5）焊接前安全检查及着装，以师生对话的形式完成焊接生产前的各项准备工作，形式为教师提问，学生回答，学生需正确回答方可进行下一步操作。安全检查完成后，点击“一键换装”，完成安全着装。

（6）焊接前工件准备。在焊接实验前检查工件表面状态，判断工件表面是否存在油污、杂质和氧化膜，并通过机械打磨方式打磨工件并用酒精擦拭使工件表面光滑，完成焊接前工件的准备工作。

（7）工件装卡，在焊接实验前，将工件安装至焊接工作台，并通过操控焊接机使焊机C型夹具夹住工件，完成焊接前的准备工作。

（8）焊接，在完成焊接准备工作后，核对焊接工艺参数无误后开始焊接实验，搅拌工具工作过程为轴套下扎模式，在搅拌工具局部采用半剖的形式显示焊点内部，搅拌工具的工作过程，并以动态虚拟显示的方式显示焊点内部金属的流动行为，通过虚拟录像的方式加入显示。

下轧过程：压紧环高速转动，套筒高速转动并下移，搅拌针高速转动并上移；

回填过程：套筒高速转动并上移，搅拌针高速转动并下移，

搅焊接完成后形成平整、无退出孔的回填式搅拌摩擦点焊焊点

（9）焊点金相分析,焊接完成后停机，机器人回复原位，工件取下，再次进入工艺室，对焊点，金属组织进行分析，采用虚实结合方式，加入真实实验的金相图片判断金属组织形成特点。

（10）焊点缺陷分析,学习《缺陷手册》认知缺陷特征、产生机理以及解决方案等。依据缺陷分析结果，与教师进行交流，需回答教师问题，主要有：有无缺陷、产生原因。若回答错误，返回焊件观察场景，重新观察焊点，结合工艺卡和缺陷影响因素，进行再次回答，直至正确；回答正确后，进入下一步。

（11）优化工艺方案,依据缺陷分析结果，重新设计工艺参数，进行加工，直至工件质量合格。至此完成一次完整的虚拟实验。完成虚拟实验，点击“重新实验”可再次进行实验，直至掌握。

（12）理论知识测试,完成实验后，通过系统设定的知识要点进行试题的测试，学生在做测试过程中可以完成相关问题的深化吸收。