機(jī)械專業(yè)數(shù)字化虛擬制造實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)的研究與實(shí)踐

高興軍GAO Xing-jun；孫鐵SUN Tie；鄧子龍DENG Zi-long；晏永飛YAN Yong-fei

（①遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，撫順 113001；②遼寧石油化工大學(xué)發(fā)展規(guī)劃處，撫順 113001）

（①School of Mechanical Engineering，Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun 113001，China；②Development Planning Department of Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun 113001，China）

0 引言

機(jī)械類課程設(shè)置實(shí)踐環(huán)節(jié)，由于其實(shí)踐性比較強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)多，可以很大程度的提高學(xué)生的動(dòng)手能力和工程意識。過去的實(shí)驗(yàn)都是首先準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)設(shè)備，然后由學(xué)生按照操作完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，且大多是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的。遼寧石油化工大學(xué)機(jī)制專業(yè)開設(shè)了機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)以及機(jī)械CAD/CAM 等課程，從不同角度向?qū)W生介紹傳統(tǒng)制造以及現(xiàn)代制造技術(shù)知識。目前存在的問題是缺乏先進(jìn)制造技術(shù)配套的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，授課局限于黑板教學(xué)。由于現(xiàn)代制造裝備種類繁多，范圍廣泛，尤其如模具、夾具等形狀復(fù)雜、涉及大量空間曲面的研究，從設(shè)計(jì)到加工乃至裝配的各個(gè)環(huán)節(jié)如果沒有較為直觀、先進(jìn)的教學(xué)手段，很難取得好的教學(xué)效果。另一方面，鑒于模具、夾具等種類的多樣性、時(shí)變性，這一問題不可能通過購置或制作一批模具實(shí)物作為實(shí)驗(yàn)手段予以解決。通過建立虛擬制造裝備實(shí)驗(yàn)平臺可以有效的解決在教學(xué)中可能會遇到的一些問題，比如實(shí)驗(yàn)場地不足、設(shè)備陳舊、消耗原材料和刀具等問題，更有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，同時(shí)虛擬制造實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)置也能夠很大程度上的節(jié)約教育成本，因?yàn)樗粌H可以幫助實(shí)現(xiàn)教育資源共享，也有利于精品課程網(wǎng)絡(luò)化。

1 虛擬制造技術(shù)研究現(xiàn)狀

近年來，有一項(xiàng)新技術(shù)開始走進(jìn)人們的視野，那就是虛擬制造技術(shù)，它能夠形成一個(gè)三維視覺、聽覺和觸覺環(huán)境，用戶只要通過系統(tǒng)提供的人機(jī)對話工具，就可以實(shí)現(xiàn)和虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行交互操作，就好像到了一個(gè)真實(shí)的環(huán)境中，這個(gè)平臺是以計(jì)算機(jī)應(yīng)用為基礎(chǔ)，各種先進(jìn)技術(shù)結(jié)合起來的產(chǎn)物，比如圖像技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及人機(jī)對話技術(shù)等[1]。其實(shí)在過去的很多年里，人們都一直希望打破原有的、呆板的數(shù)字化方式，想象著如果我們的信息環(huán)境是圖文并茂、繪聲繪色的，就好像真實(shí)生活中的某個(gè)場景，如果是這樣我們就可以用自己的感覺感官來接受和處理各種信息，并在這個(gè)過程中形成自己的認(rèn)識。正是由于有著這種現(xiàn)實(shí)需求，才讓原本在1968年就誕生的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在近幾年來越來越受歡迎，甚至被認(rèn)為是影響未來的主要科技手段之一。虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念是由美國弗吉尼亞大學(xué)的William Wolf 教授在1989年首次提起的，指一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。現(xiàn)階段，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域已取得了許多成功的應(yīng)用。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，社會對人才的要求也越來越高，要求各高校必須培養(yǎng)出更多的高素質(zhì)創(chuàng)新人才。但現(xiàn)有的教育模式是傳統(tǒng)的“填鴨式”的教育模式，學(xué)生沒有學(xué)習(xí)積極性，高校很難培養(yǎng)出學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，不能滿足現(xiàn)實(shí)社會的需求。在這種形勢下，虛擬制造實(shí)驗(yàn)平臺就應(yīng)運(yùn)而生了，該平臺在過去主要用于機(jī)械和電子產(chǎn)品的研制和開發(fā)領(lǐng)域，但是現(xiàn)階段在教育領(lǐng)域也發(fā)揮著重要的作用。因?yàn)樘摂M制造實(shí)驗(yàn)平臺可以為學(xué)生制造一個(gè)好像真實(shí)場景的虛擬環(huán)境，學(xué)生們好像身臨其境，然后再結(jié)合真實(shí)現(xiàn)場實(shí)訓(xùn)教學(xué)，教學(xué)效果一定會大大提升。

2 虛擬制造實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)意義

利用虛擬技術(shù)創(chuàng)建機(jī)械制造實(shí)驗(yàn)平臺將對探索、發(fā)展現(xiàn)代機(jī)械制造的教育思想、改善實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境、優(yōu)化教學(xué)過程，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的人才產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[2]。利用虛擬制造技術(shù)創(chuàng)建機(jī)械制造實(shí)驗(yàn)平臺可以解決由于實(shí)驗(yàn)場所比較特殊，不能進(jìn)入的問題，比如一些不可視、不可摸、不可入、有危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)場所，還可以解決一般高校都會存在的設(shè)備陳舊的問題。

綜合運(yùn)用多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，避免采用極其昂貴設(shè)備的實(shí)物仿真方案，能充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的集成性、控制性和交互性的特點(diǎn)，以培養(yǎng)具有獨(dú)創(chuàng)性的綜合能力訓(xùn)練內(nèi)容，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中學(xué)習(xí)目的明確，學(xué)習(xí)興趣濃厚，通過虛擬制造實(shí)驗(yàn)平臺提高學(xué)生自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，使學(xué)生獲得基本的創(chuàng)新素質(zhì)和創(chuàng)新能力[3]。

如果在教學(xué)中，采用虛擬制造實(shí)驗(yàn)平臺，教學(xué)效果一定會得到大大的提升，因?yàn)橥ㄟ^建設(shè)虛擬制造實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生可以在教學(xué)的過程中隨時(shí)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，讓理論和實(shí)踐及時(shí)的得到同步，學(xué)生對所學(xué)知識也會更加的深刻。另外學(xué)生也可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室里操作虛擬儀器，不管是儀器的故障檢測和維修，還是各種虛擬系統(tǒng)的連接和組裝等，都可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行，并且不會發(fā)生儀器的損壞現(xiàn)象，更不會因?yàn)閳龅氐仍蚨艿较拗疲绻麤]有得到滿意的結(jié)果，可以一直進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直到滿意為止，最重要的是虛擬實(shí)驗(yàn)室不會發(fā)生人身事故。

除了上述功能，虛擬制造實(shí)驗(yàn)平臺還具有更多的功能，比如網(wǎng)絡(luò)功能，它可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教育培訓(xùn)，采用寬帶方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，在局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)上都可以進(jìn)行雙向互動(dòng)的遠(yuǎn)程教學(xué)功能。并且虛擬制造實(shí)驗(yàn)平臺還具備答卷保存、自動(dòng)評分、成績查詢和分析等功能，輕松實(shí)現(xiàn)無紙化的考核與測評。

3 虛擬制造實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)內(nèi)容

對現(xiàn)有的教學(xué)及實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行綜合開發(fā)利用，結(jié)合遼寧石油化工大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心已有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，建立虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，運(yùn)用基于幾何建模和圖像相結(jié)合的建模方法，采用虛物實(shí)化、實(shí)物虛化、虛實(shí)結(jié)合、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的方法，可建立基于圖像的真實(shí)感強(qiáng)的具有物理屬性機(jī)械產(chǎn)品模型。

3.1 虛擬平臺系統(tǒng)框架設(shè)計(jì) 本部分包括系統(tǒng)規(guī)劃、系統(tǒng)數(shù)據(jù)流過程設(shè)計(jì)、供求分析、開發(fā)手段選擇等，開發(fā)零部件數(shù)據(jù)庫。項(xiàng)目組設(shè)計(jì)虛擬制造平臺的系統(tǒng)框架，研究系統(tǒng)所需資源及系統(tǒng)開發(fā)手段及方法，創(chuàng)建系統(tǒng)虛擬平臺所需的零部件庫。利用設(shè)計(jì)軟件模擬實(shí)際零件模具的制造裝配、零件的機(jī)械加工過程及產(chǎn)品的拆裝過程，建立可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的網(wǎng)絡(luò)精品課程的虛擬加工及裝配資源。

3.2 虛擬制造實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè) 本部分包括界面設(shè)計(jì)、內(nèi)核設(shè)計(jì)、通訊設(shè)計(jì)、各模塊設(shè)計(jì)以及虛擬加工過程設(shè)計(jì)等。界面設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，包括虛擬制造實(shí)驗(yàn)平臺的運(yùn)行界面和軟件安裝界面的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)；實(shí)驗(yàn)平臺建立虛擬制造所需的各模塊，確定虛擬加工過程的各參數(shù)，建立機(jī)械加工系統(tǒng)和參數(shù)化選擇。增加實(shí)驗(yàn)平臺的互動(dòng)性和參與性，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對學(xué)生學(xué)習(xí)過程產(chǎn)生積極的引導(dǎo)作用。

3.3 虛擬制造實(shí)驗(yàn)平臺測試以及評價(jià)系統(tǒng) 本部分包括平臺各種測試、建立典型零件庫、與平臺的通訊鏈接和測試、建立配套的評價(jià)系統(tǒng)。評價(jià)系統(tǒng)具有自動(dòng)打分功能，包括虛擬實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果測試在內(nèi)的綜合評價(jià)單元；測試項(xiàng)目的內(nèi)容是可以靈活更改的，教師可以通過終端服務(wù)器對項(xiàng)目的內(nèi)容進(jìn)行修改。

4 虛擬制造實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)研究的實(shí)施方法

采用虛擬制造實(shí)驗(yàn)平臺，可以有效的把虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)有機(jī)的結(jié)合起來，把“理論準(zhǔn)備→實(shí)物實(shí)驗(yàn)”模式為“理論準(zhǔn)備→虛擬實(shí)驗(yàn)→實(shí)物實(shí)驗(yàn)→拓展創(chuàng)新模式”，形成循序漸進(jìn)、虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，按照從理論到實(shí)踐、從虛擬到實(shí)物、從基本實(shí)驗(yàn)到綜合創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的漸進(jìn)過程，逐步培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力。

在前期工作基礎(chǔ)上，進(jìn)行調(diào)研和論證。認(rèn)真總結(jié)機(jī)械制造課程改革的經(jīng)驗(yàn)和存在的問題，到兄弟院校進(jìn)行調(diào)研，學(xué)習(xí)其機(jī)械制造理論和實(shí)踐課程的培養(yǎng)模式、培養(yǎng)途徑和手段、教學(xué)建設(shè)和改革等方面的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，學(xué)習(xí)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺建立的方法及注意事項(xiàng)。以培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)為內(nèi)涵建設(shè)的主要內(nèi)容，結(jié)合學(xué)校人才培養(yǎng)實(shí)際，進(jìn)行廣泛論證，完善新形勢下應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。

對虛擬制造實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行重點(diǎn)建設(shè)，建立虛擬平臺系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)，準(zhǔn)備虛擬平臺的軟硬件設(shè)施，設(shè)置其與虛擬平臺連接方式。全面組織實(shí)施虛擬制造實(shí)驗(yàn)平臺的建立，搭建模具虛擬平臺和數(shù)控虛擬機(jī)床；建立虛擬平臺所需各典型零件庫，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并通過計(jì)算機(jī)構(gòu)建一個(gè)與實(shí)物同樣的3D 零件或3D 機(jī)床，采用Pro/E 建模，將各種數(shù)控設(shè)備和產(chǎn)品進(jìn)行虛擬化；建立虛擬制造平臺的各種測試，建立典型零件庫以及與平臺的通訊鏈接和測試。建立配套的評價(jià)系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

虛擬制造仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的應(yīng)用，其先進(jìn)性不僅體現(xiàn)在技術(shù)手段上，更重要的是關(guān)注教學(xué)設(shè)計(jì)理念與教學(xué)質(zhì)量。無疑，虛擬設(shè)計(jì)與制造等先進(jìn)的技術(shù)改變了教學(xué)環(huán)境與教學(xué)手段，學(xué)生可以在仿真的環(huán)境下完成實(shí)驗(yàn)，教師能夠方便地查閱學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況與評判實(shí)驗(yàn)結(jié)果。更關(guān)鍵的是教學(xué)中設(shè)計(jì)思想的先進(jìn)性，虛擬制造仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)為學(xué)生提供各種豐富翔實(shí)的教學(xué)資源，各取所需，提供開放的實(shí)驗(yàn)空間，能真正滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生學(xué)在其中，樂在其中，達(dá)到良好的教學(xué)效果。同時(shí)也會提高學(xué)生的創(chuàng)新意識，有力地推動(dòng)地方院校機(jī)械專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的深刻變革。

[1]王會.虛擬設(shè)計(jì)與制造在機(jī)械專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用[J].職業(yè)時(shí)空，2012,8(6):117-120.

[2]曾文忠.論機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)教學(xué)中虛擬資源的開發(fā)利用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2011,8(19):181.

[3]蔡衛(wèi)國.虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011,28(8):76-82.