光電設(shè)備教學(xué)中虛擬三維建模技術(shù)的應(yīng)用

周樂(lè)　羅威　董文鋒

摘 要：針對(duì)目前光電設(shè)備教學(xué)中存在的實(shí)物設(shè)備少、培訓(xùn)時(shí)間緊、訓(xùn)練內(nèi)容難度大以及學(xué)員對(duì)于新型光電設(shè)備不熟悉、不敢用、不會(huì)用等問(wèn)題，該文提出采用虛擬三維建模技術(shù)來(lái)輔助教學(xué)，分析了該技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用需求并介紹設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)現(xiàn)流程，最后采用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)光電設(shè)備故障處理及維護(hù)模擬訓(xùn)練。

關(guān)鍵詞：三維建模 教學(xué) 光電設(shè)備 模擬訓(xùn)練

中圖分類號(hào)：G71 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）01（c）-0144-03

Abstract： With virtual three dimension modeling technique， this paper aim to solve the conflict of limited teaching device and training time in the course of optoelectronic device teaching which is considerably difficult for junior cadet. Application requirements of this technique and process of designing and developing are introduced. Finally， this technique is used to simulate trouble shooting training of optoelectronic device.

Key Words： Three dimension modeling； Teaching； Optoelectronic device； Simulation training

隨著裝備信息化程度的不斷提高，基于前沿探測(cè)技術(shù)和干擾技術(shù)的光電設(shè)備越來(lái)越多地得到應(yīng)用。光電設(shè)備具有功能模塊單元多、光路結(jié)構(gòu)精密以及裝配連接復(fù)雜等特點(diǎn)，因而對(duì)光電設(shè)備的教學(xué)訓(xùn)練提出了更高的要求。

目前士官技師作為裝備和技術(shù)保障的一線人才，存在著專業(yè)領(lǐng)域較窄、知識(shí)面不夠?qū)拸V、前沿技術(shù)了解不夠等突出問(wèn)題。由于光電設(shè)備對(duì)光電技術(shù)原理基礎(chǔ)要求較高，士官技師對(duì)于新型光電裝備普遍不熟悉、不敢用、不會(huì)用，因而光電設(shè)備相關(guān)的院校教學(xué)和任職培訓(xùn)面臨任務(wù)緊、需求大的現(xiàn)實(shí)要求。針對(duì)上述矛盾需求，該文提出采用虛擬三維建模技術(shù)來(lái)解決光電設(shè)備教學(xué)中所面臨的現(xiàn)實(shí)難題。

1 虛擬三維建模技術(shù)在光電設(shè)備教學(xué)中的應(yīng)用需求分析

目前對(duì)于光電設(shè)備教學(xué)培訓(xùn)面臨著較大困難，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

（1）目前使用的光電設(shè)備普遍價(jià)格昂貴，配發(fā)供教學(xué)使用的數(shù)量有限，學(xué)員在校學(xué)習(xí)期間安排的操作使用課時(shí)較少。在崗技師的裝備學(xué)習(xí)往往僅憑借設(shè)備技術(shù)說(shuō)明書和相關(guān)培訓(xùn)文檔，在沒(méi)有系統(tǒng)教學(xué)和指導(dǎo)的條件下，在崗位工作中重新學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)設(shè)備單元及其器件，降低了學(xué)員培養(yǎng)的效益。

（2）光電設(shè)備屬精密儀器設(shè)備，其中的光路和光學(xué)器件精密復(fù)雜，且一般需要密封安裝，難以進(jìn)行實(shí)物拆開單元講解。而從事技術(shù)保障崗位的士官技師，對(duì)于設(shè)備實(shí)物特別是內(nèi)部單元結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)較淺，難以判斷故障及其成因，因而無(wú)法對(duì)設(shè)備進(jìn)行修理和有效維護(hù)。

（3）教學(xué)參考資料往往是機(jī)械設(shè)計(jì)二維平面圖紙，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的光電設(shè)備沒(méi)有空間可視性，教學(xué)使用不直觀，也不便于空間想象力差的學(xué)員理解。而任職培訓(xùn)課時(shí)緊、信息量大，難以在有限的課堂教學(xué)時(shí)間內(nèi)，達(dá)到使學(xué)員深入透徹理解前沿技術(shù)和設(shè)備的教學(xué)效果。

（4）教學(xué)訓(xùn)練缺乏對(duì)抗性和實(shí)戰(zhàn)情景。通過(guò)虛擬技術(shù)虛擬對(duì)抗目標(biāo)和對(duì)抗手段，可以設(shè)置交互性較強(qiáng)的對(duì)抗訓(xùn)練內(nèi)容；立體維度包含聲光視覺(jué)效果的情景能夠有效地模擬實(shí)戰(zhàn)環(huán)境，促進(jìn)學(xué)員實(shí)戰(zhàn)環(huán)境的認(rèn)知和適應(yīng)性。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)、三維建模和仿真交互等技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，在傳統(tǒng)課堂的演講式教學(xué)方法基礎(chǔ)上，輔以各種形式的現(xiàn)代教育技術(shù)，正逐步形成新的教學(xué)手段。采用計(jì)算機(jī)虛擬三維建模技術(shù)可以克服目前教學(xué)實(shí)裝少、缺口大的問(wèn)題，同時(shí)三維模型使得教學(xué)的內(nèi)容更直觀、更具啟發(fā)性，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以有效地幫助學(xué)員進(jìn)行操作維護(hù)訓(xùn)練和對(duì)抗訓(xùn)練，因而可以有效地提高教學(xué)授課的效率與操作訓(xùn)練的質(zhì)量。

2 光電設(shè)備虛擬三維模型設(shè)計(jì)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

這里以光電設(shè)備配電箱為例，介紹虛擬三維模型教學(xué)庫(kù)的設(shè)計(jì)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程：采用SolidWorks和CAD等建模軟件建立設(shè)備單元與環(huán)境單元模型庫(kù)（包括該配電箱的按鈕、液晶屏顯示、空氣開關(guān)、撥動(dòng)開關(guān)單元等），根據(jù)該設(shè)備結(jié)構(gòu)以及訓(xùn)練科目要求采用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件3D-quest建立原型模型，然后添加設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)以及環(huán)境和視覺(jué)合成數(shù)據(jù)到虛擬引擎中（如按鈕和空氣開關(guān)的撥動(dòng)以及屏幕的數(shù)碼顯示等），最后采用桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)集成系統(tǒng)來(lái)模擬設(shè)備工作狀態(tài)，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)試后，將不同的訓(xùn)練科目以及相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)歸檔便于后續(xù)的開發(fā)和應(yīng)用，即可完成光電設(shè)備教學(xué)三維模型庫(kù)的開發(fā)，如圖1所示。

根據(jù)該開發(fā)流程進(jìn)行光電設(shè)備配電箱的設(shè)計(jì)開發(fā)效果如圖2所示。基于該模型即可以直觀地進(jìn)行該配電箱結(jié)構(gòu)和功能模塊以及操作流程的講解，并可以結(jié)合3D-quest等虛擬現(xiàn)實(shí)軟件引擎進(jìn)行開關(guān)機(jī)流程及運(yùn)行操作訓(xùn)練，使學(xué)員在虛擬模擬器上熟練掌握裝備的操作要領(lǐng)。

3 模擬訓(xùn)練光電設(shè)備內(nèi)部故障維修

采用虛擬三維模型技術(shù)并結(jié)合虛擬引擎可實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障及維護(hù)維修訓(xùn)練。通過(guò)在光電設(shè)備各個(gè)單元的數(shù)據(jù)庫(kù)中建立較為典型和常見的故障現(xiàn)象，在虛擬環(huán)境下利用動(dòng)畫視頻、聲音合成、儀表指示、對(duì)話框提示等方式來(lái)模擬操作維護(hù)及其效果，通過(guò)反復(fù)自主訓(xùn)練使學(xué)員能夠掌握光電設(shè)備故障現(xiàn)象和排除方法的一般規(guī)律和特點(diǎn)。

光路傳輸裝置一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜精密，表面密封，難以進(jìn)行拆卸練習(xí)。圖3為光路傳輸裝置的虛擬三維模型，通過(guò)虛擬三維模型來(lái)模擬其詳細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使學(xué)員通過(guò)模型熟練掌握設(shè)備單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其主要特點(diǎn)，可模擬其中光電器件單元裝配和維護(hù)的順序、方法以及注意事項(xiàng)，通過(guò)反復(fù)自主的訓(xùn)練使學(xué)員掌握拆卸方法、器件特點(diǎn)以及維護(hù)要領(lǐng)。

如圖4所示，可對(duì)其中的電機(jī)及軸連接部件設(shè)置故障現(xiàn)象并進(jìn)行分析排故訓(xùn)練，通過(guò)模擬訓(xùn)練，可以熟練掌握設(shè)備各功能單元的常見故障現(xiàn)象及處理方法，從而能有效判斷故障成因并進(jìn)行針對(duì)性的修理和日常維護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前光電設(shè)備教學(xué)中存在的教學(xué)條件限制與崗位任職能力要求之間的矛盾問(wèn)題，提出了采用虛擬三維模型技術(shù)來(lái)進(jìn)行光電設(shè)備的教學(xué)和模擬訓(xùn)練，有效提升了教學(xué)質(zhì)量和學(xué)員崗位任職能力，為培養(yǎng)學(xué)生成為光電設(shè)備保障和維護(hù)技師打下良好基礎(chǔ)。

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