產品制造工藝虛擬仿真教學平臺的研究

高健權　方新國

摘要：為輔助設計專業學生學習產品制造工藝知識，以仿真教學形式提高該類知識的易學性。分析了現有產品制造工藝仿真教學研究的不足，總結了以功能框架為導向的仿真教學平臺設計方法以及交互功能實現流程，以木家具制造工藝教學課程為例，分析了該課程的知識教學體系，設計了該課程的三大功能教學模塊，采用Unity3D引擎與Playmaker可視化編程插件設計實現了該仿真教學平臺的原型。開發實現了教學仿真平臺。該方法與開發流程可為產品制造工藝教學仿真平臺研發提供參考。

關鍵詞：設計方法 虛擬仿真教學 家具制造工藝 交互設計

中圖分類號：TP391.9

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069 （2019） 06-0080-03

引言

在產品制造工藝教學中，由于學校資金投入的限制，難以滿足學生現場學習所需要的設備或生產環境，學生的學習只能停留在理論知識上。隨著虛擬現實技術的普及，虛擬仿真教學成為了解決當前受資金限制教學的新方法，并能取得較好的教學效果。近年來，國內關于產品制造工藝仿真教學的研究有很多。文獻[1]使用Unity3D結合C#編程語言開發了船舶制造的虛擬仿真教學平臺，闡述了平臺的開發流程以及建模的相關規范。文獻[2]結合教育學理論和VR教學理念開發了機械產品制造的教學案例，可實現理論與實踐相結合的學習效果。文獻[3]運用模塊設計的思想開發了汽車發動機的加工工藝虛擬仿真平臺，具有多功能模塊，可實現Web環境下的瀏覽學習。文獻[4]采用3DMax和VR-Platform平臺搭建了化工虛擬仿真綜合實訓系統，可滿足多專業、多人、多角色的訓練。文獻[5]利用Virtools可視化程序開發軟件搭建了服裝工藝教學與實訓仿真平臺，闡述了該平臺的組織結構與內容。文獻[6]針對鍛造工藝的要求與流程設計了虛擬鍛造工藝系統的交互模式，并采用Unity3D與JavaScript語言開發了自由鍛造虛擬過程實例。文獻[7]提出了虛擬仿真在生物工藝學的應用，闡述了虛擬仿真工藝的授課方式。文獻[8]提出了鉆探工藝仿真平臺的建設目標與技術實現，為學生與教師設計了相應的功能模塊。文獻[9]結合車輛工程專業主干課程開發了車輛工程虛擬仿真實驗教學平臺。文獻[10]在虛擬仿真工藝及虛擬仿真工程教學回顧中提到了前期國外對于虛擬仿真工藝教學中的研究主要在于利用不同平臺及不同程度的技術，在特定工程學科教育背景下的仿真平臺開發研究。

總的來說，國內外在虛擬仿真教學方面都取得了一些進展，但這些研究主要存在以下局限性：沒有形成一套適用于產品制造工藝教學通用的平臺建設體系;大多平臺基于基礎語言開發的，開發難度大、周期長，不適用于沒編程技能的設計師進行平臺的設計。本文提出了一種以功能框架為導向的產品制造工藝虛擬仿真教學平臺的設計方法。基于Unity3D平臺的可視化編程插件Playmaker給出了交互功能的實現流程，使設計師能簡易完成仿真平臺的原型設計。

一、平臺的總體設計

產品制造工藝課程是一門綜合性的實用技術學科，其具有工藝理論多、實踐性很強的特點，所以在教學中單純的以口頭或多媒體授課在某些教學內容中難以傳達和吸引學生。依據產品制造工藝的教學需求，結合可視化編程插件的特點，提出一種產品制造工藝虛擬仿真教學平臺通用設計框架，并給出可視化編程實現交互功能的整體思路。

（一）平臺的功能框架設計。本文中產品制造工藝虛擬仿真教學平臺由五個應用層次組成，其中平臺的功能框架層由其余四個層次以針對性的需求進行設置，從而形成一個分層次、有針對性的虛擬仿真教學平臺功能體系，如圖1所示。

用戶對象層需要根據平臺使用的不同用戶對象設置相應的用戶通道。每個學生的知識背景都有差異，以學生的學習需求為中心，設計針對性的學習資源。教師通道的設計為方便授課教師制定教學步驟、布置教學任務等，是學生與教師在平臺上相互交流的有效手段。而管理員通道是管理員對學生與教師基本信息進行管理以及對平臺維護。

在確定了教學對象后，利用虛擬現實的優勢進行教學內容的虛擬設計，并對實踐教學虛擬再現。虛擬仿真教學是以系統為中心的教學設計模式，在平臺設計過程中需要考慮每個教學環節的內容設定，以虛擬環境的視角尋找解決教學問題的正確邏輯，避免以技術套教學內容的情況。

虛擬仿真教學依托VR技術、多媒體技術、人機交互技術以及數據庫等，以構建起高度仿真的產品制造工藝環境，為達到教學目的往往需要結合教學內容，選擇應用不同的技術以更好讓學生對教學內容的認知與吸收。

底層數據層支撐起平臺的各個功能模塊，而教學內容依靠底層數據作為載體。設計師需要根據技術的應用選擇表達教學內容的素材，并以虛擬仿真呈現的特點，設計出能有效傳達內容知識的教學功能，滿足教學的需求。

（二）交互功能實現思路。Unity3D中提供大量的第三方插件輔助虛擬仿真教學平臺的開發，其中Playmaker是一款可視化編程插件，也是一個分層邏輯框架，設計師或程序員只需通過Playmaker中簡單的狀態機FSM便能高效率完成交互動作原型[11]。FSM可以將對象的復雜行為特征歸納為有限個不同的“狀態”，然后為每個狀態分別指定一些列“行為”讓處于該狀態的對象來執行，同時設置一些“條件”，當這些條件被滿足時，對象便從當前狀態跳轉到另一個狀態，由此帶來其“行為”的改變。

整體交互實現流程可以歸納為，如圖2所示，當用戶通過輸入設備向物體發送信息時（如鼠標按鍵的按下、滾輪波動等信息被輸入），計算機接收指令并進行指令的邏輯判斷，觸發指定Events并通過該Events實現物體的狀態改變。每個物體可以有多種狀態，而每種狀態都可以添加自己特殊的行為Action。Playmaker為開發者枚舉了常用的所有行為，無需編寫代碼就能制作完整的平臺交互功能，方便了設計師與程序員的溝通。

通過上述框架設計和功能實現思路，最終能為產品制造工藝虛擬仿真教學平臺實現三方面基礎功能：（1）加工產品的交互展示;（2）產品制造流程的動畫展示;（3）加工設備的模擬操作。對三大模塊功能的學習有助于學生對產品制造工藝概念的理解和制造工藝的掌握。

二、木家具制造工藝虛擬仿真教學平臺的實現

本平臺的目標是構建一個輔助學生學習木質家具的結構、部件加工工藝過程及裝配練習的虛擬環境。目前國內有利用虛擬仿真技術檢驗木家具產品的可裝配性研究，但主要面對的是家具生產行業的使用[12]。本虛擬仿真教學平臺結合教學內容實際需要，設計了相應的功能模塊，并闡述了平臺交互功能實現的流程。

（一）功能模塊設計。木家具制造工藝學是家具設計專業的一門基礎核心課程，它是研究木家具生產制造過程中的材料、結構、零部件加工工藝及裝配等主要內容，需要各種機械設備進行現場教學，一般學校由于資金投入的限制，教學只能停留在理論知識上[13-14]。本案例結合功能框架體系，設計了虛擬仿真教學平臺的功能模塊，如圖3所示。

1.結構虛擬展示模塊。木家具是由若干個零部件和配件按一定的結構形式通過一定的拼合方式組裝而成的。該模塊主要包含對木家具五個典型結構類型以及接合方式的學習，利于剛入門該課程的學生先了解不同的結構形式的家具。學生通過鼠標點擊合并或拆裝按鈕查看結構的拼裝動畫，也可以結合鼠標對家具模型全視度交互，從而清晰查看結構與紋理細節，如圖4所示。

2.加工工藝虛擬仿真模塊。此模塊是針對已入門基礎的學生，利用三維可視化技術幫助他們深入一線了解木家具的制作流程，掌握木家具每個零部件從粗糙木材變成新穎家具的奇妙過程，從動畫中學習生產工藝的基本原理，從而可以應對萬變的加工工藝條件。該模塊含有設備模型庫，學生可以認識不同設備的名稱、型號、性能和特點以及不同設備對應哪種加工工藝，如圖5所示。

3.虛擬裝配訓練模塊。在掌握加工工藝后，還需培養學生的識圖能力和空間想象能力。該模塊在于通過閱讀圖紙進一步分析研究家具的造型形態、比例尺寸、材料結構等特點，然后進行不同木家具結構的裝配。學生以鼠標拖拽形式觀察及拼接產品的零部件，在學習到課程知識之余還能真正體會到家具結構的魅力與文化，如圖6所示。

（二）平臺交互功能實現。本平臺主要包括四個功能交互實現。首先，采用Playmaker狀態機控制家具模型360度旋轉的交互功能基本思路為：1.系統啟動進入獲取鼠標輸入狀態;2.當鼠標左鍵有按下并處于拖拽行為時發送Mouse Drag系統事件過渡到物體旋轉狀態;3.添加MouseLook動作并每幀監測鼠標行為事件;4.當鼠標釋放便發送Mouse Up系統事件過渡回到獲取鼠標狀態。

鼠標滑輪控制物體大小變化的功能可以通過控制攝像機與物體距離來實現，基本思路歸納為：1.系統啟動進入獲取鼠標滑輪狀態，得到滑輪軸的變化參數并存儲于全局變量中;2.設置攝像機初始狀態與變焦初始值;3.過渡到滑輪參數對比狀態，判斷滑輪滑動方向;4.計算攝像機變焦參數并移動到相應位置。狀態機流程，如圖7所示。

鼠標控制物體移動完成零部件裝配原型設計整體思路為：1.獲取鼠標按下事件，并發送事件至檢查物體狀態，存儲鼠標所選擇物體;2.獲取鼠標再次按下的坐標位置，并發送事件至位置設置狀態;3.將所選物體移動至存儲的目標坐標位置，狀態機整體流程，如圖8所示。

木家具結構的拆裝動畫以及加工工藝動畫采用GUI按鈕控制播放。Playmaker為開發者提供了大量的動畫Action，本平臺采用的控制動畫Action包括動畫播放行為Play animation、回播行為Rewind Animation和停播行為Stop Animation。

三、木家具制造工藝虛擬仿真教學平臺的教學實踐

平臺以16級工業設計專業本科生為評測載體，在家具設計課堂教學中讓學生對教學平臺進行現場實踐，實踐后將完成調查問卷并給出口頭反饋。大部分學生對這次實踐給予了較高評價，受到學生的歡迎。較多學生反饋平臺生動形象的動畫和有趣的操作過程相比書本和老師平時的講授更清晰易懂，如木材的加工過程和一些復雜的家具結構都能“親臨現場”觀看和拆裝了'而部分學生對教學平臺有不足的反饋也將記錄以日后繼續完善和修正。

結論

本文為產品制造虛擬仿真教學平臺提出了通用的功能框架設計體系以及交互功能實現流程。在開發時，設計師可以借助Unity3D的Playmaker可視化編程插件，避免了基于基礎語言開發的復雜編程過程。本文以木家具制造工藝虛擬仿真教學平臺為案例開發，介紹了其設計過程及開發流程，以大三工業設計專業本科生為測評載體，對教學平臺進行實踐和反饋，大部分學生給出了較高評價，以驗證了本研究提出的設計方法的可行性。.

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