VR技術在高職機械制造專業中的應用探索

賀娟

摘 要：VR（virtual reality）技術是通過計算機模擬出與現實一致的場景，生成一種交互式的三維動態視景，從而實現主體在虛擬環境中的仿真體驗。基于虛擬技術的特點與優勢，一方面，可以避免傳統機械制造專業中設備、原件、耗材等在實際的操練中大量的磨損、消耗與返工后的重復修改，節省了人力與財力，提高了機械制造的工作效率。另外一方面，將VR技術運用于課堂教學中，可以提高學生對硬件精密程度的感知能力和學習興趣，激發創造思維，實現“人-人”互動、“人-機”互動的現實模擬場景。這極大地提高了學生們后期頂崗實習走入工作崗位的實操能力，為企業提供更多優質人才。

關鍵詞：VR技術;高職;機械制造

VR（virtual reality）技術，即虛擬現實技術，是指創建虛擬現實世界的計算機仿真系統，它能夠利用計算機系統生成一種模擬現實環境的逼真而形象的虛擬世界。與傳統的仿真軟件及系統相比較，它是仿真技術與傳感技術、計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術、網絡技術等多種技術的集合，是一門交叉性前沿學科和研究領域，其模擬性、交互性、實際操作性更強。目前，VR技術的應用十分廣泛，如外科手術、軍事模擬虛擬戰場訓練、體育訓練、心理咨詢、航空航天、交通運輸、室內裝潢設計、環境監測、機械設計與制造等方面。利用虛擬現實系統，讓人足不出戶獲得身臨其境般的體驗。這樣能夠節省成本，打破實驗場地、設備、配套人員、工具、材料等限制，將最大化實現虛擬演練，規避種種風險，為真正進入現實環境中的操作奠定基礎。

基于VR技術的前景與優勢，我們將討論其在機械制造專業領域中的應用。在高職院校的機械制造課程教學中，理論授課和實踐操作，兩者是缺一不可的。VR技術能夠很好地實現兩者的有機結合，一方面，老師可以一面講解，一邊呈現虛擬的場景，實現講解與操作同步，避免枯燥的理論授課，提高學生們的學習興趣;老師還可以先講授，然后自己示范，最后讓學生跟學;老師也可以讓學生來直接操作，讓其暴露自己在操作過程中薄弱或缺乏的知識，帶著這些實踐中的疑問再回過頭來學習理論知識，學習完理論知識再回到虛擬現場的操作中，幫助解決之前的困惑。另一方面，學生們通過虛擬操作可以降低在實際機械制造工藝中的設備、原件、材料的耗損，通過虛擬演練，適當規避實際制造過程中的風險，節約教學成本，提高學習效率。

一、機械制造教學現狀分析

由于傳統的機械制造專業在教學中存在的弊端給我們的教學工作帶來一定程度的阻礙，認清這些因素有利于我們利用VR技術手段來改進教學。

（一）從招生角度來看

由于國家近些年來鼓勵職業教育的發展，職業學院響應號召擴大招生規模，學生基數劇增，使得教學資源嚴重吃緊，如模具數量短缺、實訓場地狹小、工藝耗材量大等，為了緩解教學班在使用機械制造實訓工場的壓力，有些職業院校不得不壓縮學生使用機床的教學課時，減少了大家的實操時間，這樣嚴重影響了教學進程與課程設置，也不利于學生未來的專業發展。

（二）從實訓廠房設備的角度來看

目前，大部分職業院校都建立了實訓基地，這需要大面積場地、建設實訓樓房、購買機械制造設備、模具、刀具、工藝材料等，還需配備機械操作人員與管理人員等等，這都需要巨大的經費投入。而且，一些大型設備，如減速器、軸承、機械手、離合器、制動器、聯接等原材料在長期的使用過程中由于不當地操作、時間因素、突發停電等原因會造成折舊、損壞與磨耗等，這些都是一筆巨大的教學開支，也為教學的投入增加了大量的成本，也限制了專業的深入發展。

此外，校內實訓工場只是某一單一工種的模擬和訓練，學生并沒有實實在在地參與實際工廠完整的生產環節，也不熟悉各個崗位的工作具體要求，現實企業的“設計要求、生產質量、成本控制、出貨日期、跟蹤服務”等無法得到有效的展現，因此，學生無法體驗到一種真實的工作環境和工作氛圍。

（三）從師資的角度來看

目前，較多高職院校的機械制造專業授課老師們的專業水平都有了普遍的提高，甚至有不少的研究生來承擔專業課的教學。然而這些高學歷層次的老師擅理論研究，很少在企業工作過，因此，缺乏一定的應用技能和與市場接軌的工作經驗，無法了解企業需要的真正技能人才。

（四）傳統數控仿真軟件的缺陷

當前，有些高職院校采用數控仿真軟件來模擬機床操作，如菲克、宇航等，這些數控軟件能夠加工出模具的一個大概輪廓，無法達到精確的尺寸要求，加工過程相對粗糙，生產出的工藝品劣品較多，也無法驗證加工結果，更不能讓學生真實感受不當操作帶來的不安全隱患。這樣會造成對真正的機械制造的理解不深刻。

二、VR技術的特征概述

（一）沉浸感（Immersion）

VR技術根據人類的視覺、聽覺的生理心理特點，在計算機操作系統中產生逼真的三維立體圖像，使用者通過交互設備，如頭盔顯示器、數據手套、鼠標、鍵盤等來接受信息，將自己置身于虛擬環境中，學生們可以與虛擬環境中的機械工具進行互動，就如同現實世界一樣。這一特征明顯區別于三維仿真技術和3D影視技術，實現使用者的視覺、聽覺與外界的分離，讓自己沉浸其中，切身體驗機械建模、部件設計、元件組裝等工藝過程，達到身臨其境的效果。

（二）構想性（Imagination）

在虛擬現實系統中裝有視覺、觸覺、聽覺的傳感電子元件及反應裝置， 因此使用者在虛擬環境中可同時獲得視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知，這樣可以提高學生在機械元件設計、機床操作和維修等上對學習內容的感知程度、認知程度，將虛擬現實與真實現實的環境實現良好的結合，從而使學生深化概念認識和產生新的聯想，使抽象概念具體化，激發人的創造性思維。

（三）交互性（Interaction）

虛擬現實技術實現的人機互動遠超其它的人機互動系統，更為逼真和接近自然的環境。使用者可以通過電腦鍵盤、鼠標、VR眼鏡、VR數據手套、數據衣、手機等設備進行信息的輸入和輸出的傳感設備進行交互。計算機中VR技術系統能根據使用者的頭、手、眼、耳、語言及身體姿勢來調整系統呈現的圖像及聲音。學生們只需要通過自身的語言、肢體動作等自然地方式對虛擬環境中的對象進行操作、合作與互動，處理對象更為逼真和形象。

虛擬技術的這三大特征與機械制造結合起來，可以有效地調動使用者的多個感覺器官參與機械設計、原件制作和機械操控，充分實現人機對話，讓學生更真實了解機械制造的完整工藝流程，讓機械制造的準確性和效率都得以提高。

三、VR技術的創造性應用

VR技術在機械制造領域中實際應用衍生出了一個詞匯——虛擬制造（Virtual Manufacturing），這是將機械制造的流程通過計算機的映射，在虛擬技術、高性能計算機、高速網絡、先進設備等支持下，配合計算機群組協同工作，把制造產品的流程與技術集成在三維的、動態的數字模型之上，高效建模，實現產品的精確制造和加工。

（一）機械制造的虛擬概念設計

學生可以利用VR技術按照圖紙要求來設計一個虛擬的產品，分析和檢查產品的設計是否符合尺寸、大小、性能、質量等要求，如果發現問題可以進行及時修改，避免了工場實地操作需要耗損大量原材料，也避免了實際制造過程中出差錯而進行第二次返工設計，這節約了人力成本的開支和提高了工作效率。學生可以模擬客戶不同的需要，在虛擬環境下設計和修改不同的產品樣式，給予學生更多的犯錯機會和學習機會，使得學生對設計和表達的思路更加清晰明了，強化學生的設計理念和對概念的理解，也給學生們呈現出一個更加形象、生動地標本。

（二）機械制造的虛擬設計

在三維的虛擬環境中能夠對產品進行觀察、操作和設計，將VR技術引入到CAD作圖環境中，這種虛擬環境中設計出來的產品具有實物一樣的特性，如重量、尺寸大小、材料性能、硬度、外觀等物理性能等。可以利用虛擬技術組建模型的各個零部件，核查部件之間的間隙是否達標、軸承的對接有無差錯、部件的組裝是否正確以及部件的外觀設計是否合理等，避免了出廠產品的質量不達標。

（三）機械制造的虛擬制造

在虛擬制造階段中，讓學生在虛擬的環境中準備好圖紙、工藝卡，根據工單任務領料，調試好夾具，上好刀具，查驗設備有無故障，在這個過程可以通過同學們自檢、互檢相結合的方式進行，并向班組、檢驗員進行報告說明。在檢查階段完成后，按照圖紙、施工標準、工藝的要求進入正式生產。在正式操作過程中，要注意工件防護、現場設備維護、規范自己的操作流程等。在生產流程結束后，需辦理轉序手續，在工序流程卡上做好登記記錄。嚴格按照真實工作準備步驟來演練。這樣能夠在虛擬的環境中扮演不同的角色，承擔不同的崗位職責，熟悉機械制造工作流程。這對自然環境的模擬是一個很好的演練。這有利地增強學生們的學習體驗、心理沉浸感，實現了情境學習和知識遷移等。

（四）機械制造的虛擬測試

在產品生產出來之后，要考查產品的性能、質量是否達標。通過VR觀察模型的系統外形，檢查夾具拼裝、界面操作是否友好、人機交互性能、組合儀表測試、葉輪加工模塊等，通過對產品的組裝和試用就發現是否存在問題。這樣以便在計算機上進行調整和修改，生成新的模型，保證產品質量符合客戶要求，避免產品在生產過程中出現的瑕疵。

五、總結

VR技術在機械制造專業領域中的應用是一種歷史趨勢，它將從根本上改變機械制造和設計的傳統模式。將VR技術引進機械制造專業的課堂教學中，在生產系統和工藝過程中進行建模、修改、分析及優化將會節約人力、物力成本，為學校的持續教學指明方向，同時，也提高了學生的學習興趣、動手能力與思考能力。

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（作者單位：貴州裝備制造職業學院，貴州 貴陽 550000）