VR技術在機械設計制造教育領域的應用探索

吳崢強

摘? 要 VR（虛擬現實）自從概念出現，就不斷帶來各種熱潮。VR最初的發展側重游戲體驗，進而慢慢滲透到很多行業領域。介紹機械行業具有發展VR技術的多種有利條件，探索將VR技術運用于機械設計制造教育領域的方式。VR的引入能克服機械行業傳統教學模式的某些不足，合理利用其優勢將會使教學活動更為生動、教學內容更為豐富、教學參與性更強，預期具有良好的應用前景。

關鍵詞 VR技術;機械設計制造;教育領域;虛擬現實;Fac-toryCAD

中圖分類號：G712? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）02-0039-04

Application of VR Technology in Field of Mechanical Design and?Manufacturing Education//WU Zhengqiang

Abstract Since the concept of VR （virtual reality） appeared， it has brought various upsurges. The initial development of VR focuses on?game experience， and then gradually penetrates into many industries.

This paper introduces the advantages of developing VR technology in the machinery industry， and explores the ways of applying VR technology in the field of machinery design and manufacturing edu-cation. The introduction of VR can overcome some shortcomings of the traditional teaching mode in the mechanical industry， and the?rational use of its advantages will make the teaching activities more?vivid， the teaching content more abundant， and the teaching partici-pation stronger. It is expected that VR will have a good application prospect.

Key words VR technology; machinery design manufacture; educa-tion; virtual reality; FactoryCAD

1 前言

斯皮爾伯格導演的科幻大片《頭號玩家》，講述了在VR（虛擬現實）的虛幻世界里人類一種新奇的生活方式，廣泛地激發了人們尤其是年輕人對VR的濃厚興趣。與普通游戲不同的是，VR技術帶給人類越來越真切的虛擬體驗，可以想象，隨著VR技術的進步，虛擬與現實之間的界線會越來越模糊，這將對未來人類的生活產生極大的影響。在國內，2016年已被認為是中國虛擬現實元年，這項前沿科技近年來發展迅速，并得到廣泛應用[1-2]。如果將VR技術引入機械設計制造專業現代教育領域，預期具有良好的應用前景。

2 VR技術應用于教育領域的潛力

VR技術被稱為“計算機模擬現實”或“沉浸式多媒體”，是21世紀重要的發展學科，可能是極大改變人們生活的重要技術之一，是一種綜合了計算機圖形學、傳感器技術、人機接口技術以及人工智能技術等多領域成果的新技術，目標是提升人機交互的功能，達到真實的視覺、觸覺、聽覺和嗅覺體驗效果[3]。

與傳統的人機交互模式不同的是，在虛擬現實環境中，通過傳感器與虛擬環境連接，用戶可以對虛擬環境內的物體進行操作，并且產生各種感受，其體驗如同身臨其境。如在虛擬工廠中行走，正處于生產狀態的機器不斷傳來各種聲響;傳送帶輸送的物料不斷往前移動，搬下一件自己所需的工件，感受到沉重;流水線上的發動機移到跟前，安裝上自己工位的組件。虛擬工廠環境如圖1所示。

大量案例證明，VR可以給學習者帶來放松、愉悅、感興趣等積極情緒，激發學習動機[4]。VR技術通過創設逼真的場景，提供動態的交互設置，學習者能高度參與其中，無論是虛擬仿真工廠，還是模擬工作場景，VR技術都能將學習者置身于所需解決問題的情境中。另外，學習者在VR中學習，往往伴隨著角色扮演，被賦予明確的角色，如產品的設計師、生產線上的裝配工、機床的操作工等。學習者尤其是青少年學習者更習慣于這種自我表征方式，能通過角色表達所思、所感，甚至較為容易地切換不同的角色獲取更廣泛的學習體驗。更重要的是，這種學習體驗還會激發學習者的創造力和想象力。

機械行業傳統教學往往受實驗實訓條件限制，教學與真實的情境較為脫節，導致學生知識遷移意識不強、效率低下。VR能實現教學內容和知識的可視化，增強學習的沉浸感，增加師生、生生及學生與環境之間的交互。VR情境學習通過設置真實的工作情境，促進學習的發生，通過提供豐富的感知線索以及多通道（如視覺、觸覺、聽覺等）的反饋，幫助學習者將虛擬情境所學遷移到真實生活中，實現高效、生動、全面的學習。正如周明全教授的觀點：虛擬現實是促進教育變革的重要技術手段[5]。

3 VR在機械行業的應用具有的技術基礎

虛擬制造技術的發展為VR在機械行業的應用奠定基礎? 隨著現代計算機技術的發展，機械行業越來越多的工作內容遷移到軟件系統進行，其集成為虛擬制造技術。這種虛擬制造技術以計算機仿真技術為前提，對產品設計、加工制造等生產過程進行統一建模;在產品設計階段，模擬出未來制造及使用的全過程，從而能夠更有效、更經濟、更柔性靈活地組織生產，以達到產品設計的最優化、開發成本和周期的最小化、生產效率的最高化[6-7]。

機械產品的主體實物屬性使得虛擬設計技術發展十分成熟，三維CAD（計算機輔助設計）軟件系統可簡易、快速、靈活地完成各種模型的建構（包含零件設計及虛擬裝配）;機構仿真CAE（計算機輔助工程）技術讓所設計的機器產品實現可視化的虛擬運動，進而檢測設計的合理性并反饋設計改進;設計完成的產品零件通過CAM（計算機輔助工程）技術編制加工工藝，并通過可視化的模擬加工保證制造的可行性。當前，基于集成化的CAD/CAM/CAE軟件系統完成上述工作越來越大眾化，這些計算機虛擬制造技術為精確制造提供保障，使得機械行業的VR技術發展具有關鍵的技術基礎。

數字化工廠技術和激光掃描技術為場景外設提供幫助? 數字化虛擬制造需要建設工廠環境三維模型，利用軟件系統可以快速地實現三維數字化工廠搭建。如軟件系統Fac-toryCAD，它以AutoCAD為基礎，利用所開發的模型庫，進行參數化定義，在工藝規劃的圖層中將工廠中所需的設備資源進行準確定位即可。此軟件還支持外置設備資源數據庫導入功能，擴充FactoryCAD軟件三維數字化工廠模型庫[8]。

針對特定的工廠環境和標準的工位環境，還可利用激光掃描的方式采集數據并建構環境模型。這種方式建構虛擬模型的效率非常高。激光掃描建模法是采用激光掃描設備對實物模型進行360°掃描，將掃描得到的點云數據進行擬合拼接，然后在輔助設計軟件平臺上依托點云數據建構模型[9]。其流程如圖2所示。

激光掃描模型建構工作不局限于專業的掃描設備，當前甚至發展出手機三維掃描VR技術。如采用前置3D結構光的手機，支持3D物體掃描功能。掃描過程很簡單，如掃描一只熊貓玩偶，保持前置鏡頭距離20～30厘米，然后轉動熊貓玩偶（也可轉動手機），直到完成每個角度的掃描，整個過程在一分鐘以內，合成過程在30秒以內，如圖3所示。這個虛擬的玩偶還支持通過后置AR的形式直接疊加到現實場景中，如圖4所示。VR場景外設通常對精度要求不高，通過上述兩種技術手段已能較好地解決問題。

4 VR應用于機械設計制造教育領域的模式

VR虛擬設計應用教學? 機械設計教學知識覆蓋面廣，相關零部件門類較多、系列規格繁復，教學往往在理論層面進行。這些問題可利用VR技術實現極大改進。VR虛擬設計教學可以分成四個階段。

1）VR虛擬設計開展前，首先建設完整的分門別類的資源數據庫，如典型的工作項目場景模型庫、工藝裝備模型庫、系列標準零部件模型庫。通過搭建完整的、系列的數據資源庫，使零部件資源、設備資源、工藝資源等標準化、模塊化，方便后續的靈活調用。

2）VR機械設計認知階段，使用者進入虛擬庫房，可分門別類地查看各種機構裝置。如進入連桿機構庫房，通過衛星天線裝置、破碎機裝置學習曲柄搖桿機構，還可變更連桿長度演示學習曲柄和搖桿的不同組合;進入擴展子庫房可進一步觀察連桿機構更多的實際應用場景，甚至游戲般的現場操作機構運行。又如進入齒輪機構庫房，直齒輪、斜齒輪、錐齒輪、蝸輪蝸桿等分門別類擺放;進入各子庫房，同類但不同規格的齒輪成系列地展示，觸碰可查看詳細規格參數并可進入相應實際應用場景。通過這種方式能全面且直觀地認知機構。

3）除了認知學習，VR還可非常便捷地開展典型的設計應用學習。如減速器裝拆實訓，牛亞峰[10]、朱金達[11]已在這個項目上完成完整的VR實驗研究，在基于VR技術開發的減速器設計虛擬仿真實驗場景中（見圖5），通過逼真的現場感與實時的交互性，充分調動學生的學習積極性。設計不同類型的減速器VR資源便可指導學生學習各種減速器的設計工作，其他各種機器的設計也可參照這種方式開展。

4）對于復雜的設計工作，需進一步發揮VR技術的優點：可直接進行三維操作對產品模型進行管理，以自然、直觀的方式表達設計概念，通過視覺、觸覺、聽覺等反饋，感知設計模型的幾何屬性、物理屬性與行為表現。在此過程中，完成零部件模型創建、標準件選用、虛擬裝配分析、機構運動仿真等工作，不斷檢驗修改設計缺陷，直至獲得最優設計方案。這種VR技術已在汽車、航空工業得到較多應用，如波音飛機的設計是VR技術應用的早期成功范例。20世紀90年代，設計人員在設計波音飛機時，建立了虛擬飛機的三維模型，使用頭盔顯示器和數據手套進行觀察和控制;通過直接穿行于虛擬的飛機之中，身臨其境般地觀察設計效果。德國大眾公司也推出一套名叫Cave的3D VR展示系統，在Cave系統內，使用者戴上專用眼鏡看到的是汽車內部的三維圖像，從而可以檢測汽車的內部布局（如儀表盤位置和座椅位置）是否合理;甚至還可以控制各種操縱桿，進行虛擬測試[12]。

VR數控加工技能操作應用教學? VR早期的重要應用是飛行員飛行技能培訓，這種技能訓練方式安全性高、成本低、實效好。數控加工也是一種操作性的技能，是VR應用的極佳場合。當前數控加工領域的教學存在兩種典型問題：一是設備較為昂貴，通常難以保證足夠工位進行實操教學訓練;二是編程語言學習和實操訓練通常是分開進行，缺乏連貫性。VR借助較少的硬件和軟件系統，非常容易開展重復性、流程性的學習，因此，利用VR技術能很好地克服上述問題。

當前，已有成熟的虛擬機床模擬訓練系統，如宇龍數控仿真軟件，可以實現機床操作全過程的仿真，而且機床類型豐富，常用數控系統如FANUC、SIEMENS、華中數控等都可選擇。另外，軟件界面友好、操作簡單[13]，如圖6所示。這相當于VR數控加工技能培訓內核系統已擁有成熟的技術，但是當前這些虛擬機床操作方式為“電腦上點擊鼠標”，這種方式缺乏真實感，仍然像在電腦上進行理論學習。附加VR外設系統后，即可變成VR數控加工技能培訓系統，可身臨其境般地進入機加工車間現場操作機床。因此，VR數控加工操作應用教學具有更便利的技術基礎，能更方便地應用實施。

VR虛擬安裝、維修應用教學? 某些特殊領域的機械設備安裝及維修非常適合VR技術的應用，下面介紹幾例。

1）電梯三維虛擬安裝、維修仿真系統。采用VR技術開展虛擬安裝和虛擬維修，可顯著降低電梯安裝和維修培訓的安全風險，解決周期長、成本高的問題[12]。利用計算機輔助設計技術建構三維模型，利用VR技術創設施工作業場景，利用三維動畫渲染技術制作工作過程動畫，編制程序使學習者與虛擬場景中的虛擬對象進行交互式虛擬安裝和虛擬維修。

2）民用航空發動機維修。發動機昂貴、復雜，VR虛擬維修系統可采用Autodesk Maya作為建模工具，構建發動機三維模型和虛擬場景，以Unity3D虛擬仿真軟件作為開發引擎，Microsoft Visual Studio作為程序開發整合平臺，設計一套基于Unity3D的航空發動機虛擬維修仿真系統。這套系統可極大地節省成本，降低維修培訓的難度[14]。

3）其他維修應用領域。世界范圍內，許多國家的航空公司都在進行用于飛機檢測人員培訓的虛擬現實系統的開發，以期提高飛機檢測質量和可靠度的培訓。美國宇航局為執行任務的宇航員建立了虛擬的太空環境，從中完成各種模擬維修活動。哈勃望遠鏡的虛擬維修系統，宇航員經其訓練后，成功完成真實的太空維修任務，這是第一次大規模應用虛擬維修技術并成功完成實際任務。再如洛克希德馬丁公司的F-16戰斗機項目，淘汰了多個金屬實物模型，利用虛擬維修系統進行維修性分析，減少了公司用于培訓員工的費用和周期[15]。

可見，這些高風險、設備貴重、太空復雜環境等特殊場景下，都可通過搭建虛擬場景、建構硬件系統模型、編制操控系統軟件的方式，實現VR的教學應用訓練。

5 VR在機械行業教育應用中面臨的難題

VR系統的集成化? 目前，應用于機械工程的產品設計系統（CAD系統）與VR系統實現了比較好的融合，但與產品開發其他階段的結合相對較差;與工裝夾具設計系統（CAFD）結合較好，但與車間現場生產管理等環節集成程度較低。VR系統的集成化有待進一步提高。

正確處理虛擬與現實的關系? 不管是虛擬現實技術還是虛擬仿真軟件，構造的都是一個虛擬的世界，與現實環境還是存在一定差距的。如虛擬機加工，最終完成加工的工件是否合格，會受很多實際因素影響;虛擬裝配時，是理想模型的裝配，而實際裝配時，零件加工時不可避免的各種偏差需要在裝配中加以修正，需要很強的技術性和經驗性。這些都是VR暫時難以解決的。

VR系統開發的專業性過強? VR系統開發的專業性過強，除了硬件支持外，還需專業的軟件系統支撐。可由專業性的機構開發通用性的培訓學習項目，但覆蓋面難以兼顧;專用性的培訓項目需要有較好的制作平臺，這些都存在大量的工作需要推進。

避免VR教學應用的娛樂化? VR存在較強的娛樂性，當前大量的實用案例是各種游戲體驗，應用于機械行業教學時需要克服娛樂化。

6 結語

VR技術的快速發展帶來新鮮且震撼的科技體驗，如果將其引入機械設計制造教育領域，能克服傳統教學模式的某些不足，合理利用其優勢將會使教學活動更為生動、教學內容更為豐富、教學參與性更強。VR技術有自身缺點，但隨著科技的進步，相信VR能在機械設計制造教育領域發揮重要的輔助作用。

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