虛擬仿真裝配本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探討

（南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 江蘇·南京 211167）

1 問(wèn)題背景

裝配是《機(jī)械制造工藝學(xué)》課程的重要章節(jié)，虛擬裝配或數(shù)字化裝配是現(xiàn)代先進(jìn)裝配技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)涵之一1。以《機(jī)械制造工藝學(xué)》講授的內(nèi)容為基礎(chǔ)，飛行器制造專業(yè)開設(shè)了《飛機(jī)裝配工藝學(xué)》2，船舶工程技術(shù)專業(yè)開設(shè)了《船體裝配工藝學(xué)》3，等等。然而建設(shè)大型結(jié)構(gòu)制造尤其是裝配的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)有如下難題：（1）飛行器、大型船舶艙段等大型制造裝配現(xiàn)場(chǎng)難以復(fù)制使得學(xué)校開展大型裝配實(shí)驗(yàn)沒(méi)有可行性。（2）操作安全性要求使得學(xué)校難以開展裝配實(shí)驗(yàn)。（3）傳統(tǒng)裝配實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綗o(wú)法滿足探究性實(shí)驗(yàn)的要求。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)更多是認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)的基本方法和操作，不允許出現(xiàn)“失敗”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生往往都在正確工藝參數(shù)指導(dǎo)下做重復(fù)實(shí)驗(yàn)，嚴(yán)重影響學(xué)生探索精神，實(shí)驗(yàn)探究性不強(qiáng)4-6。

目前虛擬仿真教學(xué)在各高校廣泛開展7。但針對(duì)虛擬仿真裝配教學(xué)，由于涉及的數(shù)學(xué)知識(shí)與專業(yè)課程較多，實(shí)踐過(guò)程中尚較難針對(duì)本科生開展虛擬仿真裝配教學(xué)，或僅停留在視頻觀看或較為簡(jiǎn)單的操作。針對(duì)上述問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托某型國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，探討了大型結(jié)構(gòu)數(shù)字化裝配的理論知識(shí)及其簡(jiǎn)化講解技巧，基于該系統(tǒng)開展教學(xué)方法與流程設(shè)計(jì)研究，幫助學(xué)生系統(tǒng)地掌握主流先進(jìn)數(shù)字化裝配技術(shù)原理、工藝設(shè)計(jì)方法、實(shí)驗(yàn)分析方法。

2 大型結(jié)構(gòu)數(shù)字化裝配的理論簡(jiǎn)化

在課堂教學(xué)中，首先講解數(shù)字化對(duì)接裝配系統(tǒng)組成，如圖1所示，以及系統(tǒng)運(yùn)行原理，其硬件包括用于大空間三坐標(biāo)測(cè)量的激光跟蹤儀、三坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)定位器、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、大部件等。引導(dǎo)學(xué)生回憶機(jī)械制造工藝學(xué)、線性代數(shù)、機(jī)構(gòu)學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)，并進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)充。應(yīng)該注意，由于實(shí)際裝配的數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化推導(dǎo)方法，從而使理論水平尚淺的本科學(xué)生可較為直觀簡(jiǎn)便地接受大型結(jié)構(gòu)數(shù)字化裝配的理論知識(shí)。在此以大型結(jié)構(gòu)2的調(diào)姿量計(jì)算為例，設(shè)P1，L P3為關(guān)鍵點(diǎn)當(dāng)前坐標(biāo)，P1'，L P3'為關(guān)鍵點(diǎn)理論坐標(biāo)。S1，L S3為球心當(dāng)前坐標(biāo)，給出裝配運(yùn)動(dòng)量計(jì)算步驟如下：

2.1 位姿解算

對(duì)于單點(diǎn)，當(dāng)前坐標(biāo)和理論坐標(biāo)之間有小旋量關(guān)系

圖1：大型結(jié)構(gòu)數(shù)字化裝配原理示意圖

上式中，T為表示矩陣轉(zhuǎn)置，-1表示矩陣求逆。

2.2 姿態(tài)調(diào)整運(yùn)動(dòng)解算

以定位器1為例，在姿態(tài)調(diào)整（不平移）后的球心坐標(biāo)為S1'，根據(jù)式

則運(yùn)動(dòng)量為

定位器2，3與此相同。

上述方程的理解或推導(dǎo)記憶僅需要學(xué)生掌握常規(guī)的線性代數(shù)、機(jī)構(gòu)學(xué)等相關(guān)知識(shí)即可，相對(duì)于大型結(jié)構(gòu)裝配真實(shí)方程大大簡(jiǎn)化，但其核心原理并未改變。

3 虛擬仿真裝配實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與流程

在課堂理論知識(shí)講解的前提下，設(shè)計(jì)裝配仿真教學(xué)應(yīng)用過(guò)程如圖2所示，教學(xué)過(guò)程中的部分界面如圖3所示。仿真教學(xué)主要過(guò)程如下：

（1）大型結(jié)構(gòu)吊裝上架：采用動(dòng)畫模擬技術(shù)，使學(xué)生了解實(shí)際大型結(jié)構(gòu)桁吊上架過(guò)程。

圖2：大型結(jié)構(gòu)虛擬仿真裝配實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

圖3：大型結(jié)構(gòu)數(shù)字化裝配仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)景（部分）

（2）激光跟蹤儀布站：待機(jī)身、機(jī)翼放穩(wěn)之后，點(diǎn)擊激光跟蹤儀，拖動(dòng)到合適的位置，點(diǎn)擊地面，即放置跟蹤儀。（使用WSAD四個(gè)鍵，分別對(duì)應(yīng)前進(jìn)、后退、左移、右移）。由于學(xué)生需要移動(dòng)、抬升激光跟蹤儀，了解激光跟蹤儀基本工作原理與轉(zhuǎn)站原理。

（3）大型結(jié)構(gòu)1（機(jī)身）測(cè)量點(diǎn)尋找與測(cè)量：跟蹤儀放置成功后，點(diǎn)擊操作臺(tái)，控制測(cè)量?jī)x的升降和轉(zhuǎn)向，以找到測(cè)量點(diǎn)靶球，右邊界面上的黃色十字標(biāo)對(duì)應(yīng)上測(cè)量點(diǎn)，右邊的測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)自動(dòng)獲取成功。由于學(xué)生需要在小窗口中尋找機(jī)身部件上的激光靶球，確保可測(cè)量，使學(xué)生了解大尺寸激光測(cè)量的難點(diǎn)（見(jiàn)圖 2）。

（4）大型結(jié)構(gòu)1調(diào)姿計(jì)算與調(diào)姿驅(qū)動(dòng)：當(dāng)大型結(jié)構(gòu)1的四個(gè)點(diǎn)全部測(cè)量完畢后，學(xué)生根據(jù)課堂教授的理論知識(shí)計(jì)算出需要調(diào)整的值，然后在第三個(gè)里面點(diǎn)擊輸入，輸入完畢后點(diǎn)擊“開始調(diào)整”，大型結(jié)構(gòu)1根據(jù)輸入的值做對(duì)應(yīng)調(diào)整。由于學(xué)生需根據(jù)大型結(jié)構(gòu)1靶球點(diǎn)測(cè)量坐標(biāo)計(jì)算大型結(jié)構(gòu)1調(diào)姿運(yùn)動(dòng)量，當(dāng)計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤時(shí)，無(wú)法進(jìn)行調(diào)姿驅(qū)動(dòng)，從而讓學(xué)生運(yùn)用鞏固課堂所學(xué)姿態(tài)與位置的運(yùn)動(dòng)學(xué)解耦知識(shí)，達(dá)到主動(dòng)學(xué)習(xí)的目的。

（5）大型結(jié)構(gòu)2（機(jī)翼）仿真裝配實(shí)驗(yàn)教學(xué)與上述（2）-（4）相同，不再一一介紹。

（6）查看實(shí)驗(yàn)報(bào)告：上述步驟完成后，可點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)報(bào)告”按鈕，系統(tǒng)彈出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，查看報(bào)告并提交。

4 結(jié)論

通過(guò)基于簡(jiǎn)化模型的裝配理論知識(shí)的講解，幫助學(xué)生直觀發(fā)現(xiàn)線性代數(shù)、矩陣論、高等數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)數(shù)學(xué)課程的重要性及價(jià)值。在大型結(jié)構(gòu)數(shù)字化裝配仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)激光跟蹤儀的布站等環(huán)節(jié)，掌握激光跟蹤儀的使用以及測(cè)量過(guò)程等知識(shí)，通過(guò)實(shí)踐培養(yǎng)了學(xué)生知識(shí)的掌握能力；學(xué)生通過(guò)調(diào)姿計(jì)算和驅(qū)動(dòng)，探索機(jī)械設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)學(xué)解耦分析方法，培養(yǎng)了工藝的探索優(yōu)化能力；通過(guò)對(duì)裝配過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行深入分析和實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫，培養(yǎng)了工程問(wèn)題的分析總結(jié)能力。