機械專業(yè)數(shù)字化虛擬制造實驗平臺開發(fā)的研究與實踐

高興軍GAO Xing-jun；孫鐵SUN Tie；鄧子龍DENG Zi-long；晏永飛YAN Yong-fei

（①遼寧石油化工大學(xué)機械工程學(xué)院，撫順 113001；②遼寧石油化工大學(xué)發(fā)展規(guī)劃處，撫順 113001）

（①School of Mechanical Engineering，Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun 113001，China；②Development Planning Department of Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun 113001，China）

0 引言

機械類課程設(shè)置實踐環(huán)節(jié)，由于其實踐性比較強，實驗教學(xué)多，可以很大程度的提高學(xué)生的動手能力和工程意識。過去的實驗都是首先準備好實驗設(shè)備，然后由學(xué)生按照操作完成實驗內(nèi)容，且大多是在實驗室中進行的。遼寧石油化工大學(xué)機制專業(yè)開設(shè)了機械制造技術(shù)基礎(chǔ)以及機械CAD/CAM 等課程，從不同角度向?qū)W生介紹傳統(tǒng)制造以及現(xiàn)代制造技術(shù)知識。目前存在的問題是缺乏先進制造技術(shù)配套的實驗環(huán)節(jié)，授課局限于黑板教學(xué)。由于現(xiàn)代制造裝備種類繁多，范圍廣泛，尤其如模具、夾具等形狀復(fù)雜、涉及大量空間曲面的研究，從設(shè)計到加工乃至裝配的各個環(huán)節(jié)如果沒有較為直觀、先進的教學(xué)手段，很難取得好的教學(xué)效果。另一方面，鑒于模具、夾具等種類的多樣性、時變性，這一問題不可能通過購置或制作一批模具實物作為實驗手段予以解決。通過建立虛擬制造裝備實驗平臺可以有效的解決在教學(xué)中可能會遇到的一些問題，比如實驗場地不足、設(shè)備陳舊、消耗原材料和刀具等問題，更有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，同時虛擬制造實驗平臺的設(shè)置也能夠很大程度上的節(jié)約教育成本，因為它不僅可以幫助實現(xiàn)教育資源共享，也有利于精品課程網(wǎng)絡(luò)化。

1 虛擬制造技術(shù)研究現(xiàn)狀

近年來，有一項新技術(shù)開始走進人們的視野，那就是虛擬制造技術(shù)，它能夠形成一個三維視覺、聽覺和觸覺環(huán)境，用戶只要通過系統(tǒng)提供的人機對話工具，就可以實現(xiàn)和虛擬環(huán)境中的物體進行交互操作，就好像到了一個真實的環(huán)境中，這個平臺是以計算機應(yīng)用為基礎(chǔ)，各種先進技術(shù)結(jié)合起來的產(chǎn)物，比如圖像技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及人機對話技術(shù)等[1]。其實在過去的很多年里，人們都一直希望打破原有的、呆板的數(shù)字化方式，想象著如果我們的信息環(huán)境是圖文并茂、繪聲繪色的，就好像真實生活中的某個場景，如果是這樣我們就可以用自己的感覺感官來接受和處理各種信息，并在這個過程中形成自己的認識。正是由于有著這種現(xiàn)實需求，才讓原本在1968年就誕生的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在近幾年來越來越受歡迎，甚至被認為是影響未來的主要科技手段之一。虛擬實驗室的概念是由美國弗吉尼亞大學(xué)的William Wolf 教授在1989年首次提起的，指一個計算機網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗室環(huán)境?，F(xiàn)階段，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域已取得了許多成功的應(yīng)用。

隨著社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，社會對人才的要求也越來越高，要求各高校必須培養(yǎng)出更多的高素質(zhì)創(chuàng)新人才。但現(xiàn)有的教育模式是傳統(tǒng)的“填鴨式”的教育模式，學(xué)生沒有學(xué)習(xí)積極性，高校很難培養(yǎng)出學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，不能滿足現(xiàn)實社會的需求。在這種形勢下，虛擬制造實驗平臺就應(yīng)運而生了，該平臺在過去主要用于機械和電子產(chǎn)品的研制和開發(fā)領(lǐng)域，但是現(xiàn)階段在教育領(lǐng)域也發(fā)揮著重要的作用。因為虛擬制造實驗平臺可以為學(xué)生制造一個好像真實場景的虛擬環(huán)境，學(xué)生們好像身臨其境，然后再結(jié)合真實現(xiàn)場實訓(xùn)教學(xué)，教學(xué)效果一定會大大提升。

2 虛擬制造實驗平臺建設(shè)意義

利用虛擬技術(shù)創(chuàng)建機械制造實驗平臺將對探索、發(fā)展現(xiàn)代機械制造的教育思想、改善實驗實訓(xùn)環(huán)境、優(yōu)化教學(xué)過程，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的人才產(chǎn)生深遠的影響[2]。利用虛擬制造技術(shù)創(chuàng)建機械制造實驗平臺可以解決由于實驗場所比較特殊，不能進入的問題，比如一些不可視、不可摸、不可入、有危險性的實驗場所，還可以解決一般高校都會存在的設(shè)備陳舊的問題。

綜合運用多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，避免采用極其昂貴設(shè)備的實物仿真方案，能充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術(shù)的集成性、控制性和交互性的特點，以培養(yǎng)具有獨創(chuàng)性的綜合能力訓(xùn)練內(nèi)容，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中學(xué)習(xí)目的明確，學(xué)習(xí)興趣濃厚，通過虛擬制造實驗平臺提高學(xué)生自主創(chuàng)新設(shè)計能力，使學(xué)生獲得基本的創(chuàng)新素質(zhì)和創(chuàng)新能力[3]。

如果在教學(xué)中，采用虛擬制造實驗平臺，教學(xué)效果一定會得到大大的提升，因為通過建設(shè)虛擬制造實驗平臺，學(xué)生可以在教學(xué)的過程中隨時進行虛擬實驗，讓理論和實踐及時的得到同步，學(xué)生對所學(xué)知識也會更加的深刻。另外學(xué)生也可以在虛擬實驗室里操作虛擬儀器，不管是儀器的故障檢測和維修，還是各種虛擬系統(tǒng)的連接和組裝等，都可以在虛擬實驗室里進行，并且不會發(fā)生儀器的損壞現(xiàn)象，更不會因為場地等原因而受到限制，如果沒有得到滿意的結(jié)果，可以一直進行實驗，直到滿意為止，最重要的是虛擬實驗室不會發(fā)生人身事故。

除了上述功能，虛擬制造實驗平臺還具有更多的功能，比如網(wǎng)絡(luò)功能，它可以實現(xiàn)遠程教育培訓(xùn)，采用寬帶方式進行數(shù)據(jù)的傳送，在局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)上都可以進行雙向互動的遠程教學(xué)功能。并且虛擬制造實驗平臺還具備答卷保存、自動評分、成績查詢和分析等功能，輕松實現(xiàn)無紙化的考核與測評。

3 虛擬制造實驗平臺建設(shè)內(nèi)容

對現(xiàn)有的教學(xué)及實驗設(shè)備進行綜合開發(fā)利用，結(jié)合遼寧石油化工大學(xué)實驗中心已有的實驗設(shè)備，建立虛擬實驗平臺，運用基于幾何建模和圖像相結(jié)合的建模方法，采用虛物實化、實物虛化、虛實結(jié)合、增強現(xiàn)實的方法，可建立基于圖像的真實感強的具有物理屬性機械產(chǎn)品模型。

3.1 虛擬平臺系統(tǒng)框架設(shè)計 本部分包括系統(tǒng)規(guī)劃、系統(tǒng)數(shù)據(jù)流過程設(shè)計、供求分析、開發(fā)手段選擇等，開發(fā)零部件數(shù)據(jù)庫。項目組設(shè)計虛擬制造平臺的系統(tǒng)框架，研究系統(tǒng)所需資源及系統(tǒng)開發(fā)手段及方法，創(chuàng)建系統(tǒng)虛擬平臺所需的零部件庫。利用設(shè)計軟件模擬實際零件模具的制造裝配、零件的機械加工過程及產(chǎn)品的拆裝過程，建立可實現(xiàn)人機交互的網(wǎng)絡(luò)精品課程的虛擬加工及裝配資源。

3.2 虛擬制造實驗平臺建設(shè) 本部分包括界面設(shè)計、內(nèi)核設(shè)計、通訊設(shè)計、各模塊設(shè)計以及虛擬加工過程設(shè)計等。界面設(shè)計和實現(xiàn)，包括虛擬制造實驗平臺的運行界面和軟件安裝界面的設(shè)計和實現(xiàn)；實驗平臺建立虛擬制造所需的各模塊，確定虛擬加工過程的各參數(shù)，建立機械加工系統(tǒng)和參數(shù)化選擇。增加實驗平臺的互動性和參與性，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對學(xué)生學(xué)習(xí)過程產(chǎn)生積極的引導(dǎo)作用。

3.3 虛擬制造實驗平臺測試以及評價系統(tǒng) 本部分包括平臺各種測試、建立典型零件庫、與平臺的通訊鏈接和測試、建立配套的評價系統(tǒng)。評價系統(tǒng)具有自動打分功能，包括虛擬實驗過程及結(jié)果測試在內(nèi)的綜合評價單元；測試項目的內(nèi)容是可以靈活更改的，教師可以通過終端服務(wù)器對項目的內(nèi)容進行修改。

4 虛擬制造實驗平臺開發(fā)研究的實施方法

采用虛擬制造實驗平臺，可以有效的把虛擬實驗和實物實驗有機的結(jié)合起來，把“理論準備→實物實驗”模式為“理論準備→虛擬實驗→實物實驗→拓展創(chuàng)新模式”，形成循序漸進、虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式，按照從理論到實踐、從虛擬到實物、從基本實驗到綜合創(chuàng)新設(shè)計實驗的漸進過程，逐步培養(yǎng)學(xué)生的實踐技能和創(chuàng)新能力。

在前期工作基礎(chǔ)上，進行調(diào)研和論證。認真總結(jié)機械制造課程改革的經(jīng)驗和存在的問題，到兄弟院校進行調(diào)研，學(xué)習(xí)其機械制造理論和實踐課程的培養(yǎng)模式、培養(yǎng)途徑和手段、教學(xué)建設(shè)和改革等方面的先進經(jīng)驗，學(xué)習(xí)虛擬實驗平臺建立的方法及注意事項。以培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)為內(nèi)涵建設(shè)的主要內(nèi)容，結(jié)合學(xué)校人才培養(yǎng)實際，進行廣泛論證，完善新形勢下應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。

對虛擬制造實驗平臺進行重點建設(shè)，建立虛擬平臺系統(tǒng)框架設(shè)計，準備虛擬平臺的軟硬件設(shè)施，設(shè)置其與虛擬平臺連接方式。全面組織實施虛擬制造實驗平臺的建立，搭建模具虛擬平臺和數(shù)控虛擬機床；建立虛擬平臺所需各典型零件庫，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，并通過計算機構(gòu)建一個與實物同樣的3D 零件或3D 機床，采用Pro/E 建模，將各種數(shù)控設(shè)備和產(chǎn)品進行虛擬化；建立虛擬制造平臺的各種測試，建立典型零件庫以及與平臺的通訊鏈接和測試。建立配套的評價系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

虛擬制造仿真實驗教學(xué)手段的應(yīng)用，其先進性不僅體現(xiàn)在技術(shù)手段上，更重要的是關(guān)注教學(xué)設(shè)計理念與教學(xué)質(zhì)量。無疑，虛擬設(shè)計與制造等先進的技術(shù)改變了教學(xué)環(huán)境與教學(xué)手段，學(xué)生可以在仿真的環(huán)境下完成實驗，教師能夠方便地查閱學(xué)生的實驗情況與評判實驗結(jié)果。更關(guān)鍵的是教學(xué)中設(shè)計思想的先進性，虛擬制造仿真實驗教學(xué)為學(xué)生提供各種豐富翔實的教學(xué)資源，各取所需，提供開放的實驗空間，能真正滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生學(xué)在其中，樂在其中，達到良好的教學(xué)效果。同時也會提高學(xué)生的創(chuàng)新意識，有力地推動地方院校機械專業(yè)實驗教學(xué)內(nèi)容與實驗教學(xué)方法的深刻變革。

[1]王會.虛擬設(shè)計與制造在機械專業(yè)實驗教學(xué)改革中的應(yīng)用[J].職業(yè)時空，2012,8(6):117-120.

[2]曾文忠.論機械設(shè)計與制造專業(yè)教學(xué)中虛擬資源的開發(fā)利用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2011,8(19):181.

[3]蔡衛(wèi)國.虛擬仿真技術(shù)在機械工程實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2011,28(8):76-82.