基于IdeaVR的機床拆裝虛擬仿真教學(xué)探索

李玉勝 董保香 楊振宇

摘要：機械類許多課程需要講解機床結(jié)構(gòu)，但傳統(tǒng)機床拆裝非常不方便，拆裝時間比較長，且危險性比較大，難以復(fù)原，因此借助于虛擬現(xiàn)實，建立三維虛擬拆裝實驗環(huán)境，配合真實的機床拆裝，實現(xiàn)虛實結(jié)合，對于教學(xué)有重要意義，可節(jié)約時間，提高教學(xué)效果，經(jīng)過一段時間的測試，獲得了授課老師與學(xué)生的好評。

關(guān)鍵詞：IdeaVR；虛擬仿真；機床

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）27-0152-02

一、前言

《機械設(shè)計》、《機械制造工藝學(xué)》、《機電裝備制造技術(shù)》等課程，需要對機床結(jié)構(gòu)有深入理解，課程中涉及機床結(jié)構(gòu)的知識比較多而且深，目前的課程教學(xué)一般是課堂講解并結(jié)合實物展示、掛圖、多媒體等輔助手段進行[1]，但機床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單一的教學(xué)手段導(dǎo)致課程內(nèi)容抽象，課堂氛圍單調(diào)煩悶，學(xué)生被動接受知識，很難對知識技能產(chǎn)生興趣，影響學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)以其良好的沉浸性和交互性，若應(yīng)用到課程教學(xué)中，可以將學(xué)生的視覺、聽覺甚至感覺全部調(diào)動起來，給學(xué)生一種身臨其境的感覺，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進行各種操作，增加教學(xué)的直觀性、趣味性和實踐性[2]。

二、IdeaVR介紹

IdeaVR是上海曼恒數(shù)字技術(shù)股份有限公司開發(fā)的全球首款支持異地多人協(xié)同的虛擬現(xiàn)實教育平臺，它支持異地分布式多人協(xié)同工作，能還原真實世界中大型活動的分工協(xié)作狀態(tài)和工作過程，每個參與者戴上頭盔或者立體眼鏡，帶著各自的視角，在同一場景中瀏覽或操作同一物體，共同協(xié)作完成某項復(fù)雜的工作。管理者人員不但可以管理參與協(xié)同工作的每位參與人員，而且還可以看到所有參與者頭盔中的實時場景，從真正意義上滿足了在真實世界中需要跨部門跨區(qū)域的多人協(xié)作需求。IdeaVR軟件平臺提供了場景編輯器、交互編輯器等，使用零編程和圖形化的拖拽操作方式，可以快速搭建虛擬場景，并制定其中的行為和交互邏輯，交互編輯器在很大程度上可以解決VR教學(xué)內(nèi)容制作困難。軟件支持多種虛擬方式，例如G-Cave、I-Wall、L-Wall、V-Wall以及HTC Vive和Oculus Rift等頭盔顯示設(shè)備。充分利用軟件提供的強大的分布式多人協(xié)同功能，可快速構(gòu)建多人協(xié)同工作環(huán)境，讓所有同學(xué)置身于同一個真實的場景中，共同操作同一對象。系統(tǒng)提供語音通訊、白板、PPT播放、答題考試等功能模塊，涵蓋“教、學(xué)、考、練”環(huán)節(jié)。IdeaVR可以通過共享云平臺獲取或分享VR素材資源，可用于教育培訓(xùn)、協(xié)同訓(xùn)練、產(chǎn)品展示和方案評審等方面，可快速將優(yōu)質(zhì)的資源和案例發(fā)布到云平臺進行分享。

三、虛擬環(huán)境組成

虛擬環(huán)境主要包括軟件與硬件兩部分。

軟件包括：常用三維機械CAD軟件Solidworks、UGNX、3DMax（用于轉(zhuǎn)換文件格式）、虛擬現(xiàn)實平臺軟件IdeaVR2.0、遠程控制工具軟件VNC Viewer/Server、工業(yè)攝像機軟件fly capture、多電腦控制軟件input director、位置追蹤軟件G-Motion 3.0等。

硬件包括：紅外光學(xué)跟蹤攝像頭（跟蹤刷新頻率120幀/秒）；Venom-X無線手柄（最遠追蹤距離5米，系統(tǒng)延遲小于10ms）、小間距3D現(xiàn)實系統(tǒng)（像素間距2.5mm、模組尺寸325mm×365mm×144mm，整體尺寸4.55m×2.555m，整體分辨率1792×1008）、光學(xué)位置追蹤系統(tǒng)、3D眼鏡、3臺工作站（分別用于三維模型建立與虛擬環(huán)境渲染、位置跟蹤、支持LED大屏幕）等。

四、虛擬拆裝功能

針對普通機床的結(jié)構(gòu)建立三維建模后，通過3DMax軟件進行文件格式轉(zhuǎn)換后，并導(dǎo)入IdeaVR軟件中，然后利用軟件提供的功能實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實各種所需操作。機床拆裝主要內(nèi)容包括：主軸箱、進給箱、溜板箱、刀架、尾座和床身等結(jié)構(gòu)的拆裝等[3]。拆掉機床外殼后，可以看到機床傳動系統(tǒng)等詳細的內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)模型，看清各檔傳動路線及傳動件的構(gòu)造，模型采用不同顏色表示出各種傳動路線，非常直觀。虛擬現(xiàn)實界面如圖1所示。

在VR系統(tǒng)中實現(xiàn)了普通機床的拆裝及爆炸視圖。利用VR系統(tǒng)漫游，即通過操作輸入設(shè)備，以一定的路徑和視角觀察機床的外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使學(xué)生的視線跟隨攝像機，可以在機床內(nèi)部沿著動力傳遞的路線，反復(fù)觀察傳動系統(tǒng)的機構(gòu)組成與連接情況。采用動畫演示的方式，實現(xiàn)機床傳動系統(tǒng)的運動等操作，把機床關(guān)鍵零部件的有限元分析結(jié)果，采用視頻的方式加入到虛擬環(huán)境中，讓學(xué)生方便地了解關(guān)鍵零部件的受力情況。

實現(xiàn)了多種漫游方式，包含自由查看（通過六維鼠標自由控制在場景中的移動和視角）、重力查看（在自由查看的基礎(chǔ)上，模擬帶重力的視角移動，但被限制在一個平面上移動）、孤立對象查看（選擇某個物體后，只查看該物體，其他物體全部被隱藏）。實現(xiàn)了機床結(jié)構(gòu)的多視角查看（調(diào)整視角位置，按確認鍵會記錄當前視角）?？刹榭锤鞣N標注（查看當前場景中在編輯器創(chuàng)建的標注信息），對復(fù)雜結(jié)構(gòu)實現(xiàn)各種剖切（查看當前場景中的剖切視圖，使用操作器可以調(diào)整剖面的位置和角度）。

在手柄的支持下，可對任意部件操作，包括部件移動（手柄拾取物體后可以自由擺放該物體）、部件隱藏/顯示（手柄選擇物體后可以控制隱藏或顯示的狀態(tài)擇一個需要隱藏的物體，按確定鍵，物體被隱藏）、部件歸位（所有物體回到初始狀態(tài)的位置）等。

在虛擬的環(huán)境中播放錄制好的軌跡動畫，可隨時在虛擬場景中進行自由繪制，記錄下注解和標記等。通過GMotion手柄實現(xiàn)了虛擬裝配，包括解析裝配模型、定義裝配順序、隱藏場景中待裝配的模型等操作。

五、教學(xué)效果

基于IdeaVR的機床虛擬拆裝教學(xué)項目實施了一年，共120人，分12批次每批10人進行。有的學(xué)生反映感到很震撼，表示對機床的結(jié)構(gòu)有了深入理解。有的學(xué)生反映，虛擬現(xiàn)實很新穎，那種感覺意想不到，機床零部件的感覺非常真實，可以把任何一個零件移動到觸手可得的地方，仔細觀察，任意翻轉(zhuǎn)，非常真實。有的同學(xué)表示，如果學(xué)校向我們提供此類的應(yīng)用，一定會喜歡它，它能夠把寓教于樂、寓學(xué)于趣結(jié)合在一起。也有的同學(xué)表示以前沒體驗過虛擬現(xiàn)實應(yīng)用，戴上眼鏡后感到眩暈?？傊^大多數(shù)同學(xué)喜歡虛擬現(xiàn)實應(yīng)用，因為互動性很強，在學(xué)習(xí)中給自己帶來很多樂趣。

六、結(jié)束語

利用三維虛擬現(xiàn)實優(yōu)秀的沉浸性和交互性，擺脫了學(xué)生過度依賴課本及實物的現(xiàn)實，突破了傳統(tǒng)的教學(xué)方法，實現(xiàn)了將課堂從“二維”擴展到“三維”，從靜態(tài)擴展到動態(tài)，學(xué)生從被動式學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)變?yōu)榛邮綄W(xué)習(xí)，有效地幫助學(xué)生理解教學(xué)內(nèi)容，最大限度地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)其動手能力和創(chuàng)新能力，使教學(xué)內(nèi)容更加逼真形象，教學(xué)過程更加生動靈活。

參考文獻：

[1]史翠蘭.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機床夾具課程中的應(yīng)用于實現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017，（22）：63-65.

[2]于鳳麗.機床拆裝方法和技巧的研究[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2018，44（2）：63-64.

[3]陳修祥，王澤，孫奎洲.機械設(shè)計課程教學(xué)改革——機床拆裝項目教學(xué)[J].江蘇技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2012，18（4）：120-123.