VR技術(shù)在高職機械制造專業(yè)中的應(yīng)用探索

賀娟

摘 要：VR（virtual reality）技術(shù)是通過計算機模擬出與現(xiàn)實一致的場景，生成一種交互式的三維動態(tài)視景，從而實現(xiàn)主體在虛擬環(huán)境中的仿真體驗?；谔摂M技術(shù)的特點與優(yōu)勢，一方面，可以避免傳統(tǒng)機械制造專業(yè)中設(shè)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(fù)修改，節(jié)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(shù)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(fā)創(chuàng)造思維，實現(xiàn)“人-人”互動、“人-機”互動的現(xiàn)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(yè)提供更多優(yōu)質(zhì)人才。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù);高職;機械制造

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

基于VR技術(shù)的前景與優(yōu)勢，我們將討論其在機械制造專業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)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(shù)能夠很好地實現(xiàn)兩者的有機結(jié)合，一方面，老師可以一面講解，一邊呈現(xiàn)虛擬的場景，實現(xiàn)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(xiàn)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(shè)備、原件、材料的耗損，通過虛擬演練，適當規(guī)避實際制造過程中的風險，節(jié)約教學成本，提高學習效率。

一、機械制造教學現(xiàn)狀分析

由于傳統(tǒng)的機械制造專業(yè)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(shù)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(yè)教育的發(fā)展，職業(yè)學院響應(yīng)號召擴大招生規(guī)模，學生基數(shù)劇增，使得教學資源嚴重吃緊，如模具數(shù)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(yè)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(shè)置，也不利于學生未來的專業(yè)發(fā)展。

（二）從實訓廠房設(shè)備的角度來看

目前，大部分職業(yè)院校都建立了實訓基地，這需要大面積場地、建設(shè)實訓樓房、購買機械制造設(shè)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(jīng)費投入。而且，一些大型設(shè)備，如減速器、軸承、機械手、離合器、制動器、聯(lián)接等原材料在長期的使用過程中由于不當?shù)夭僮?、時間因素、突發(fā)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(yè)的深入發(fā)展。

此外，校內(nèi)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(chǎn)環(huán)節(jié)，也不熟悉各個崗位的工作具體要求，現(xiàn)實企業(yè)的“設(shè)計要求、生產(chǎn)質(zhì)量、成本控制、出貨日期、跟蹤服務(wù)”等無法得到有效的展現(xiàn)，因此，學生無法體驗到一種真實的工作環(huán)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(yè)授課老師們的專業(yè)水平都有了普遍的提高，甚至有不少的研究生來承擔專業(yè)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(yè)工作過，因此，缺乏一定的應(yīng)用技能和與市場接軌的工作經(jīng)驗，無法了解企業(yè)需要的真正技能人才。

（四）傳統(tǒng)數(shù)控仿真軟件的缺陷

當前，有些高職院校采用數(shù)控仿真軟件來模擬機床操作，如菲克、宇航等，這些數(shù)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(chǎn)出的工藝品劣品較多，也無法驗證加工結(jié)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(shù)的特征概述

（一）沉浸感（Immersion）

VR技術(shù)根據(jù)人類的視覺、聽覺的生理心理特點，在計算機操作系統(tǒng)中產(chǎn)生逼真的三維立體圖像，使用者通過交互設(shè)備，如頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、鼠標、鍵盤等來接受信息，將自己置身于虛擬環(huán)境中，學生們可以與虛擬環(huán)境中的機械工具進行互動，就如同現(xiàn)實世界一樣。這一特征明顯區(qū)別于三維仿真技術(shù)和3D影視技術(shù)，實現(xiàn)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(shè)計、元件組裝等工藝過程，達到身臨其境的效果。

（二）構(gòu)想性（Imagination）

在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中裝有視覺、觸覺、聽覺的傳感電子元件及反應(yīng)裝置， 因此使用者在虛擬環(huán)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(shè)計、機床操作和維修等上對學習內(nèi)容的感知程度、認知程度，將虛擬現(xiàn)實與真實現(xiàn)實的環(huán)境實現(xiàn)良好的結(jié)合，從而使學生深化概念認識和產(chǎn)生新的聯(lián)想，使抽象概念具體化，激發(fā)人的創(chuàng)造性思維。

（三）交互性（Interaction）

虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的人機互動遠超其它的人機互動系統(tǒng)，更為逼真和接近自然的環(huán)境。使用者可以通過電腦鍵盤、鼠標、VR眼鏡、VR數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣、手機等設(shè)備進行信息的輸入和輸出的傳感設(shè)備進行交互。計算機中VR技術(shù)系統(tǒng)能根據(jù)使用者的頭、手、眼、耳、語言及身體姿勢來調(diào)整系統(tǒng)呈現(xiàn)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(huán)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(shù)的這三大特征與機械制造結(jié)合起來，可以有效地調(diào)動使用者的多個感覺器官參與機械設(shè)計、原件制作和機械操控，充分實現(xiàn)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(shù)的創(chuàng)造性應(yīng)用

VR技術(shù)在機械制造領(lǐng)域中實際應(yīng)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(shù)、高性能計算機、高速網(wǎng)絡(luò)、先進設(shè)備等支持下，配合計算機群組協(xié)同工作，把制造產(chǎn)品的流程與技術(shù)集成在三維的、動態(tài)的數(shù)字模型之上，高效建模，實現(xiàn)產(chǎn)品的精確制造和加工。

（一）機械制造的虛擬概念設(shè)計

學生可以利用VR技術(shù)按照圖紙要求來設(shè)計一個虛擬的產(chǎn)品，分析和檢查產(chǎn)品的設(shè)計是否符合尺寸、大小、性能、質(zhì)量等要求，如果發(fā)現(xiàn)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(shè)計，這節(jié)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(huán)境下設(shè)計和修改不同的產(chǎn)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(shè)計和表達的思路更加清晰明了，強化學生的設(shè)計理念和對概念的理解，也給學生們呈現(xiàn)出一個更加形象、生動地標本。

（二）機械制造的虛擬設(shè)計

在三維的虛擬環(huán)境中能夠?qū)Ξa(chǎn)品進行觀察、操作和設(shè)計，將VR技術(shù)引入到CAD作圖環(huán)境中，這種虛擬環(huán)境中設(shè)計出來的產(chǎn)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?？梢岳锰摂M技術(shù)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(shè)計是否合理等，避免了出廠產(chǎn)品的質(zhì)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(huán)境中準備好圖紙、工藝卡，根據(jù)工單任務(wù)領(lǐng)料，調(diào)試好夾具，上好刀具，查驗設(shè)備有無故障，在這個過程可以通過同學們自檢、互檢相結(jié)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(chǎn)。在正式操作過程中，要注意工件防護、現(xiàn)場設(shè)備維護、規(guī)范自己的操作流程等。在生產(chǎn)流程結(jié)束后，需辦理轉(zhuǎn)序手續(xù)，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(huán)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(huán)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(xiàn)了情境學習和知識遷移等。

（四）機械制造的虛擬測試

在產(chǎn)品生產(chǎn)出來之后，要考查產(chǎn)品的性能、質(zhì)量是否達標。通過VR觀察模型的系統(tǒng)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(chǎn)品的組裝和試用就發(fā)現(xiàn)是否存在問題。這樣以便在計算機上進行調(diào)整和修改，生成新的模型，保證產(chǎn)品質(zhì)量符合客戶要求，避免產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的瑕疵。

五、總結(jié)

VR技術(shù)在機械制造專業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用是一種歷史趨勢，它將從根本上改變機械制造和設(shè)計的傳統(tǒng)模式。將VR技術(shù)引進機械制造專業(yè)的課堂教學中，在生產(chǎn)系統(tǒng)和工藝過程中進行建模、修改、分析及優(yōu)化將會節(jié)約人力、物力成本，為學校的持續(xù)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(yè)學院，貴州 貴陽 550000）