虛擬仿真在鑄造實(shí)訓(xùn)課程中的應(yīng)用

◆雷 曉 陳勁松

虛擬仿真在鑄造實(shí)訓(xùn)課程中的應(yīng)用

◆雷 曉 陳勁松

（江蘇海洋大學(xué)工程訓(xùn)練中心 江蘇 222005）

本文針對(duì)鑄造實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)場(chǎng)地小、設(shè)備少、教學(xué)內(nèi)容單1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境危險(xiǎn)等現(xiàn)狀，提出了基于3D虛擬引擎-Unity3D構(gòu)建一套包含多種鑄造工藝的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，使學(xué)生在三維虛擬環(huán)境中掌握鑄造工藝相關(guān)知識(shí)及流程，擺脫實(shí)訓(xùn)設(shè)備和空間的限制，同時(shí)避免因誤操作引起的人身安全隱患。利用虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鑄造實(shí)訓(xùn)教學(xué)的創(chuàng)新，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高課堂質(zhì)量。

鑄造工藝；虛擬仿真；教學(xué)改革

1 引言

鑄造作為制造業(yè)的基礎(chǔ)，從建筑五金、電器、汽車、機(jī)床、風(fēng)力發(fā)電、航空、航天到人們的日常生活等各行各業(yè)都離不開鑄件[1]。鑄造實(shí)訓(xùn)課程是高等工科院校實(shí)踐教學(xué)的重要課程，是為本科生提供學(xué)習(xí)工藝知識(shí)、提高動(dòng)手能力、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)的實(shí)踐性基礎(chǔ)課程[2]。

如今大部分高校的鑄造工藝教學(xué)手段依然是通過播放鑄造相關(guān)的教學(xué)視頻和演示文稿進(jìn)行理論講解，很難激起學(xué)生的求知興趣，與時(shí)代發(fā)展脫節(jié)[3]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠建立起沉浸式的環(huán)境來(lái)提高學(xué)習(xí)體驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生的參與性和互動(dòng)性，已經(jīng)成為高等學(xué)校教育教學(xué)改革的重要內(nèi)容[4]。本文提出開發(fā)一套包含多種鑄造工藝的虛擬仿實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，構(gòu)建一個(gè)逼真的虛擬實(shí)驗(yàn)室，使學(xué)生在虛擬的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中進(jìn)行多種鑄造工藝的交互操作，掌握鑄造相關(guān)知識(shí)和工藝流程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

2 鑄造實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)用虛擬仿真系統(tǒng)的構(gòu)成

本文將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與鑄造工藝相關(guān)知識(shí)進(jìn)行結(jié)合，通過三維建模、3Dmax模型渲染等、Unity3D整合開發(fā)，將多種鑄造工藝過程轉(zhuǎn)變?yōu)橐惶卓梢栽陔娔X上運(yùn)行的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。學(xué)生在電腦端進(jìn)入虛擬的實(shí)驗(yàn)室，通過動(dòng)手操作各鑄造工藝過程進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，突破了教學(xué)場(chǎng)地和教學(xué)內(nèi)容的限制，避免了真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程中因錯(cuò)誤操作或者意外帶來(lái)的各種危險(xiǎn)。

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為：教師賬號(hào)登錄和學(xué)生賬號(hào)登錄兩種模式。

2.1 教師賬號(hào)登錄

打開系統(tǒng)后，選擇教師登錄模式，教師輸入工號(hào)姓名即可進(jìn)入系統(tǒng)的鑄造工藝教學(xué)和數(shù)據(jù)管理模塊，兩個(gè)模塊功能詳述如下：

（1）鑄造工藝教學(xué)包含教學(xué)資源和教學(xué)演示兩部分。

教學(xué)資源：系統(tǒng)包含砂型鑄造、金屬型鑄造、熔模鑄造、離心鑄造、壓力鑄造、殼型鑄造六種鑄造工藝的相關(guān)知識(shí)以及應(yīng)用背景。以演示文稿或者教學(xué)視頻的形式呈現(xiàn)。

教學(xué)演示：教師佩戴主動(dòng)式3D眼鏡和操作手柄在虛擬的實(shí)驗(yàn)室完成鑄造工藝流程，學(xué)生佩戴主動(dòng)式3D眼鏡觀看老師的全部操作過程，加深對(duì)各種鑄造工藝流程的直觀認(rèn)知。

（2）數(shù)據(jù)管理包含用戶管理以及數(shù)據(jù)備份

用戶管理：教師導(dǎo)入上課的學(xué)生班級(jí)名稱以及學(xué)生名單信息，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)名單信息判斷學(xué)生是否可以成功登入系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)備份：在這里主要是教師對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)和實(shí)訓(xùn)成績(jī)進(jìn)行備份。

2.2 學(xué)生賬號(hào)登錄

打開系統(tǒng)后，選擇學(xué)生賬號(hào)登錄界面輸入包含姓名，班級(jí)，學(xué)號(hào)等信息即可進(jìn)入系統(tǒng)的鑄造工藝自主學(xué)習(xí)模塊。鑄造工藝自主學(xué)習(xí)模塊主要包含交互學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)記錄、實(shí)訓(xùn)操作、實(shí)訓(xùn)記錄四個(gè)部分。

（1）交互學(xué)習(xí)和學(xué)習(xí)記錄

學(xué)生佩戴HTC Vive頭盔套件或者佩戴主動(dòng)式3D眼鏡以及操作手柄進(jìn)入交互學(xué)習(xí)模式，在語(yǔ)音和文字信息的輔助下完成鑄造工藝的交互學(xué)習(xí)。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄學(xué)生操作的每一個(gè)步驟的錯(cuò)誤次數(shù)，用以記錄學(xué)習(xí)成績(jī)等級(jí)。學(xué)習(xí)成績(jī)等級(jí)按照優(yōu)秀、及格和不及格劃分。操作完成后學(xué)生可以在學(xué)習(xí)記錄里查看學(xué)習(xí)成績(jī)等級(jí)。

（2）實(shí)訓(xùn)操作和實(shí)訓(xùn)記錄

只有交互學(xué)習(xí)成績(jī)及格后才能進(jìn)入實(shí)訓(xùn)操作。實(shí)訓(xùn)操作是指在沒有語(yǔ)音及文字輔助下完成整個(gè)工藝流程的交互操作。操作完成后學(xué)生即可在實(shí)訓(xùn)記錄里查看實(shí)訓(xùn)成績(jī)等級(jí)，并進(jìn)行下載存檔。

3 鑄造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本文在江蘇海洋大學(xué)工程訓(xùn)練中心現(xiàn)有的砂型鑄造實(shí)踐課程的基礎(chǔ)上，利用SolidWorks、3Dmax、Unity3D等軟件開發(fā)一套包含多種鑄造工藝的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

3.1 3D建模及模型處理

本文使用Solidworks建模軟件對(duì)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中所有物體進(jìn)行3D建模，并將所有模型零件保存為STL格式文件。建模完成后，對(duì)模型做如下處理：

（1）將所有模型零件導(dǎo)入3Dmax軟件進(jìn)行設(shè)置材質(zhì)。

（2）利用3Dmax軟件的貼圖功能，將經(jīng)PS軟件處理后的實(shí)物圖片附著于模型的材質(zhì)上，并進(jìn)行渲染。

（3）將包含模型、材質(zhì)、貼圖以及渲染信息的模型文件保存為FBX格式，以便在Unity3D軟件里進(jìn)行場(chǎng)景布局。

3.2 交互設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

交互設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)教師和學(xué)生與虛擬仿真系統(tǒng)互動(dòng)的關(guān)鍵，本文采用Unity3D開發(fā)引擎實(shí)現(xiàn)鑄造虛擬仿真系統(tǒng)的交互設(shè)計(jì)。在Unity3D中，交互設(shè)計(jì)主要是通過編程腳本實(shí)現(xiàn)。Unity3D開發(fā)引擎支持C#，JavaScript以及Boo等多種編程語(yǔ)言。本文選用C#進(jìn)行腳本編程。通過對(duì)鼠標(biāo)、鍵盤以及操作手柄等外部交互設(shè)備的程序接口進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)人在虛擬實(shí)驗(yàn)室的一系列交互行為。實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的外部設(shè)備：

（1）利用計(jì)算機(jī)（HPC）和HTC Vive頭盔、定位系統(tǒng)以及操作手柄等外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。在Unity3D提供HTC Vive開發(fā)接口，通過編程實(shí)現(xiàn)操作者利用控制手柄在虛擬實(shí)驗(yàn)室中的交互操作[5]。操作者佩戴Vive頭盔套件進(jìn)入虛擬的鑄造實(shí)驗(yàn)室中，通過轉(zhuǎn)動(dòng)頭部調(diào)整視角，通過手柄上的控制按鈕實(shí)現(xiàn)抓取砂箱、放置模具、造型、合箱等一系列砂型鑄造工藝步驟。

（2）由3D LED大屏、6個(gè)紅外光學(xué)跟蹤攝像頭、一臺(tái)核心跟蹤電腦、主動(dòng)式3D眼鏡和操作手柄（附帶光學(xué)反射點(diǎn)）等部件組成的G-Motion光學(xué)位置追蹤系統(tǒng)。G-Motion光學(xué)位置追蹤系統(tǒng)的工作原理是：高精度紅外攝像頭將從3D眼鏡和操作手柄上捕獲的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋給核心跟蹤電腦，電腦內(nèi)置G-Motion Track軟件通過計(jì)算數(shù)據(jù)，確定交互設(shè)備在虛擬實(shí)驗(yàn)室中的位置以及交互設(shè)備與虛擬物體的交互關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)人在虛擬實(shí)驗(yàn)室中的交互操作。

3.3 系統(tǒng)發(fā)布

最后，利用Unity3D開發(fā)引擎進(jìn)行資源的整合以及系統(tǒng)的搭建。Unity3D支持如Web Player、PC、安卓以及IOS等多個(gè)平臺(tái)。本文將鑄造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)發(fā)布為PC版本，依托江蘇海洋大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中心實(shí)施教學(xué)。操作者可以選擇兩種方式進(jìn)行教學(xué)，一種是通過佩戴HTC Vive頭盔套件在高性能計(jì)算機(jī)上完成虛擬仿真系統(tǒng)的交互操作。另一種是通過佩戴3D主動(dòng)式眼鏡和手持式G-Motion操作手柄在3DLED大屏前完成交互操作。

4 小結(jié)

在對(duì)高校工程訓(xùn)練中鑄造工藝實(shí)訓(xùn)課程的現(xiàn)狀進(jìn)行分析后，提出了構(gòu)建鑄造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的方案。采用鑄造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)不僅可以系統(tǒng)地將文字、語(yǔ)音、視頻等教學(xué)資料以及虛擬交互很好結(jié)合起來(lái)，提高實(shí)訓(xùn)的效率。還可以使學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)多種鑄造工藝的知識(shí)背景、應(yīng)用及其工藝流程，認(rèn)識(shí)鑄造相關(guān)的儀器設(shè)備，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，開拓學(xué)生的視野。利用虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)鑄造實(shí)訓(xùn)教學(xué)的創(chuàng)新，提高課堂質(zhì)量，又可以極大的降低實(shí)訓(xùn)成本，為學(xué)生提供更加安全的實(shí)訓(xùn)環(huán)境。

[1]邢雪松.鑄造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景探究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（16）：30.

[2]葛升平，羅鳳利，都維剛，徐靖，韓志民，李光輝.鑄造工程訓(xùn)練的教學(xué)研究與探討[J].民營(yíng)科技，2016（12）：235.

[3]薛春江，徐文利.創(chuàng)新背景下的高校工程訓(xùn)練鑄造工藝教學(xué)改革研究及其實(shí)踐[J]. 中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2018，53（03）：68-73.

[4]高海波. VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）教育應(yīng)用綜述[J].信息與電腦（理論版），2019（02）：231-232+235.

[5]舒俊.基于Unity3D與HTC Vive的校園展示及交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[D].南昌航空大學(xué)，2019.

本文受江蘇省研究生教育教學(xué)改革教改課題（JYLX18-071）和淮海工學(xué)院教改課題（XJG2017-2-1）資助。