VR技術(shù)在機(jī)械設(shè)計制造教育領(lǐng)域的應(yīng)用探索

吳崢強

摘? 要 VR（虛擬現(xiàn)實）自從概念出現(xiàn)，就不斷帶來各種熱潮。VR最初的發(fā)展側(cè)重游戲體驗，進(jìn)而慢慢滲透到很多行業(yè)領(lǐng)域。介紹機(jī)械行業(yè)具有發(fā)展VR技術(shù)的多種有利條件，探索將VR技術(shù)運用于機(jī)械設(shè)計制造教育領(lǐng)域的方式。VR的引入能克服機(jī)械行業(yè)傳統(tǒng)教學(xué)模式的某些不足，合理利用其優(yōu)勢將會使教學(xué)活動更為生動、教學(xué)內(nèi)容更為豐富、教學(xué)參與性更強，預(yù)期具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 VR技術(shù);機(jī)械設(shè)計制造;教育領(lǐng)域;虛擬現(xiàn)實;Fac-toryCAD

中圖分類號：G712? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）02-0039-04

Application of VR Technology in Field of Mechanical Design and?Manufacturing Education//WU Zhengqiang

Abstract Since the concept of VR （virtual reality） appeared， it has brought various upsurges. The initial development of VR focuses on?game experience， and then gradually penetrates into many industries.

This paper introduces the advantages of developing VR technology in the machinery industry， and explores the ways of applying VR technology in the field of machinery design and manufacturing edu-cation. The introduction of VR can overcome some shortcomings of the traditional teaching mode in the mechanical industry， and the?rational use of its advantages will make the teaching activities more?vivid， the teaching content more abundant， and the teaching partici-pation stronger. It is expected that VR will have a good application prospect.

Key words VR technology; machinery design manufacture; educa-tion; virtual reality; FactoryCAD

1 前言

斯皮爾伯格導(dǎo)演的科幻大片《頭號玩家》，講述了在VR（虛擬現(xiàn)實）的虛幻世界里人類一種新奇的生活方式，廣泛地激發(fā)了人們尤其是年輕人對VR的濃厚興趣。與普通游戲不同的是，VR技術(shù)帶給人類越來越真切的虛擬體驗，可以想象，隨著VR技術(shù)的進(jìn)步，虛擬與現(xiàn)實之間的界線會越來越模糊，這將對未來人類的生活產(chǎn)生極大的影響。在國內(nèi)，2016年已被認(rèn)為是中國虛擬現(xiàn)實元年，這項前沿科技近年來發(fā)展迅速，并得到廣泛應(yīng)用[1-2]。如果將VR技術(shù)引入機(jī)械設(shè)計制造專業(yè)現(xiàn)代教育領(lǐng)域，預(yù)期具有良好的應(yīng)用前景。

2 VR技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域的潛力

VR技術(shù)被稱為“計算機(jī)模擬現(xiàn)實”或“沉浸式多媒體”，是21世紀(jì)重要的發(fā)展學(xué)科，可能是極大改變?nèi)藗兩畹闹匾夹g(shù)之一，是一種綜合了計算機(jī)圖形學(xué)、傳感器技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)以及人工智能技術(shù)等多領(lǐng)域成果的新技術(shù)，目標(biāo)是提升人機(jī)交互的功能，達(dá)到真實的視覺、觸覺、聽覺和嗅覺體驗效果[3]。

與傳統(tǒng)的人機(jī)交互模式不同的是，在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，通過傳感器與虛擬環(huán)境連接，用戶可以對虛擬環(huán)境內(nèi)的物體進(jìn)行操作，并且產(chǎn)生各種感受，其體驗如同身臨其境。如在虛擬工廠中行走，正處于生產(chǎn)狀態(tài)的機(jī)器不斷傳來各種聲響;傳送帶輸送的物料不斷往前移動，搬下一件自己所需的工件，感受到沉重;流水線上的發(fā)動機(jī)移到跟前，安裝上自己工位的組件。虛擬工廠環(huán)境如圖1所示。

大量案例證明，VR可以給學(xué)習(xí)者帶來放松、愉悅、感興趣等積極情緒，激發(fā)學(xué)習(xí)動機(jī)[4]。VR技術(shù)通過創(chuàng)設(shè)逼真的場景，提供動態(tài)的交互設(shè)置，學(xué)習(xí)者能高度參與其中，無論是虛擬仿真工廠，還是模擬工作場景，VR技術(shù)都能將學(xué)習(xí)者置身于所需解決問題的情境中。另外，學(xué)習(xí)者在VR中學(xué)習(xí)，往往伴隨著角色扮演，被賦予明確的角色，如產(chǎn)品的設(shè)計師、生產(chǎn)線上的裝配工、機(jī)床的操作工等。學(xué)習(xí)者尤其是青少年學(xué)習(xí)者更習(xí)慣于這種自我表征方式，能通過角色表達(dá)所思、所感，甚至較為容易地切換不同的角色獲取更廣泛的學(xué)習(xí)體驗。更重要的是，這種學(xué)習(xí)體驗還會激發(fā)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)造力和想象力。

機(jī)械行業(yè)傳統(tǒng)教學(xué)往往受實驗實訓(xùn)條件限制，教學(xué)與真實的情境較為脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生知識遷移意識不強、效率低下。VR能實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容和知識的可視化，增強學(xué)習(xí)的沉浸感，增加師生、生生及學(xué)生與環(huán)境之間的交互。VR情境學(xué)習(xí)通過設(shè)置真實的工作情境，促進(jìn)學(xué)習(xí)的發(fā)生，通過提供豐富的感知線索以及多通道（如視覺、觸覺、聽覺等）的反饋，幫助學(xué)習(xí)者將虛擬情境所學(xué)遷移到真實生活中，實現(xiàn)高效、生動、全面的學(xué)習(xí)。正如周明全教授的觀點：虛擬現(xiàn)實是促進(jìn)教育變革的重要技術(shù)手段[5]。

3 VR在機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用具有的技術(shù)基礎(chǔ)

虛擬制造技術(shù)的發(fā)展為VR在機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)? 隨著現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械行業(yè)越來越多的工作內(nèi)容遷移到軟件系統(tǒng)進(jìn)行，其集成為虛擬制造技術(shù)。這種虛擬制造技術(shù)以計算機(jī)仿真技術(shù)為前提，對產(chǎn)品設(shè)計、加工制造等生產(chǎn)過程進(jìn)行統(tǒng)一建模;在產(chǎn)品設(shè)計階段，模擬出未來制造及使用的全過程，從而能夠更有效、更經(jīng)濟(jì)、更柔性靈活地組織生產(chǎn)，以達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計的最優(yōu)化、開發(fā)成本和周期的最小化、生產(chǎn)效率的最高化[6-7]。

機(jī)械產(chǎn)品的主體實物屬性使得虛擬設(shè)計技術(shù)發(fā)展十分成熟，三維CAD（計算機(jī)輔助設(shè)計）軟件系統(tǒng)可簡易、快速、靈活地完成各種模型的建構(gòu)（包含零件設(shè)計及虛擬裝配）;機(jī)構(gòu)仿真CAE（計算機(jī)輔助工程）技術(shù)讓所設(shè)計的機(jī)器產(chǎn)品實現(xiàn)可視化的虛擬運動，進(jìn)而檢測設(shè)計的合理性并反饋設(shè)計改進(jìn);設(shè)計完成的產(chǎn)品零件通過CAM（計算機(jī)輔助工程）技術(shù)編制加工工藝，并通過可視化的模擬加工保證制造的可行性。當(dāng)前，基于集成化的CAD/CAM/CAE軟件系統(tǒng)完成上述工作越來越大眾化，這些計算機(jī)虛擬制造技術(shù)為精確制造提供保障，使得機(jī)械行業(yè)的VR技術(shù)發(fā)展具有關(guān)鍵的技術(shù)基礎(chǔ)。

數(shù)字化工廠技術(shù)和激光掃描技術(shù)為場景外設(shè)提供幫助? 數(shù)字化虛擬制造需要建設(shè)工廠環(huán)境三維模型，利用軟件系統(tǒng)可以快速地實現(xiàn)三維數(shù)字化工廠搭建。如軟件系統(tǒng)Fac-toryCAD，它以AutoCAD為基礎(chǔ)，利用所開發(fā)的模型庫，進(jìn)行參數(shù)化定義，在工藝規(guī)劃的圖層中將工廠中所需的設(shè)備資源進(jìn)行準(zhǔn)確定位即可。此軟件還支持外置設(shè)備資源數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入功能，擴(kuò)充FactoryCAD軟件三維數(shù)字化工廠模型庫[8]。

針對特定的工廠環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)的工位環(huán)境，還可利用激光掃描的方式采集數(shù)據(jù)并建構(gòu)環(huán)境模型。這種方式建構(gòu)虛擬模型的效率非常高。激光掃描建模法是采用激光掃描設(shè)備對實物模型進(jìn)行360°掃描，將掃描得到的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合拼接，然后在輔助設(shè)計軟件平臺上依托點云數(shù)據(jù)建構(gòu)模型[9]。其流程如圖2所示。

激光掃描模型建構(gòu)工作不局限于專業(yè)的掃描設(shè)備，當(dāng)前甚至發(fā)展出手機(jī)三維掃描VR技術(shù)。如采用前置3D結(jié)構(gòu)光的手機(jī)，支持3D物體掃描功能。掃描過程很簡單，如掃描一只熊貓玩偶，保持前置鏡頭距離20～30厘米，然后轉(zhuǎn)動熊貓玩偶（也可轉(zhuǎn)動手機(jī)），直到完成每個角度的掃描，整個過程在一分鐘以內(nèi)，合成過程在30秒以內(nèi)，如圖3所示。這個虛擬的玩偶還支持通過后置AR的形式直接疊加到現(xiàn)實場景中，如圖4所示。VR場景外設(shè)通常對精度要求不高，通過上述兩種技術(shù)手段已能較好地解決問題。

4 VR應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計制造教育領(lǐng)域的模式

VR虛擬設(shè)計應(yīng)用教學(xué)? 機(jī)械設(shè)計教學(xué)知識覆蓋面廣，相關(guān)零部件門類較多、系列規(guī)格繁復(fù)，教學(xué)往往在理論層面進(jìn)行。這些問題可利用VR技術(shù)實現(xiàn)極大改進(jìn)。VR虛擬設(shè)計教學(xué)可以分成四個階段。

1）VR虛擬設(shè)計開展前，首先建設(shè)完整的分門別類的資源數(shù)據(jù)庫，如典型的工作項目場景模型庫、工藝裝備模型庫、系列標(biāo)準(zhǔn)零部件模型庫。通過搭建完整的、系列的數(shù)據(jù)資源庫，使零部件資源、設(shè)備資源、工藝資源等標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，方便后續(xù)的靈活調(diào)用。

2）VR機(jī)械設(shè)計認(rèn)知階段，使用者進(jìn)入虛擬庫房，可分門別類地查看各種機(jī)構(gòu)裝置。如進(jìn)入連桿機(jī)構(gòu)庫房，通過衛(wèi)星天線裝置、破碎機(jī)裝置學(xué)習(xí)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，還可變更連桿長度演示學(xué)習(xí)曲柄和搖桿的不同組合;進(jìn)入擴(kuò)展子庫房可進(jìn)一步觀察連桿機(jī)構(gòu)更多的實際應(yīng)用場景，甚至游戲般的現(xiàn)場操作機(jī)構(gòu)運行。又如進(jìn)入齒輪機(jī)構(gòu)庫房，直齒輪、斜齒輪、錐齒輪、蝸輪蝸桿等分門別類擺放;進(jìn)入各子庫房，同類但不同規(guī)格的齒輪成系列地展示，觸碰可查看詳細(xì)規(guī)格參數(shù)并可進(jìn)入相應(yīng)實際應(yīng)用場景。通過這種方式能全面且直觀地認(rèn)知機(jī)構(gòu)。

3）除了認(rèn)知學(xué)習(xí)，VR還可非常便捷地開展典型的設(shè)計應(yīng)用學(xué)習(xí)。如減速器裝拆實訓(xùn)，牛亞峰[10]、朱金達(dá)[11]已在這個項目上完成完整的VR實驗研究，在基于VR技術(shù)開發(fā)的減速器設(shè)計虛擬仿真實驗場景中（見圖5），通過逼真的現(xiàn)場感與實時的交互性，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。設(shè)計不同類型的減速器VR資源便可指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)各種減速器的設(shè)計工作，其他各種機(jī)器的設(shè)計也可參照這種方式開展。

4）對于復(fù)雜的設(shè)計工作，需進(jìn)一步發(fā)揮VR技術(shù)的優(yōu)點：可直接進(jìn)行三維操作對產(chǎn)品模型進(jìn)行管理，以自然、直觀的方式表達(dá)設(shè)計概念，通過視覺、觸覺、聽覺等反饋，感知設(shè)計模型的幾何屬性、物理屬性與行為表現(xiàn)。在此過程中，完成零部件模型創(chuàng)建、標(biāo)準(zhǔn)件選用、虛擬裝配分析、機(jī)構(gòu)運動仿真等工作，不斷檢驗修改設(shè)計缺陷，直至獲得最優(yōu)設(shè)計方案。這種VR技術(shù)已在汽車、航空工業(yè)得到較多應(yīng)用，如波音飛機(jī)的設(shè)計是VR技術(shù)應(yīng)用的早期成功范例。20世紀(jì)90年代，設(shè)計人員在設(shè)計波音飛機(jī)時，建立了虛擬飛機(jī)的三維模型，使用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套進(jìn)行觀察和控制;通過直接穿行于虛擬的飛機(jī)之中，身臨其境般地觀察設(shè)計效果。德國大眾公司也推出一套名叫Cave的3D VR展示系統(tǒng)，在Cave系統(tǒng)內(nèi)，使用者戴上專用眼鏡看到的是汽車內(nèi)部的三維圖像，從而可以檢測汽車的內(nèi)部布局（如儀表盤位置和座椅位置）是否合理;甚至還可以控制各種操縱桿，進(jìn)行虛擬測試[12]。

VR數(shù)控加工技能操作應(yīng)用教學(xué)? VR早期的重要應(yīng)用是飛行員飛行技能培訓(xùn)，這種技能訓(xùn)練方式安全性高、成本低、實效好。數(shù)控加工也是一種操作性的技能，是VR應(yīng)用的極佳場合。當(dāng)前數(shù)控加工領(lǐng)域的教學(xué)存在兩種典型問題：一是設(shè)備較為昂貴，通常難以保證足夠工位進(jìn)行實操教學(xué)訓(xùn)練;二是編程語言學(xué)習(xí)和實操訓(xùn)練通常是分開進(jìn)行，缺乏連貫性。VR借助較少的硬件和軟件系統(tǒng)，非常容易開展重復(fù)性、流程性的學(xué)習(xí)，因此，利用VR技術(shù)能很好地克服上述問題。

當(dāng)前，已有成熟的虛擬機(jī)床模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，如宇龍數(shù)控仿真軟件，可以實現(xiàn)機(jī)床操作全過程的仿真，而且機(jī)床類型豐富，常用數(shù)控系統(tǒng)如FANUC、SIEMENS、華中數(shù)控等都可選擇。另外，軟件界面友好、操作簡單[13]，如圖6所示。這相當(dāng)于VR數(shù)控加工技能培訓(xùn)內(nèi)核系統(tǒng)已擁有成熟的技術(shù)，但是當(dāng)前這些虛擬機(jī)床操作方式為“電腦上點擊鼠標(biāo)”，這種方式缺乏真實感，仍然像在電腦上進(jìn)行理論學(xué)習(xí)。附加VR外設(shè)系統(tǒng)后，即可變成VR數(shù)控加工技能培訓(xùn)系統(tǒng)，可身臨其境般地進(jìn)入機(jī)加工車間現(xiàn)場操作機(jī)床。因此，VR數(shù)控加工操作應(yīng)用教學(xué)具有更便利的技術(shù)基礎(chǔ)，能更方便地應(yīng)用實施。

VR虛擬安裝、維修應(yīng)用教學(xué)? 某些特殊領(lǐng)域的機(jī)械設(shè)備安裝及維修非常適合VR技術(shù)的應(yīng)用，下面介紹幾例。

1）電梯三維虛擬安裝、維修仿真系統(tǒng)。采用VR技術(shù)開展虛擬安裝和虛擬維修，可顯著降低電梯安裝和維修培訓(xùn)的安全風(fēng)險，解決周期長、成本高的問題[12]。利用計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)建構(gòu)三維模型，利用VR技術(shù)創(chuàng)設(shè)施工作業(yè)場景，利用三維動畫渲染技術(shù)制作工作過程動畫，編制程序使學(xué)習(xí)者與虛擬場景中的虛擬對象進(jìn)行交互式虛擬安裝和虛擬維修。

2）民用航空發(fā)動機(jī)維修。發(fā)動機(jī)昂貴、復(fù)雜，VR虛擬維修系統(tǒng)可采用Autodesk Maya作為建模工具，構(gòu)建發(fā)動機(jī)三維模型和虛擬場景，以Unity3D虛擬仿真軟件作為開發(fā)引擎，Microsoft Visual Studio作為程序開發(fā)整合平臺，設(shè)計一套基于Unity3D的航空發(fā)動機(jī)虛擬維修仿真系統(tǒng)。這套系統(tǒng)可極大地節(jié)省成本，降低維修培訓(xùn)的難度[14]。

3）其他維修應(yīng)用領(lǐng)域。世界范圍內(nèi)，許多國家的航空公司都在進(jìn)行用于飛機(jī)檢測人員培訓(xùn)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)，以期提高飛機(jī)檢測質(zhì)量和可靠度的培訓(xùn)。美國宇航局為執(zhí)行任務(wù)的宇航員建立了虛擬的太空環(huán)境，從中完成各種模擬維修活動。哈勃望遠(yuǎn)鏡的虛擬維修系統(tǒng)，宇航員經(jīng)其訓(xùn)練后，成功完成真實的太空維修任務(wù)，這是第一次大規(guī)模應(yīng)用虛擬維修技術(shù)并成功完成實際任務(wù)。再如洛克希德馬丁公司的F-16戰(zhàn)斗機(jī)項目，淘汰了多個金屬實物模型，利用虛擬維修系統(tǒng)進(jìn)行維修性分析，減少了公司用于培訓(xùn)員工的費用和周期[15]。

可見，這些高風(fēng)險、設(shè)備貴重、太空復(fù)雜環(huán)境等特殊場景下，都可通過搭建虛擬場景、建構(gòu)硬件系統(tǒng)模型、編制操控系統(tǒng)軟件的方式，實現(xiàn)VR的教學(xué)應(yīng)用訓(xùn)練。

5 VR在機(jī)械行業(yè)教育應(yīng)用中面臨的難題

VR系統(tǒng)的集成化? 目前，應(yīng)用于機(jī)械工程的產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)（CAD系統(tǒng)）與VR系統(tǒng)實現(xiàn)了比較好的融合，但與產(chǎn)品開發(fā)其他階段的結(jié)合相對較差;與工裝夾具設(shè)計系統(tǒng)（CAFD）結(jié)合較好，但與車間現(xiàn)場生產(chǎn)管理等環(huán)節(jié)集成程度較低。VR系統(tǒng)的集成化有待進(jìn)一步提高。

正確處理虛擬與現(xiàn)實的關(guān)系? 不管是虛擬現(xiàn)實技術(shù)還是虛擬仿真軟件，構(gòu)造的都是一個虛擬的世界，與現(xiàn)實環(huán)境還是存在一定差距的。如虛擬機(jī)加工，最終完成加工的工件是否合格，會受很多實際因素影響;虛擬裝配時，是理想模型的裝配，而實際裝配時，零件加工時不可避免的各種偏差需要在裝配中加以修正，需要很強的技術(shù)性和經(jīng)驗性。這些都是VR暫時難以解決的。

VR系統(tǒng)開發(fā)的專業(yè)性過強? VR系統(tǒng)開發(fā)的專業(yè)性過強，除了硬件支持外，還需專業(yè)的軟件系統(tǒng)支撐?？捎蓪I(yè)性的機(jī)構(gòu)開發(fā)通用性的培訓(xùn)學(xué)習(xí)項目，但覆蓋面難以兼顧;專用性的培訓(xùn)項目需要有較好的制作平臺，這些都存在大量的工作需要推進(jìn)。

避免VR教學(xué)應(yīng)用的娛樂化? VR存在較強的娛樂性，當(dāng)前大量的實用案例是各種游戲體驗，應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)教學(xué)時需要克服娛樂化。

6 結(jié)語

VR技術(shù)的快速發(fā)展帶來新鮮且震撼的科技體驗，如果將其引入機(jī)械設(shè)計制造教育領(lǐng)域，能克服傳統(tǒng)教學(xué)模式的某些不足，合理利用其優(yōu)勢將會使教學(xué)活動更為生動、教學(xué)內(nèi)容更為豐富、教學(xué)參與性更強。VR技術(shù)有自身缺點，但隨著科技的進(jìn)步，相信VR能在機(jī)械設(shè)計制造教育領(lǐng)域發(fā)揮重要的輔助作用。

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