虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)在材料成型及控制工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

宋 孟，白鳳梅，周紅偉，黃貞益，隋鳳利，劉相華

(1.安徽工業(yè)大學(xué) 冶金減排與資源綜合利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山243032；2.安徽工業(yè)大學(xué) 冶金工程學(xué)院，安徽 馬鞍山243032；3.安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 馬鞍山243032；4.東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng)110819)

一、引言

材料成型及控制工程是一門(mén)工程應(yīng)用型學(xué)科，主要培養(yǎng)能夠在冶金、機(jī)械、汽車、電子工業(yè)等領(lǐng)域具有從事工程設(shè)計(jì)、技術(shù)開(kāi)發(fā)、科學(xué)研究、企業(yè)管理等方面工作能力的高級(jí)應(yīng)用型工程科技人才。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)及面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)顯得尤為重要。但是，由于實(shí)驗(yàn)器材設(shè)備昂貴，實(shí)驗(yàn)操作的危險(xiǎn)性較高，尤其是在生產(chǎn)車間實(shí)習(xí)期間，生產(chǎn)單位往往從安全角度出發(fā)，要求學(xué)生對(duì)生產(chǎn)工藝過(guò)程只能遠(yuǎn)遠(yuǎn)觀望。諸多因素，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的認(rèn)識(shí)大多只能停留在書(shū)本層面，很難對(duì)生產(chǎn)流程和設(shè)備構(gòu)造有更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。Wliliam Wolf于1989年提出了虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念，使實(shí)驗(yàn)人員能夠模擬真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，向?qū)嶒?yàn)人員展現(xiàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理，幫助其對(duì)復(fù)雜工藝流程和設(shè)備的理解。利用虛擬仿真技術(shù)，以冶金過(guò)程為專業(yè)背景，搭建了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，有效地提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，大幅度提升了教學(xué)質(zhì)量。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的硬件建設(shè)

我校冶金過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室面積約300m，目前建有虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室2個(gè)，以及冶金過(guò)程遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互中心1個(gè)、VR教學(xué)實(shí)驗(yàn)室1個(gè)，可同時(shí)容納115名師生開(kāi)展相關(guān)實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)。其中包括7臺(tái)高亮度投影機(jī)，4臺(tái)教師用機(jī)，96臺(tái)學(xué)生用機(jī)，5臺(tái)VR立體虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，6臺(tái)高性能服務(wù)器，能夠保障材料成型及控制工程專業(yè)及相關(guān)學(xué)科各類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。通過(guò)與馬鋼、寶鋼等眾多鋼鐵企業(yè)建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，利用冶金過(guò)程遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互中心，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)與畫(huà)面的實(shí)時(shí)共享與保存，并基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝參數(shù)與產(chǎn)品質(zhì)量構(gòu)建直接聯(lián)系。為實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研工作提供了很好的便利條件。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，能夠讓學(xué)生更加直觀地了解生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，能夠使學(xué)生將所學(xué)專業(yè)知識(shí)與工藝參數(shù)的設(shè)定原則相對(duì)應(yīng)；在科研方面，利用生產(chǎn)數(shù)據(jù)共享與分析，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的全參數(shù)掌控，為生產(chǎn)單位的技術(shù)攻關(guān)及新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等奠定堅(jiān)實(shí)的工作基礎(chǔ)。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件建設(shè)

以全面提高學(xué)生工程實(shí)踐能力為目標(biāo)，建立了冶金過(guò)程虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地，軟件平臺(tái)建設(shè)包括冶金過(guò)程虛擬仿真系統(tǒng)13套，其中材料成型及控制工程專業(yè)仿真系統(tǒng)7套(見(jiàn)圖1)，包括：板坯連鑄生產(chǎn)，中厚板生產(chǎn)，冷連軋生產(chǎn)，板帶熱軋生產(chǎn)，棒材軋制，ESP(全無(wú)頭超薄帶鋼軋制工藝)，鑄軋；冶金虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目22個(gè)，其中材料成型及控制工程專業(yè)2個(gè)，分別為最大咬入角和軋制前滑系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)。通過(guò)完備的虛擬仿真軟件系統(tǒng)，使學(xué)生能夠?qū)φ麄€(gè)鋼鐵工業(yè)流程形成全面的認(rèn)識(shí)。

圖1 冶金過(guò)程虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)仿真系統(tǒng)

四、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)在材料成型專業(yè)的具體應(yīng)用

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，每個(gè)子系統(tǒng)還分為6個(gè)子模塊，分別為認(rèn)知學(xué)習(xí)、仿真操作、考核評(píng)價(jià)、實(shí)踐創(chuàng)新、工藝設(shè)計(jì)和教學(xué)資源庫(kù)。以熱軋帶鋼虛擬仿真系統(tǒng)為例，分別對(duì)以上子模塊在材料成型專業(yè)中的具體應(yīng)用進(jìn)行闡述。

(1) 認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)。該模塊主要集合了對(duì)熱軋帶鋼生產(chǎn)設(shè)備及工藝參數(shù)的詳細(xì)介紹，對(duì)主要設(shè)備如加熱爐、粗軋機(jī)、精軋機(jī)、工作輥系、層流冷卻等，可以進(jìn)行三維拆解，同時(shí)附帶該設(shè)備的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)錄像，使學(xué)生能夠快速掌握設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成，提升教學(xué)效果。并且在一定范圍內(nèi)，還可以實(shí)現(xiàn)與其他專業(yè)課程的交叉授課，如塑性加工設(shè)備等，幫助學(xué)生加深對(duì)設(shè)備構(gòu)造的理解。

(2) 仿真操作。在熱軋帶鋼虛擬仿真系統(tǒng)中，將整個(gè)生產(chǎn)工藝過(guò)程分為4個(gè)區(qū)域，分別為加熱爐區(qū)、粗軋區(qū)、精軋區(qū)、卷取區(qū)。在加熱爐區(qū)，通過(guò)設(shè)定加熱工藝計(jì)算程序，使學(xué)生能夠掌握制定加熱工藝的原則，認(rèn)識(shí)到鋼坯中心溫度、表面溫度與平均溫度之間的定量關(guān)系。除加熱工藝設(shè)定外，對(duì)蓄熱式步進(jìn)加熱爐的爐體構(gòu)造、關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)整(如空燃比，爐壓等)、輔助液壓系統(tǒng)、裝鋼出鋼等通過(guò)最大程度還原生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的具體操作，使學(xué)生在排除系統(tǒng)故障和調(diào)整參數(shù)的過(guò)程中，加深對(duì)工藝的認(rèn)識(shí)和理解。

對(duì)于板帶熱軋，板形控制是評(píng)價(jià)產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在虛擬仿真系統(tǒng)中，對(duì)于板形調(diào)整的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容也非常豐富。在軋制前準(zhǔn)備條件完成后，可以通過(guò)觀察板帶的平坦度曲線，調(diào)節(jié)彎輥、操作側(cè)和傳動(dòng)側(cè)壓下實(shí)現(xiàn)對(duì)熱軋帶鋼板形的在線調(diào)整。此外，針對(duì)常見(jiàn)的鐮刀彎缺陷，設(shè)置了鐮刀彎仿真實(shí)訓(xùn)，使學(xué)生加深對(duì)熱軋板帶缺陷的了解，并能有效掌握消除缺陷的措施。

(3)考核評(píng)價(jià)。在考核評(píng)價(jià)模塊中，將主要的操作規(guī)程和關(guān)鍵工藝參數(shù)作為考核點(diǎn)，一方面可以鍛煉學(xué)生獨(dú)立操作能力，另一方面可以檢驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，通過(guò)考核評(píng)價(jià)模塊，完成對(duì)教學(xué)效果的定量評(píng)價(jià)。通過(guò)學(xué)生對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程的操作，可以全面了解學(xué)生對(duì)工藝過(guò)程及設(shè)備操作的掌握程度。再通過(guò)整理學(xué)生操作易錯(cuò)點(diǎn)，對(duì)未來(lái)教學(xué)工作的持續(xù)改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義。

(4)實(shí)踐創(chuàng)新。在實(shí)踐創(chuàng)新模塊中，通過(guò)計(jì)算、設(shè)定軋制工藝規(guī)程以及軋輥輥型曲線等，使學(xué)生能夠更好地掌握工藝參數(shù)背后的技術(shù)細(xì)節(jié)，為將來(lái)的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)活動(dòng)打下基礎(chǔ)。

(5)工藝設(shè)計(jì)。在工藝設(shè)計(jì)模塊中，以鋼材產(chǎn)品的生產(chǎn)車間設(shè)計(jì)為目標(biāo)，以產(chǎn)品大綱和年產(chǎn)量為指導(dǎo)，將加熱爐、除磷機(jī)、粗軋機(jī)、精軋機(jī)、卷取機(jī)等主要設(shè)備模塊化，以設(shè)備的產(chǎn)品規(guī)格和年產(chǎn)能力為選擇依據(jù)，讓學(xué)生自主進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)線的組裝。組裝完成后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)車間設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并指出生產(chǎn)線中不相匹配的設(shè)備，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行改進(jìn)。工藝設(shè)計(jì)模塊能夠使學(xué)生對(duì)鋼材產(chǎn)品的車間設(shè)計(jì)更加直觀，并對(duì)設(shè)備選取的反饋更及時(shí)，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。

(6)教學(xué)資源庫(kù)。圍繞上述7套虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)模塊基礎(chǔ)上，教師可以對(duì)專業(yè)知識(shí)進(jìn)行豐富和擴(kuò)充，并且可以實(shí)現(xiàn)資源共享。將傳統(tǒng)教學(xué)與信息技術(shù)結(jié)合，提高教學(xué)效果。

五、結(jié)語(yǔ)

采用現(xiàn)代信息技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬仿真，搭建材料成型及控制工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊，作為一種輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，對(duì)材料成型及控制工程專業(yè)人才的培養(yǎng)具有重要的意義。冶金過(guò)程虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，具有直觀性、可操作性且安全性高，能有效降低學(xué)生生產(chǎn)實(shí)踐教學(xué)成本，大幅度提高生產(chǎn)實(shí)踐的教學(xué)質(zhì)量。隨著信息技術(shù)以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)在材料成型及控制工程專業(yè)人才培養(yǎng)的過(guò)程中，逐漸凸顯其重要性。