虛擬仿真技術(shù)在材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

夏伶勤

（浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院增材制造學(xué)院，浙江 杭州 310059）

1 引言

“加快構(gòu)建現(xiàn)代職業(yè)教育體系，培養(yǎng)更多高素質(zhì)技術(shù)技能人才、能工巧匠、大國(guó)工匠”，是為順應(yīng)時(shí)代需求的教育改革內(nèi)容之一。而職業(yè)教育虛擬仿真教學(xué)正是建設(shè)現(xiàn)代高質(zhì)量職業(yè)教育的有力支撐。只有利用現(xiàn)代技術(shù)手段改變教學(xué)內(nèi)容和形式，才能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，從而提高其綜合能力，為以后的工作奠定基礎(chǔ)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)技術(shù)在機(jī)械制造、材料加工與增材制造中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。隨著國(guó)家對(duì)職業(yè)教育的重視和持續(xù)投入，高職院校中的實(shí)訓(xùn)設(shè)備與現(xiàn)代化新技術(shù)進(jìn)行了結(jié)合升級(jí)，更加適合當(dāng)今學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)與教學(xué)方式。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、創(chuàng)新試驗(yàn)及項(xiàng)目展示等各個(gè)環(huán)節(jié)。在課堂上也能夠?qū)⒁恍┎蝗菀桌斫獾闹R(shí)點(diǎn)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行場(chǎng)景的還原，更好地讓學(xué)生理解所要表達(dá)的內(nèi)容，解決時(shí)間和空間的問(wèn)題，將最先進(jìn)的設(shè)備和產(chǎn)品通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)呈現(xiàn)出來(lái)從而節(jié)約經(jīng)費(fèi)；能夠通過(guò)人機(jī)交互讓學(xué)生進(jìn)行操作，同時(shí)能夠?qū)⒋笮驮O(shè)備進(jìn)行拆裝；可以讓學(xué)生在安全環(huán)境中操作復(fù)雜和較為危險(xiǎn)的設(shè)備。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠有效解決職業(yè)教育教學(xué)資源不足的問(wèn)題，豐富學(xué)校的教學(xué)學(xué)段，還能夠?qū)由a(chǎn)企業(yè)，用來(lái)驗(yàn)證相關(guān)企業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容的嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性，可作為產(chǎn)學(xué)研一體化實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行建設(shè)，能夠承接更多的教學(xué)需求、研發(fā)需求和社會(huì)培訓(xùn)服務(wù)需求。虛擬仿真平臺(tái)的整體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 虛擬仿真平臺(tái)的整體設(shè)計(jì)框架

2 鑄造教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

鑄造專(zhuān)業(yè)是制造業(yè)必不可少的傳統(tǒng)專(zhuān)業(yè)，近年來(lái)，隨著智能化的制造水平不斷提高，制造的質(zhì)量要求也在不斷提高。傳統(tǒng)的先理論后實(shí)踐的教學(xué)模式已難以滿足新時(shí)代技術(shù)技能人才的培養(yǎng)。浙江機(jī)電采用VR+CAE結(jié)合創(chuàng)立了虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地，實(shí)踐證明，利用VR技術(shù)讓學(xué)生多角度多維度地參與鑄造過(guò)程，CAE技術(shù)提升學(xué)生的理論水平，更深入地理解鑄造技術(shù)的原理。

目前虛擬仿真技術(shù)在鑄造專(zhuān)業(yè)中應(yīng)用比較多的是CAE。利用鑄造CAE模擬軟件輔助鑄造工藝設(shè)計(jì)人員進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，在鑄造工藝已經(jīng)設(shè)計(jì)完成但還沒(méi)有投入生產(chǎn)之前，提前在電腦中模擬設(shè)計(jì)過(guò)程，預(yù)防設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的技術(shù)人員運(yùn)用CAE軟件可以在任何環(huán)境下進(jìn)行模擬，將成本分解到各個(gè)零部件中，對(duì)比零部件的實(shí)際價(jià)格與預(yù)計(jì)成本之間的差異，從而達(dá)到降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本的目的。

在浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料成型與控制技術(shù)專(zhuān)業(yè)鑄造專(zhuān)業(yè)，CAE技術(shù)是一門(mén)必修課，使用華鑄 CAE 工藝分析軟件模擬金屬液的充型過(guò)程和鑄件的凝固過(guò)程，提前預(yù)測(cè)可能存在的充型、凝固缺陷，修改鑄造工藝，得到最優(yōu)工藝方案。同時(shí)學(xué)生利用CAE技術(shù)參加相比賽。

3 增材制造教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

3D打印技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)加工行業(yè)，如模具制造業(yè)具有強(qiáng)烈的沖擊性，在未來(lái)很有可能取代傳統(tǒng)的制造業(yè)。周期短、成本低等是3D打印技術(shù)的主打技術(shù)特點(diǎn)，具有傳統(tǒng)制造業(yè)無(wú)法取代的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)制造業(yè)不斷向自動(dòng)化發(fā)展的趨勢(shì)下，3D打印技術(shù)必將成為材料成型技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的中堅(jiān)力量。

浙江機(jī)電結(jié)合浙江省增材制造專(zhuān)業(yè)技術(shù)技能人才的培養(yǎng)現(xiàn)狀及特色,針對(duì)學(xué)生缺乏理論知識(shí)和實(shí)際企業(yè)項(xiàng)目結(jié)合的能力短板問(wèn)題。根據(jù)本校增材制造方向?qū)W生以往的實(shí)踐數(shù)據(jù)調(diào)整授課方式優(yōu)化授課內(nèi)容,課程以“項(xiàng)目+任務(wù)”雙驅(qū)動(dòng)模式進(jìn)行,以“工藝設(shè)計(jì)-工藝仿真-結(jié)果分析-工藝優(yōu)化-增材制造”的完整設(shè)計(jì)制造過(guò)程為導(dǎo)向,培養(yǎng)了學(xué)生在正逆向三維設(shè)計(jì)、產(chǎn)品拓?fù)鋬?yōu)化、結(jié)果分析、規(guī)律總結(jié)、再實(shí)踐生產(chǎn)的全流程思維,有利于支撐校企互通的高素質(zhì)技術(shù)技能人才培養(yǎng)的一體化教學(xué)。增材制造工藝優(yōu)化流程如圖2所示。

圖2 增材制造工藝優(yōu)化流程

4 焊接教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

傳統(tǒng)焊接的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為惡劣，焊接過(guò)程中產(chǎn)生的弧光、煙塵、有害氣體、噪聲等會(huì)對(duì)焊接人員的身體造成一定的傷害，而且在生產(chǎn)過(guò)程中焊接成形所涉及的可變因素?zé)┈崳附淤|(zhì)量嚴(yán)重依賴(lài)于焊工的經(jīng)驗(yàn)積累，通常焊工需要長(zhǎng)時(shí)間保持某一固定的姿態(tài)，導(dǎo)致人工焊接工作強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率不高、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定等。近年來(lái)，用機(jī)器人焊接代替人工焊接已經(jīng)成為制造業(yè)焊接環(huán)節(jié)發(fā)展的必然趨勢(shì)。學(xué)校采用VR技術(shù)彌補(bǔ)焊接實(shí)訓(xùn)過(guò)程中的不足，利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程模擬和機(jī)器人焊接離線仿真教學(xué)。

利用虛擬仿真技術(shù)在焊接實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，教師在利用VR技術(shù)開(kāi)展焊接實(shí)訓(xùn)仿真教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)該對(duì)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容進(jìn)行整合和梳理，確保每一項(xiàng)內(nèi)容形成一個(gè)獨(dú)立的模塊，為后續(xù)VR仿真實(shí)訓(xùn)課件的制作創(chuàng)造有利條件，并幫助學(xué)生根據(jù)自身需求來(lái)選擇實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。與此同時(shí)，教師還可以將學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過(guò)程的具體操作記錄下來(lái)，用于教學(xué)工作開(kāi)展。機(jī)器人焊接離線教學(xué)流程：應(yīng)用SimPro軟件平 臺(tái)，建立KUKA機(jī)器人焊接過(guò)程所需要三維模型和工作環(huán)境，在模擬軟件平臺(tái)上進(jìn)行離線編程，模擬焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡以保證整個(gè)焊接過(guò)程中無(wú)碰撞。將離線編程后的程序?qū)氲胶附訖C(jī)器人工作站，機(jī)器人按照離線仿真的程序完成焊接任務(wù)，取得良好效果。此過(guò)程中教師可有效指導(dǎo)學(xué)生模擬焊接整個(gè)流程，不僅提高了學(xué)生實(shí)訓(xùn)過(guò)程的安全性，并且還能有效提高焊接效率。AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)

5 質(zhì)量檢測(cè)教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

射線模擬實(shí)驗(yàn)是機(jī)械加工技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。這也是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在整個(gè)機(jī)械工程試驗(yàn)中非常重要的檢驗(yàn)方法。因?yàn)閄射線存在較大的輻射性危險(xiǎn)，學(xué)校難以建設(shè)此類(lèi)實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)X射線探傷模擬實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生更好的理論與實(shí)踐相結(jié)合。

浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)有X射線探傷仿真實(shí)訓(xùn)室，實(shí)訓(xùn)室包括X射線探傷仿真系統(tǒng)和X射線探傷考核系統(tǒng)。學(xué)生在老師的指導(dǎo)下先在計(jì)算機(jī)上對(duì)X射線探傷的各個(gè)環(huán)節(jié)依序模擬練習(xí)，在線考核成績(jī)合格后，方可進(jìn)行1∶1 X射線探傷仿真設(shè)備的實(shí)操練習(xí)。X射線探傷仿真系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 X射線探傷仿真系統(tǒng)

6 結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)前加快構(gòu)建職業(yè)教育體系的背景下，虛擬仿真技術(shù)可以為材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)高素質(zhì)技術(shù)技能人才培養(yǎng)過(guò)程中學(xué)生理論知識(shí)深?yuàn)W、實(shí)踐能力培養(yǎng)與教學(xué)課時(shí)、現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源有限之間的矛盾提供良好的解決途徑。虛擬仿真技術(shù)安全可靠、形象生動(dòng)，接近現(xiàn)實(shí)工作場(chǎng)景，讓學(xué)生能夠產(chǎn)生在現(xiàn)實(shí)生活中進(jìn)行操作和演練的感覺(jué)，有利于提高學(xué)生興趣，以達(dá)到技術(shù)技能兼修的培養(yǎng)目的。