基于VR 技術的先進制造技術課程創(chuàng)新教學方法

劉青康，王慶禮，楊 輝，許 梁，朱曉紅

（1.江西理工大學 能源與機械工程學院，南昌 330044；2.江西理工大學 軟件工程學院，南昌 330044）

先進制造技術（Advanced Manufacturing Technology，AMT）最先由美國提出，隨后德國、中國也相繼提出相關的戰(zhàn)略。高等院校針對機械工程專業(yè)的本科生和研究生相繼開設先進制造技術課程。先進制造技術課程一般為理論教學，課時在32 課時[1]至48 課時[2]之間，課程學習內(nèi)容眾多，涉及到現(xiàn)代設計技術、先進制造工藝技術、先進制造模式、制造自動化技術、智能制造及企業(yè)信息化管理技術等眾多學習內(nèi)容，以產(chǎn)品為例，先進制造技術課程包含產(chǎn)品設計、制造、營銷管理和回收再利用的整個產(chǎn)品生命周期，是一門集機械、電子、數(shù)學、管理、自動控制、網(wǎng)絡信息和生物等多學科高度交叉的綜合性專業(yè)課程[3]。

一、先進制造技術課程教學現(xiàn)狀

先進制造技術每年都有新的技術與理論出現(xiàn)，而作為綜合性大學，受限于經(jīng)費等資源，高校無法及時更新前沿制造理論與技術的實驗設施[4]。而傳統(tǒng)的板書教學，對同學缺乏吸引力，難于讀懂，采用技術視頻與圖片相結(jié)合的方法進行教學，同學處于被動學習狀態(tài)，只能從理論上理解該技術的基本原理[5]。上述兩種教學方法，同學是處于被動學習的狀態(tài)，無法調(diào)動同學學習的主動性，而且未將技術和理論與實際工程應用結(jié)合起來。在先進制造技術的教學過程中，因課程內(nèi)容多、課時少，缺乏實驗與實踐教學環(huán)節(jié)，各章節(jié)理論性高、學科跨度大、銜接過渡生硬和不完美，教學過程中板書多，學生被動學習與知識灌輸，導致學生學習適應能力與學習思維轉(zhuǎn)變慢，難以形成理性認知與感性認知等問題。因此有必要提出一種沉浸式、體驗式和互動式的教學方式，使同學沉浸在學習環(huán)境中，并與環(huán)境互動，促使同學主動的學習，從而提高課程的教學效果與學生的學習質(zhì)量。

二、虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality，VR）是一種新興技術，綜合計算機圖形學、人工智能技術、并行處理技術、多傳感技術、仿真技術和多媒體技術等多學科技術，虛擬現(xiàn)實技術以現(xiàn)實生活生產(chǎn)為原型，采用計算機技術構建三維模型及數(shù)學模型，并將三維模型與數(shù)學模型轉(zhuǎn)化為電子信號，傳遞到用戶佩戴的專用頭盔、手套和背心等傳感設備上，模擬人的視覺、觸覺和聽覺等感知系統(tǒng)，使用戶沉浸在計算機生成的虛擬環(huán)境中，可以通過頭盔、手套和背心等專業(yè)設備將用戶的語言、手勢等信息與虛擬世界實時交互，是一種對用戶友好、舒適的計算機技術，具有身臨其境的良好體驗。虛擬世界是一種多維信息空間，該空間具有良好的沉浸性、交互性和構想性等特征[6]。虛擬現(xiàn)實技術最早用于飛行員的模擬飛行訓練，隨后廣泛應用于航空航天、軍事、醫(yī)療、建筑、工業(yè)、文娛、教育和旅游等行業(yè)，具有非常廣闊的前景[7]。

三、虛擬現(xiàn)實技術在先進制造技術教學中新方法與思路探討

針對先進制造技術教學中學生被動灌輸式學習、先進實驗條件與設施缺乏、效果不佳、教學板書、圖片多和教學效果差等問題，結(jié)合江西理工大學的現(xiàn)有資源，提出將虛擬現(xiàn)實技術應用于先進制造技術教學中的創(chuàng)新教學改革方法。將虛擬現(xiàn)實技術應用在先進制造技術的教學中，可以將教師、學生、先進制造技術理論知識和實驗設備有機聯(lián)系起來，如圖1 所示，形成以學生為主導、教師為基礎和VR 系統(tǒng)為輔助的一種關系，促進學生學習，提高教學質(zhì)量。

圖1 虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)、教師、學生、先進制造技術理論知識和實驗設備的關系

虛擬現(xiàn)實技術通過構建制造理論與技術場景，模擬技術的基礎理論、技術平臺的搭建和技術具體實施與操作方法，采用沉浸式、交互式的學習方式，使同學能夠?qū)⒗碚撆c實踐相結(jié)合，提高學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的分析能力與動手能力，增加其理解能力，使其牢固掌握先進制造理論與技術，并將制造、電子、網(wǎng)絡和管理等多學科知識有機地結(jié)合起來，綜合運用到工程實踐中。該方法可以有效解決同學學習主動性低，實驗設備缺乏、與時代脫節(jié)、更新緩慢、學生獨立操作時間短和經(jīng)費少等問題。基于虛擬現(xiàn)實技術的先進制造技術教學方法，可以彌補疫情期間網(wǎng)絡授課或者遠程授課時對實驗環(huán)節(jié)的影響，其次可以有效避免實驗過程中發(fā)生危險事件，保護學生與實驗室設備安全。在課程的學習過程中，將理論與實踐進行融合，使同學學習過程中達到融會貫通的狀態(tài)，這樣有助于培養(yǎng)學生健全的工程意識，增強學生的綜合素質(zhì)與能力，使學生真正學到先進制造理論與技術，并將所有知識應用于社會，為祖國作貢獻。先進制造技術與理論是一個動態(tài)發(fā)展的過程，采用基于虛擬現(xiàn)實的先進制造技術教學方法，需要教師主動學習前沿的制造理論與技術，保證制造技術與理論教學內(nèi)容的先進性、前沿性，并且要求具有三維建模等專業(yè)知識，能夠?qū)⑶把刂圃炖碚撆c技術簡化，構建該專業(yè)技術的理論模型、技術組裝模型和技術工藝路線等，將這些模型轉(zhuǎn)化為虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)。

（一）虛擬現(xiàn)實技術在柔性自動化制造設備教學中的應用方法

柔性自動化制造設備是先進制造技術課程教學中的重要一節(jié)，而加工中心具有柔性好、生產(chǎn)效率高，是目前最廣泛應用的柔性制造單元。以臥式加工中心為例，為滿足教學的需求，設定兩個不同功能單元，分別為認識單元、演練單元。認識單元介紹臥式加工中心的種類、特點、用途和結(jié)構組成等。演練單元主要介紹加工仿真功能、自動換刀功能、自動拆裝功能和手動拆裝功能。將加工中心與虛擬現(xiàn)實技術融合，研發(fā)加工中心的虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)，其系統(tǒng)架構如圖2 所示。

圖2 臥式加工中心的虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)架構圖

為便于設計三維模型、裝配、教學和操作，將臥式加工中心簡化為工作臺、床身、主軸箱、刀庫、立柱、冷卻系統(tǒng)、交換臺和控制面板8 個分系統(tǒng)。工作臺為工件安裝固定的平臺，具有Z 方向移動與繞Y 軸轉(zhuǎn)動的功能。床身是工作臺、刀庫、主軸箱、立柱、冷卻系統(tǒng)和控制面板等分系統(tǒng)的安裝載體，需要足夠的強度、剛性，并且安裝有立柱沿X 方向移動的導軌，在床身規(guī)劃控制面板的安裝位置。主軸箱為加工中心的重要部分，主軸需要具有可調(diào)速轉(zhuǎn)動、換刀功能。冷卻系統(tǒng)應該安裝在主軸箱的主軸旁，用于加工過程中噴灑冷卻液。立柱上安裝主軸箱沿Y 軸移動導軌。交換臺用于裝卸工件，提高加工效率。刀庫由刀架、換刀機構和動力系統(tǒng)等構成。三維模型構建完成后，需采用專用軟件構建部件展示動畫、自動拆裝動畫、加工仿真動畫和自動換刀動畫，進而實現(xiàn)加工中心的自拆裝功能、自動換刀功能和加工仿真功能，這樣有助于幫助學生快速了解整個機床結(jié)構、工作原理和換刀原理等。將三維模型和動畫導入到虛擬現(xiàn)實軟件中，設定視覺與物體的定位點，用戶的觀察模式等。加工中心三維模型的所有動作是通過編程實現(xiàn)的，分別對加工中心三維模型中的8 個分系統(tǒng)設定獨立拆裝程序，實現(xiàn)單獨分系統(tǒng)的拆裝，再設定將加工中心拆分為8 個分系統(tǒng)程序，將以上程序整合，實現(xiàn)加工中心三維模型的手動拆裝功能。將所有模型、軟件和控制程序均放在計算中心，整合為加工中心虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)，老師和學生均可通過教學系統(tǒng)的輸入設備、輸出設備進行教學任務與自主學習。

（二）虛擬現(xiàn)實技術在受迫成形技術教學中的應用方法

受迫成形指材料在外界和外力約束條件下形成特定形狀和表面的一種等材加工方法，如鍛造、沖壓等。以特種鑄造技術中的壓力鑄造為例，壓力鑄造將金屬或者非金屬液態(tài)注入模具型腔中，在一定的壓力作用下，冷卻凝固形成鑄件的方法。為適應高壓環(huán)境，壓力鑄造一般采用金屬、陶瓷模具型腔。壓力鑄造的高壓高溫環(huán)境，危險系數(shù)高，不宜進行現(xiàn)場教學，因此可以構建壓力鑄造的虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)用于教學。首先構建壓鑄型、坩堝、加壓系統(tǒng)、壓室和實驗室的三維模型，對三維模型進行渲染，再將模型導入虛擬現(xiàn)實軟件中，設定實驗室環(huán)境。編寫程序，設定壓力鑄造虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)具有演示、認知和操作三種功能。演示功能演示坩堝內(nèi)的紅色液體，在加壓系統(tǒng)的作用下，通過壓室進入到壓鑄型腔，并保持一定壓力，使紅色液體在壓鑄型腔冷卻形成灰色固體的過程，該功能通過提前設定動畫來實現(xiàn)。認知功能介紹壓鑄系統(tǒng)的組成、優(yōu)點等，該功能允許學生場景漫游，當學生移動到設備旁邊時，自動彈出設備的簡介、使用方法等動畫。操作功能是在學生使用輸入、輸出設備，手動操作坩堝燒制金屬液體，更換壓鑄型腔模具，控制加壓系統(tǒng)對液體進行加壓，使其在高壓狀態(tài)下流入壓鑄型腔，并冷卻形成均勻鑄件的過程。老師和學生均可通過教學系統(tǒng)的輸入設備、輸出設備進行教學任務、自主學習和操作工藝評定等任務。

（三）虛擬現(xiàn)實技術在自動化倉庫教學中的應用方法

自動化倉庫實行無人管理，能夠自動存取貨物，并進行信息集成管理。因自動化倉庫系統(tǒng)龐大，高校一般不會引進這類實驗設備。自動化倉庫主要由貨架、堆垛機和管理控制系統(tǒng)構成。構建自動化倉庫的虛擬教學系統(tǒng)，分別設定認識功能單元、演練功能單元。認知功能單元介紹自動化倉庫的種類、特點、結(jié)構和工作原理等。演練功能單元主要介紹倉庫貨物的自動存放功能、自動取貨功能、信息管理系統(tǒng)功能和手動存取貨物功能。首先構建自動化倉庫的三維模型，建立虛擬倉庫的存放環(huán)境，分別構建貨架單元、堆垛機，并將貨架單元按照一定規(guī)律放置在倉庫中，在貨架之間鋪設軌道，將堆垛機安置在軌道上，在倉庫的出入口設定倉庫的管理控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示倉庫存貨貨物的各類信息。將構建好的三維模型導入動畫制造軟件，進行圖片渲染，增強模型的三維效果與真實性，分別制作自動化倉庫介紹動畫、貨物自動存取動畫、倉庫信息自動展示動畫、手動控制堆垛機存取貨物動畫及手動查閱和修改管理控制系統(tǒng)動畫。將三維模型和動畫導入虛擬現(xiàn)實模擬系統(tǒng)中，生成自動化倉庫的虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)。學生通過輸入、輸出設備訪問教學系統(tǒng)，沉浸式、體驗式學習自動化倉庫的知識點，并且也可以通過手動控制功能，將學生視角放置在堆垛機上，體驗學習堆垛機存取貨物的整個過程，也可以通過手動查閱和修改管理控制系統(tǒng)。

（四）虛擬現(xiàn)實技術在自動化裝配教學中的應用方法

本節(jié)以手動變速箱的工業(yè)機器人自動裝配為例，構建基于工業(yè)機器人的手動變速箱自動化裝配的虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)。為提高教學系統(tǒng)的廣泛適用性，設定如下幾個功能單元，系統(tǒng)架構如圖3 所示。工業(yè)機器人認知單元、工業(yè)機器人拆解單元、工業(yè)機器人裝配單元、工業(yè)機器人手動拆裝單元、變速箱認知單元、變速箱換擋動作仿真單元、變速箱拆解單元、變速箱裝配單元、變速箱手動拆裝單元、工業(yè)機器人拆解變速箱單元和工業(yè)機器人裝配變速箱單元。分別構建工業(yè)機器人、手動變速箱的三維模型，渲染模型顏色和紋理，并且制作工業(yè)機器人認知單元動畫、工業(yè)機器人拆解仿真動畫、工業(yè)機器人裝配仿真動畫、變速箱認知單元動畫、變速箱拆解動畫、變速箱裝配動畫、工業(yè)機器人拆解變速箱動畫和工業(yè)機器人裝配變速箱動畫，導入虛擬現(xiàn)實軟件中。設定不同的工作場景，允許同學選擇自己喜歡的工作場景，并且提供全局、機械手和變速箱三種顯示模式，使用不同的視角提高同學的學習理解能力。變速箱的工業(yè)機器人自動裝配虛擬教學方法可以進行機器人、變速箱、自動化裝配和裝配工業(yè)等內(nèi)容教學，并能調(diào)動學生的學習主動性，促進學生思考及實踐。

圖3 基于工業(yè)機器人的手動變速箱自動化裝配的虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)架構圖

四、結(jié)束語

基于虛擬現(xiàn)實技術，提出了先進制造技術課程的創(chuàng)新教學方法，以柔性制造單元（加工中心）、受迫成形技術（壓力鑄造）、自動化倉庫和自動化裝配（手動變速箱的工業(yè)機器人自動裝配）為例，提出了虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)的創(chuàng)建方法。學生沉浸式的學習先進制造技術的理論知識，采用理論與實踐相結(jié)合的方式，增強學生對理論知識與技能的理解能力與實踐操作水平，可培養(yǎng)學生的工程綜合素養(yǎng)，顯著提升學生的工程創(chuàng)新與實踐能力?；谔摂M現(xiàn)實技術的先進制造技術課程教學改革方法可以為機械類相關的本科生與研究生提供良好的教學效果，適應當代新工科背景下的學生培養(yǎng)與教學模式，具有良好的推廣價值與教育意義。