VR技术在机械设计制造教育领域的应用探索
吴峥强
摘? 要 VR（虚拟现实）自从概念出现，就不断带来各种热潮。VR最初的发展侧重游戏体验，进而慢慢渗透到很多行业领域。介绍机械行业具有发展VR技术的多种有利条件，探索将VR技术运用于机械设计制造教育领域的方式。VR的引入能克服机械行业传统教学模式的某些不足，合理利用其优势将会使教学活动更为生动、教学内容更为丰富、教学参与性更强，预期具有良好的应用前景。
关键词 VR技术;机械设计制造;教育领域;虚拟现实;Fac-toryCAD
中图分类号：G712? ? 文献标识码：B
文章编号：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
斯皮尔伯格导演的科幻大片《头号玩家》，讲述了在VR（虚拟现实）的虚幻世界里人类一种新奇的生活方式，广泛地激发了人们尤其是年轻人对VR的浓厚兴趣。与普通游戏不同的是，VR技术带给人类越来越真切的虚拟体验，可以想象，随着VR技术的进步，虚拟与现实之间的界线会越来越模糊，这将对未来人类的生活产生极大的影响。在国内，2016年已被认为是中国虚拟现实元年，这项前沿科技近年来发展迅速，并得到广泛应用[1-2]。如果将VR技术引入机械设计制造专业现代教育领域，预期具有良好的应用前景。
2 VR技术应用于教育领域的潜力
VR技术被称为“计算机模拟现实”或“沉浸式多媒体”，是21世纪重要的发展学科，可能是极大改变人们生活的重要技术之一，是一种综合了计算机图形学、传感器技术、人机接口技术以及人工智能技术等多领域成果的新技术，目标是提升人机交互的功能，达到真实的视觉、触觉、听觉和嗅觉体验效果[3]。
与传统的人机交互模式不同的是，在虚拟现实环境中，通过传感器与虚拟环境连接，用户可以对虚拟环境内的物体进行操作，并且产生各种感受，其体验如同身臨其境。如在虚拟工厂中行走，正处于生产状态的机器不断传来各种声响;传送带输送的物料不断往前移动，搬下一件自己所需的工件，感受到沉重;流水线上的发动机移到跟前，安装上自己工位的组件。虚拟工厂环境如图1所示。
大量案例证明，VR可以给学习者带来放松、愉悦、感兴趣等积极情绪，激发学习动机[4]。VR技术通过创设逼真的场景，提供动态的交互设置，学习者能高度参与其中，无论是虚拟仿真工厂，还是模拟工作场景，VR技术都能将学习者置身于所需解决问题的情境中。另外，学习者在VR中学习，往往伴随着角色扮演，被赋予明确的角色，如产品的设计师、生产线上的装配工、机床的操作工等。学习者尤其是青少年学习者更习惯于这种自我表征方式，能通过角色表达所思、所感，甚至较为容易地切换不同的角色获取更广泛的学习体验。更重要的是，这种学习体验还会激发学习者的创造力和想象力。
机械行业传统教学往往受实验实训条件限制，教学与真实的情境较为脱节，导致学生知识迁移意识不强、效率低下。VR能实现教学内容和知识的可视化，增强学习的沉浸感，增加师生、生生及学生与环境之间的交互。VR情境学习通过设置真实的工作情境，促进学习的发生，通过提供丰富的感知线索以及多通道（如视觉、触觉、听觉等）的反馈，帮助学习者将虚拟情境所学迁移到真实生活中，实现高效、生动、全面的学习。正如周明全教授的观点：虚拟现实是促进教育变革的重要技术手段[5]。
3 VR在机械行业的应用具有的技术基础
虚拟制造技术的发展为VR在机械行业的应用奠定基础? 随着现代计算机技术的发展，机械行业越来越多的工作内容迁移到软件系统进行，其集成为虚拟制造技术。这种虚拟制造技术以计算机仿真技术为前提，对产品设计、加工制造等生产过程进行统一建模;在产品设计阶段，模拟出未来制造及使用的全过程，从而能够更有效、更经济、更柔性灵活地组织生产，以达到产品设计的最优化、开发成本和周期的最小化、生产效率的最高化[6-7]。
机械产品的主体实物属性使得虚拟设计技术发展十分成熟，三维CAD（计算机辅助设计）软件系统可简易、快速、灵活地完成各种模型的建构（包含零件设计及虚拟装配）;机构仿真CAE（计算机辅助工程）技术让所设计的机器产品实现可视化的虚拟运动，进而检测设计的合理性并反馈设计改进;设计完成的产品零件通过CAM（计算机辅助工程）技术编制加工工艺，并通过可视化的模拟加工保证制造的可行性。当前，基于集成化的CAD/CAM/CAE软件系统完成上述工作越来越大众化，这些计算机虚拟制造技术为精确制造提供保障，使得机械行业的VR技术发展具有关键的技术基础。
数字化工厂技术和激光扫描技术为场景外设提供帮助? 数字化虚拟制造需要建设工厂环境三维模型，利用软件系统可以快速地实现三维数字化工厂搭建。如软件系统Fac-toryCAD，它以AutoCAD为基础，利用所开发的模型库，进行参数化定义，在工艺规划的图层中将工厂中所需的设备资源进行准确定位即可。此软件还支持外置设备资源数据库导入功能，扩充FactoryCAD软件三维数字化工厂模型库[8]。
针对特定的工厂环境和标准的工位环境，还可利用激光扫描的方式采集数据并建构环境模型。这种方式建构虚拟模型的效率非常高。激光扫描建模法是采用激光扫描设备对实物模型进行360°扫描，将扫描得到的点云数据进行拟合拼接，然后在辅助设计软件平台上依托点云数据建构模型[9]。其流程如图2所示。
激光扫描模型建构工作不局限于专业的扫描设备，当前甚至发展出手机三维扫描VR技术。如采用前置3D结构光的手机，支持3D物体扫描功能。扫描过程很简单，如扫描一只熊猫玩偶，保持前置镜头距离20～30厘米，然后转动熊猫玩偶（也可转动手机），直到完成每个角度的扫描，整个过程在一分钟以内，合成过程在30秒以内，如图3所示。这个虚拟的玩偶还支持通过后置AR的形式直接叠加到现实场景中，如图4所示。VR场景外设通常对精度要求不高，通过上述两种技术手段已能较好地解决问题。
4 VR应用于机械设计制造教育领域的模式
VR虚拟设计应用教学? 机械设计教学知识覆盖面广，相关零部件门类较多、系列规格繁复，教学往往在理论层面进行。这些问题可利用VR技术实现极大改进。VR虚拟设计教学可以分成四个阶段。
1）VR虛拟设计开展前，首先建设完整的分门别类的资源数据库，如典型的工作项目场景模型库、工艺装备模型库、系列标准零部件模型库。通过搭建完整的、系列的数据资源库，使零部件资源、设备资源、工艺资源等标准化、模块化，方便后续的灵活调用。
2）VR机械设计认知阶段，使用者进入虚拟库房，可分门别类地查看各种机构装置。如进入连杆机构库房，通过卫星天线装置、破碎机装置学习曲柄摇杆机构，还可变更连杆长度演示学习曲柄和摇杆的不同组合;进入扩展子库房可进一步观察连杆机构更多的实际应用场景，甚至游戏般的现场操作机构运行。又如进入齿轮机构库房，直齿轮、斜齿轮、锥齿轮、蜗轮蜗杆等分门别类摆放;进入各子库房，同类但不同规格的齿轮成系列地展示，触碰可查看详细规格参数并可进入相应实际应用场景。通过这种方式能全面且直观地认知机构。
3）除了认知学习，VR还可非常便捷地开展典型的设计应用学习。如减速器装拆实训，牛亚峰[10]、朱金达[11]已在这个项目上完成完整的VR实验研究，在基于VR技术开发的减速器设计虚拟仿真实验场景中（见图5），通过逼真的现场感与实时的交互性，充分调动学生的学习积极性。设计不同类型的减速器VR资源便可指导学生学习各种减速器的设计工作，其他各种机器的设计也可参照这种方式开展。
4）对于复杂的设计工作，需进一步发挥VR技术的优点：可直接进行三维操作对产品模型进行管理，以自然、直观的方式表达设计概念，通过视觉、触觉、听觉等反馈，感知设计模型的几何属性、物理属性与行为表现。在此过程中，完成零部件模型创建、标准件选用、虚拟装配分析、机构运动仿真等工作，不断检验修改设计缺陷，直至获得最优设计方案。这种VR技术已在汽车、航空工业得到较多应用，如波音飞机的设计是VR技术应用的早期成功范例。20世纪90年代，设计人员在设计波音飞机时，建立了虚拟飞机的三维模型，使用头盔显示器和数据手套进行观察和控制;通过直接穿行于虚拟的飞机之中，身临其境般地观察设计效果。德国大众公司也推出一套名叫Cave的3D VR展示系统，在Cave系统内，使用者戴上专用眼镜看到的是汽车内部的三维图像，从而可以检测汽车的内部布局（如仪表盘位置和座椅位置）是否合理;甚至还可以控制各种操纵杆，进行虚拟测试[12]。
VR数控加工技能操作应用教学? VR早期的重要应用是飞行员飞行技能培训，这种技能训练方式安全性高、成本低、实效好。数控加工也是一种操作性的技能，是VR应用的极佳场合。当前数控加工领域的教学存在两种典型问题：一是设备较为昂贵，通常难以保证足够工位进行实操教学训练;二是编程语言学习和实操训练通常是分开进行，缺乏连贯性。VR借助较少的硬件和软件系统，非常容易开展重复性、流程性的学习，因此，利用VR技术能很好地克服上述问题。
当前，已有成熟的虚拟机床模拟训练系统，如宇龙数控仿真软件，可以实现机床操作全过程的仿真，而且机床类型丰富，常用数控系统如FANUC、SIEMENS、华中数控等都可选择。另外，软件界面友好、操作简单[13]，如图6所示。这相当于VR数控加工技能培训内核系统已拥有成熟的技术，但是当前这些虚拟机床操作方式为“电脑上点击鼠标”，这种方式缺乏真实感，仍然像在电脑上进行理论学习。附加VR外设系统后，即可变成VR数控加工技能培训系统，可身临其境般地进入机加工车间现场操作机床。因此，VR数控加工操作应用教学具有更便利的技术基础，能更方便地应用实施。
VR虚拟安装、维修应用教学? 某些特殊领域的机械设备安装及维修非常适合VR技术的应用，下面介绍几例。
1）电梯三维虚拟安装、维修仿真系统。采用VR技术开展虚拟安装和虚拟维修，可显著降低电梯安装和维修培训的安全风险，解决周期长、成本高的问题[12]。利用计算机辅助设计技术建构三维模型，利用VR技术创设施工作业场景，利用三维动画渲染技术制作工作过程动画，编制程序使学习者与虚拟场景中的虚拟对象进行交互式虚拟安装和虚拟维修。
2）民用航空发动机维修。发动机昂贵、复杂，VR虚拟维修系统可采用Autodesk Maya作为建模工具，构建发动机三维模型和虚拟场景，以Unity3D虚拟仿真软件作为开发引擎，Microsoft Visual Studio作为程序开发整合平台，设计一套基于Unity3D的航空发动机虚拟维修仿真系统。这套系统可极大地节省成本，降低维修培训的难度[14]。
3）其他维修应用领域。世界范围内，许多国家的航空公司都在进行用于飞机检测人员培训的虚拟现实系统的开发，以期提高飞机检测质量和可靠度的培训。美国宇航局为执行任务的宇航员建立了虚拟的太空环境，从中完成各种模拟维修活动。哈勃望远镜的虚拟维修系统，宇航员经其训练后，成功完成真实的太空维修任务，这是第一次大规模应用虚拟维修技术并成功完成实际任务。再如洛克希德马丁公司的F-16战斗机项目，淘汰了多个金属实物模型，利用虚拟维修系统进行维修性分析，减少了公司用于培训员工的费用和周期[15]。
可见，这些高风险、设备贵重、太空复杂环境等特殊场景下，都可通过搭建虚拟场景、建构硬件系统模型、编制操控系统软件的方式，实现VR的教学应用训练。
5 VR在机械行业教育应用中面临的难题
VR系统的集成化? 目前，应用于机械工程的产品设计系统（CAD系统）与VR系统实现了比较好的融合，但与产品开发其他阶段的结合相对较差;与工装夹具设计系统（CAFD）结合较好，但与车间现场生产管理等环节集成程度较低。VR系统的集成化有待进一步提高。
正确处理虚拟与现实的关系? 不管是虚拟现实技术还是虚拟仿真软件，构造的都是一个虚拟的世界，与现实环境还是存在一定差距的。如虚拟机加工，最终完成加工的工件是否合格，会受很多实际因素影响;虚拟装配时，是理想模型的装配，而实际装配时，零件加工时不可避免的各种偏差需要在装配中加以修正，需要很强的技术性和经验性。这些都是VR暂时难以解决的。
VR系统开发的专业性过强? VR系统开发的专业性过强，除了硬件支持外，还需专业的软件系统支撑。可由专业性的机构开发通用性的培训学习项目，但覆盖面难以兼顾;专用性的培训项目需要有较好的制作平台，这些都存在大量的工作需要推进。
避免VR教学应用的娱乐化? VR存在较强的娱乐性，当前大量的实用案例是各种游戏体验，应用于机械行业教学时需要克服娱乐化。
6 结语
VR技术的快速发展带来新鲜且震撼的科技体验，如果将其引入机械设计制造教育领域，能克服传统教学模式的某些不足，合理利用其优势将会使教学活动更为生动、教学内容更为丰富、教学参与性更强。VR技术有自身缺点，但随着科技的进步，相信VR能在机械设计制造教育领域发挥重要的辅助作用。
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