賀娟

摘 要：VR（virtual reality）技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)模擬出與現(xiàn)實(shí)一致的場景，生成一種交互式的三維動(dòng)態(tài)視景，從而實(shí)現(xiàn)主體在虛擬環(huán)境中的仿真體驗(yàn)?；谔摂M技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)勢，一方面，可以避免傳統(tǒng)機(jī)械制造專業(yè)中設(shè)備、原件、耗材等在實(shí)際的操練中大量的磨損、消耗與返工后的重復(fù)修改，節(jié)省了人力與財(cái)力，提高了機(jī)械制造的工作效率。另外一方面，將VR技術(shù)運(yùn)用于課堂教學(xué)中，可以提高學(xué)生對(duì)硬件精密程度的感知能力和學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)創(chuàng)造思維，實(shí)現(xiàn)“人-人”互動(dòng)、“人-機(jī)”互動(dòng)的現(xiàn)實(shí)模擬場景。這極大地提高了學(xué)生們后期頂崗實(shí)習(xí)走入工作崗位的實(shí)操能力，為企業(yè)提供更多優(yōu)質(zhì)人才。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù);高職;機(jī)械制造

VR（virtual reality）技術(shù)，即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是指創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實(shí)世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它能夠利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成一種模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的逼真而形象的虛擬世界。與傳統(tǒng)的仿真軟件及系統(tǒng)相比較，它是仿真技術(shù)與傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合，是一門交叉性前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域，其模擬性、交互性、實(shí)際操作性更強(qiáng)。目前，VR技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，如外科手術(shù)、軍事模擬虛擬戰(zhàn)場訓(xùn)練、體育訓(xùn)練、心理咨詢、航空航天、交通運(yùn)輸、室內(nèi)裝潢設(shè)計(jì)、環(huán)境監(jiān)測、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等方面。利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，讓人足不出戶獲得身臨其境般的體驗(yàn)。這樣能夠節(jié)省成本，打破實(shí)驗(yàn)場地、設(shè)備、配套人員、工具、材料等限制，將最大化實(shí)現(xiàn)虛擬演練，規(guī)避種種風(fēng)險(xiǎn)，為真正進(jìn)入現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的操作奠定基礎(chǔ)。

基于VR技術(shù)的前景與優(yōu)勢，我們將討論其在機(jī)械制造專業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。在高職院校的機(jī)械制造課程教學(xué)中，理論授課和實(shí)踐操作，兩者是缺一不可的。VR技術(shù)能夠很好地實(shí)現(xiàn)兩者的有機(jī)結(jié)合，一方面，老師可以一面講解，一邊呈現(xiàn)虛擬的場景，實(shí)現(xiàn)講解與操作同步，避免枯燥的理論授課，提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣;老師還可以先講授，然后自己示范，最后讓學(xué)生跟學(xué);老師也可以讓學(xué)生來直接操作，讓其暴露自己在操作過程中薄弱或缺乏的知識(shí)，帶著這些實(shí)踐中的疑問再回過頭來學(xué)習(xí)理論知識(shí)，學(xué)習(xí)完理論知識(shí)再回到虛擬現(xiàn)場的操作中，幫助解決之前的困惑。另一方面，學(xué)生們通過虛擬操作可以降低在實(shí)際機(jī)械制造工藝中的設(shè)備、原件、材料的耗損，通過虛擬演練，適當(dāng)規(guī)避實(shí)際制造過程中的風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約教學(xué)成本，提高學(xué)習(xí)效率。

一、機(jī)械制造教學(xué)現(xiàn)狀分析

由于傳統(tǒng)的機(jī)械制造專業(yè)在教學(xué)中存在的弊端給我們的教學(xué)工作帶來一定程度的阻礙，認(rèn)清這些因素有利于我們利用VR技術(shù)手段來改進(jìn)教學(xué)。

（一）從招生角度來看

由于國家近些年來鼓勵(lì)職業(yè)教育的發(fā)展，職業(yè)學(xué)院響應(yīng)號(hào)召擴(kuò)大招生規(guī)模，學(xué)生基數(shù)劇增，使得教學(xué)資源嚴(yán)重吃緊，如模具數(shù)量短缺、實(shí)訓(xùn)場地狹小、工藝耗材量大等，為了緩解教學(xué)班在使用機(jī)械制造實(shí)訓(xùn)工場的壓力，有些職業(yè)院校不得不壓縮學(xué)生使用機(jī)床的教學(xué)課時(shí)，減少了大家的實(shí)操時(shí)間，這樣嚴(yán)重影響了教學(xué)進(jìn)程與課程設(shè)置，也不利于學(xué)生未來的專業(yè)發(fā)展。

（二）從實(shí)訓(xùn)廠房設(shè)備的角度來看

目前，大部分職業(yè)院校都建立了實(shí)訓(xùn)基地，這需要大面積場地、建設(shè)實(shí)訓(xùn)樓房、購買機(jī)械制造設(shè)備、模具、刀具、工藝材料等，還需配備機(jī)械操作人員與管理人員等等，這都需要巨大的經(jīng)費(fèi)投入。而且，一些大型設(shè)備，如減速器、軸承、機(jī)械手、離合器、制動(dòng)器、聯(lián)接等原材料在長期的使用過程中由于不當(dāng)?shù)夭僮鳌r(shí)間因素、突發(fā)停電等原因會(huì)造成折舊、損壞與磨耗等，這些都是一筆巨大的教學(xué)開支，也為教學(xué)的投入增加了大量的成本，也限制了專業(yè)的深入發(fā)展。

此外，校內(nèi)實(shí)訓(xùn)工場只是某一單一工種的模擬和訓(xùn)練，學(xué)生并沒有實(shí)實(shí)在在地參與實(shí)際工廠完整的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，也不熟悉各個(gè)崗位的工作具體要求，現(xiàn)實(shí)企業(yè)的“設(shè)計(jì)要求、生產(chǎn)質(zhì)量、成本控制、出貨日期、跟蹤服務(wù)”等無法得到有效的展現(xiàn)，因此，學(xué)生無法體驗(yàn)到一種真實(shí)的工作環(huán)境和工作氛圍。

（三）從師資的角度來看

目前，較多高職院校的機(jī)械制造專業(yè)授課老師們的專業(yè)水平都有了普遍的提高，甚至有不少的研究生來承擔(dān)專業(yè)課的教學(xué)。然而這些高學(xué)歷層次的老師擅理論研究，很少在企業(yè)工作過，因此，缺乏一定的應(yīng)用技能和與市場接軌的工作經(jīng)驗(yàn)，無法了解企業(yè)需要的真正技能人才。

（四）傳統(tǒng)數(shù)控仿真軟件的缺陷

當(dāng)前，有些高職院校采用數(shù)控仿真軟件來模擬機(jī)床操作，如菲克、宇航等，這些數(shù)控軟件能夠加工出模具的一個(gè)大概輪廓，無法達(dá)到精確的尺寸要求，加工過程相對(duì)粗糙，生產(chǎn)出的工藝品劣品較多，也無法驗(yàn)證加工結(jié)果，更不能讓學(xué)生真實(shí)感受不當(dāng)操作帶來的不安全隱患。這樣會(huì)造成對(duì)真正的機(jī)械制造的理解不深刻。

二、VR技術(shù)的特征概述

（一）沉浸感（Immersion）

VR技術(shù)根據(jù)人類的視覺、聽覺的生理心理特點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中產(chǎn)生逼真的三維立體圖像，使用者通過交互設(shè)備，如頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、鼠標(biāo)、鍵盤等來接受信息，將自己置身于虛擬環(huán)境中，學(xué)生們可以與虛擬環(huán)境中的機(jī)械工具進(jìn)行互動(dòng)，就如同現(xiàn)實(shí)世界一樣。這一特征明顯區(qū)別于三維仿真技術(shù)和3D影視技術(shù)，實(shí)現(xiàn)使用者的視覺、聽覺與外界的分離，讓自己沉浸其中，切身體驗(yàn)機(jī)械建模、部件設(shè)計(jì)、元件組裝等工藝過程，達(dá)到身臨其境的效果。

（二）構(gòu)想性（Imagination）

在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中裝有視覺、觸覺、聽覺的傳感電子元件及反應(yīng)裝置， 因此使用者在虛擬環(huán)境中可同時(shí)獲得視覺、聽覺、觸覺、動(dòng)覺等多種感知，這樣可以提高學(xué)生在機(jī)械元件設(shè)計(jì)、機(jī)床操作和維修等上對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的感知程度、認(rèn)知程度，將虛擬現(xiàn)實(shí)與真實(shí)現(xiàn)實(shí)的環(huán)境實(shí)現(xiàn)良好的結(jié)合，從而使學(xué)生深化概念認(rèn)識(shí)和產(chǎn)生新的聯(lián)想，使抽象概念具體化，激發(fā)人的創(chuàng)造性思維。

（三）交互性（Interaction）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的人機(jī)互動(dòng)遠(yuǎn)超其它的人機(jī)互動(dòng)系統(tǒng)，更為逼真和接近自然的環(huán)境。使用者可以通過電腦鍵盤、鼠標(biāo)、VR眼鏡、VR數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣、手機(jī)等設(shè)備進(jìn)行信息的輸入和輸出的傳感設(shè)備進(jìn)行交互。計(jì)算機(jī)中VR技術(shù)系統(tǒng)能根據(jù)使用者的頭、手、眼、耳、語言及身體姿勢來調(diào)整系統(tǒng)呈現(xiàn)的圖像及聲音。學(xué)生們只需要通過自身的語言、肢體動(dòng)作等自然地方式對(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行操作、合作與互動(dòng)，處理對(duì)象更為逼真和形象。

虛擬技術(shù)的這三大特征與機(jī)械制造結(jié)合起來，可以有效地調(diào)動(dòng)使用者的多個(gè)感覺器官參與機(jī)械設(shè)計(jì)、原件制作和機(jī)械操控，充分實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，讓學(xué)生更真實(shí)了解機(jī)械制造的完整工藝流程，讓機(jī)械制造的準(zhǔn)確性和效率都得以提高。

三、VR技術(shù)的創(chuàng)造性應(yīng)用

VR技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中實(shí)際應(yīng)用衍生出了一個(gè)詞匯——虛擬制造（Virtual Manufacturing），這是將機(jī)械制造的流程通過計(jì)算機(jī)的映射，在虛擬技術(shù)、高性能計(jì)算機(jī)、高速網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)設(shè)備等支持下，配合計(jì)算機(jī)群組協(xié)同工作，把制造產(chǎn)品的流程與技術(shù)集成在三維的、動(dòng)態(tài)的數(shù)字模型之上，高效建模，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的精確制造和加工。

（一）機(jī)械制造的虛擬概念設(shè)計(jì)

學(xué)生可以利用VR技術(shù)按照?qǐng)D紙要求來設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬的產(chǎn)品，分析和檢查產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是否符合尺寸、大小、性能、質(zhì)量等要求，如果發(fā)現(xiàn)問題可以進(jìn)行及時(shí)修改，避免了工場實(shí)地操作需要耗損大量原材料，也避免了實(shí)際制造過程中出差錯(cuò)而進(jìn)行第二次返工設(shè)計(jì)，這節(jié)約了人力成本的開支和提高了工作效率。學(xué)生可以模擬客戶不同的需要，在虛擬環(huán)境下設(shè)計(jì)和修改不同的產(chǎn)品樣式，給予學(xué)生更多的犯錯(cuò)機(jī)會(huì)和學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，使得學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)和表達(dá)的思路更加清晰明了，強(qiáng)化學(xué)生的設(shè)計(jì)理念和對(duì)概念的理解，也給學(xué)生們呈現(xiàn)出一個(gè)更加形象、生動(dòng)地標(biāo)本。

（二）機(jī)械制造的虛擬設(shè)計(jì)

在三維的虛擬環(huán)境中能夠?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行觀察、操作和設(shè)計(jì)，將VR技術(shù)引入到CAD作圖環(huán)境中，這種虛擬環(huán)境中設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品具有實(shí)物一樣的特性，如重量、尺寸大小、材料性能、硬度、外觀等物理性能等?？梢岳锰摂M技術(shù)組建模型的各個(gè)零部件，核查部件之間的間隙是否達(dá)標(biāo)、軸承的對(duì)接有無差錯(cuò)、部件的組裝是否正確以及部件的外觀設(shè)計(jì)是否合理等，避免了出廠產(chǎn)品的質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。

（三）機(jī)械制造的虛擬制造

在虛擬制造階段中，讓學(xué)生在虛擬的環(huán)境中準(zhǔn)備好圖紙、工藝卡，根據(jù)工單任務(wù)領(lǐng)料，調(diào)試好夾具，上好刀具，查驗(yàn)設(shè)備有無故障，在這個(gè)過程可以通過同學(xué)們自檢、互檢相結(jié)合的方式進(jìn)行，并向班組、檢驗(yàn)員進(jìn)行報(bào)告說明。在檢查階段完成后，按照?qǐng)D紙、施工標(biāo)準(zhǔn)、工藝的要求進(jìn)入正式生產(chǎn)。在正式操作過程中，要注意工件防護(hù)、現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)、規(guī)范自己的操作流程等。在生產(chǎn)流程結(jié)束后，需辦理轉(zhuǎn)序手續(xù)，在工序流程卡上做好登記記錄。嚴(yán)格按照真實(shí)工作準(zhǔn)備步驟來演練。這樣能夠在虛擬的環(huán)境中扮演不同的角色，承擔(dān)不同的崗位職責(zé)，熟悉機(jī)械制造工作流程。這對(duì)自然環(huán)境的模擬是一個(gè)很好的演練。這有利地增強(qiáng)學(xué)生們的學(xué)習(xí)體驗(yàn)、心理沉浸感，實(shí)現(xiàn)了情境學(xué)習(xí)和知識(shí)遷移等。

（四）機(jī)械制造的虛擬測試

在產(chǎn)品生產(chǎn)出來之后，要考查產(chǎn)品的性能、質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)。通過VR觀察模型的系統(tǒng)外形，檢查夾具拼裝、界面操作是否友好、人機(jī)交互性能、組合儀表測試、葉輪加工模塊等，通過對(duì)產(chǎn)品的組裝和試用就發(fā)現(xiàn)是否存在問題。這樣以便在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行調(diào)整和修改，生成新的模型，保證產(chǎn)品質(zhì)量符合客戶要求，避免產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的瑕疵。

五、總結(jié)

VR技術(shù)在機(jī)械制造專業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用是一種歷史趨勢，它將從根本上改變機(jī)械制造和設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)模式。將VR技術(shù)引進(jìn)機(jī)械制造專業(yè)的課堂教學(xué)中，在生產(chǎn)系統(tǒng)和工藝過程中進(jìn)行建模、修改、分析及優(yōu)化將會(huì)節(jié)約人力、物力成本，為學(xué)校的持續(xù)教學(xué)指明方向，同時(shí)，也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、動(dòng)手能力與思考能力。

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（作者單位：貴州裝備制造職業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550000）