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        機(jī)電專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)

        2021-02-21 08:19:18周偉彬汪楓唐文輝張琳任磊
        科技風(fēng) 2021年4期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)平臺機(jī)電專業(yè)虛擬仿真

        周偉彬 汪楓 唐文輝 張琳 任磊

        摘?要:針對機(jī)電專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的問題,空軍預(yù)警學(xué)院深入開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究,構(gòu)建機(jī)電專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺,實(shí)現(xiàn)了多媒體技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)的深度融合。實(shí)踐效果表明,該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺能夠充分調(diào)動學(xué)生的積極性,提高教學(xué)實(shí)訓(xùn)效率。

        關(guān)鍵詞:虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)平臺;機(jī)電專業(yè)

        中圖分類號:G647?文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

        近些年我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,制造業(yè)規(guī)模已成為全球第一,逐步建立起種類齊全、相對完整的制造業(yè)體系,但與發(fā)達(dá)國家相比仍有較大差距,尤其是自主創(chuàng)新能力弱、核心技術(shù)與尖端裝備對外依賴程度高。要成為制造業(yè)強(qiáng)國,就需要一大批高技能的機(jī)電一體化復(fù)合型人才,如何培養(yǎng)出滿足社會要求的人才是高校建設(shè)過程中很重要的問題。人才培養(yǎng)的核心是課程體系建設(shè),其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)是重要的一環(huán)[1-2]。

        實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要載體,需要有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺作為支撐[3]。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以實(shí)體設(shè)備為對象,采用實(shí)物展示或動手操作的形式,具有直觀、真實(shí)、簡捷的優(yōu)點(diǎn),但存在著操作空間受限、運(yùn)行成本過高、開放共享困難等不足。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠減少場地對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響、降低實(shí)驗(yàn)成本、避免實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn),豐富實(shí)體教學(xué)的體驗(yàn),拓展學(xué)生視野;同時(shí)極大地調(diào)動學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課程的積極性,引導(dǎo)學(xué)生主動思考、主動探索,有利于學(xué)生掌握和理解相關(guān)知識重點(diǎn)[4-7]。

        虛擬仿真實(shí)驗(yàn)畢竟不是真實(shí)實(shí)驗(yàn),其本身存在局限性,模擬實(shí)驗(yàn)軟件的功能也可能不盡如人意,導(dǎo)致學(xué)生對結(jié)果真實(shí)性持懷疑態(tài)度[8]。因此,本文的研究采取實(shí)際教學(xué)與虛擬教學(xué)相互補(bǔ)充的策略,大力開發(fā)完善虛擬仿真軟件,增強(qiáng)軟件的操作性和趣味性,培養(yǎng)學(xué)生科研興趣,提高學(xué)生的自主探究能力。本文討論了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)的思路,分析了平臺建設(shè)的具體措施,為其他平臺的建設(shè)提供借鑒與參考。

        1 平臺建設(shè)基本要求

        1.1 建設(shè)內(nèi)容

        機(jī)電類專業(yè)信息化教學(xué)需要構(gòu)建軟件模型庫,本文采用三維軟件開發(fā)電機(jī)關(guān)鍵部件,具備實(shí)現(xiàn)電機(jī)工作原理、典型電機(jī)拆裝與維護(hù)的虛擬演示等功能。其中電機(jī)三維模型庫是平臺建設(shè)的基礎(chǔ),主要包括電機(jī)的三維立體模型及動畫。考慮到實(shí)際教學(xué)需要,電機(jī)上明顯的細(xì)小部件、管線、螺母均進(jìn)行建模,電機(jī)模型與實(shí)際電機(jī)相似度90%以上。針對教學(xué)實(shí)際應(yīng)用場景進(jìn)行分析,制作燈光渲染和烘焙材質(zhì)光影,更高層次地體現(xiàn)虛擬場景美觀度和真實(shí)性。

        結(jié)合機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn),按照實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛實(shí)互補(bǔ)的原則,構(gòu)建“三平臺、八模塊”的機(jī)電專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,如圖1所示。三平臺為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺、工程型實(shí)驗(yàn)仿真平臺和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺,包含了原理類實(shí)驗(yàn)?zāi)K、認(rèn)知類實(shí)驗(yàn)?zāi)K、設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)?zāi)K、制造類實(shí)驗(yàn)?zāi)K、專業(yè)實(shí)習(xí)模塊、工程訓(xùn)練模塊、綜合創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)?zāi)K、競賽創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)?zāi)K等8個(gè)模塊的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。該體系涵蓋空軍預(yù)警學(xué)院機(jī)電工程學(xué)科的所有實(shí)驗(yàn)教學(xué),可滿足士官、本科及研究生等不同階段的人才培養(yǎng)需求。

        1.2 研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)

        系統(tǒng)平臺采用Microsoft Windows 7及以上版本操作系統(tǒng),系統(tǒng)應(yīng)具備較強(qiáng)的擴(kuò)展能力且向下兼容,支持未來的發(fā)展和升級,并且能夠有效防止因系統(tǒng)資源消耗過多而導(dǎo)致系統(tǒng)異常崩潰。所有的軟硬件設(shè)計(jì)開發(fā)符合國家標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范。充分利用現(xiàn)有硬件設(shè)備,以減少不必要的資源浪費(fèi)。任何一個(gè)模塊維護(hù)更新不應(yīng)影響其他模塊,在升級過程中不影響系統(tǒng)的性能與正常運(yùn)行,保證系統(tǒng)可以穩(wěn)定、平滑過渡。系統(tǒng)應(yīng)具有良好的操作界面、詳細(xì)的幫助信息。具備安全管理機(jī)制,保證信息存儲安全和處理安全,保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行,不被非授權(quán)訪問,不被攻擊破壞。

        2 平臺總體設(shè)計(jì)

        2.1 技術(shù)架構(gòu)

        該平臺利用計(jì)算機(jī)仿真各種物理工程技術(shù),構(gòu)造一種以訓(xùn)練和教學(xué)為目的仿真培訓(xùn)系統(tǒng),在某種程度上再現(xiàn)一個(gè)真實(shí)行為。本文的設(shè)計(jì)思路是通過對電機(jī)關(guān)鍵設(shè)備裝配工藝流程、設(shè)備結(jié)構(gòu)原理等內(nèi)容進(jìn)行深入分析,搭建一套電機(jī)關(guān)鍵部件仿真平臺,可將設(shè)備模型系統(tǒng)載入并實(shí)現(xiàn)虛擬交互功能,可精確演示電機(jī)設(shè)備機(jī)構(gòu)及特性,提供交互組成結(jié)構(gòu)教學(xué)、虛擬拆裝、使用維護(hù)、工作原理教學(xué)。系統(tǒng)功能框架如圖2所示。

        其中,框架圖中的各層描述如下:

        (1)應(yīng)用層:包含業(yè)務(wù)處理的邏輯,包括用戶認(rèn)證、登錄、授權(quán)、組成結(jié)構(gòu)、設(shè)備組裝、設(shè)備拆卸、設(shè)備維護(hù)、工作原理仿真教學(xué)等基本功能;

        (2)支撐層:包括整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、軟件技術(shù)及模型支撐,可以保證大數(shù)據(jù)量的吞吐;

        (3)數(shù)據(jù)層:用于存儲和管理各種數(shù)據(jù),包括設(shè)備、工器具精確模型、場景數(shù)據(jù)庫、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)資料數(shù)據(jù)、學(xué)院信息數(shù)據(jù)及考試數(shù)據(jù)等。

        2.2 仿真機(jī)理

        本系統(tǒng)平臺具有真實(shí)物理屬性的仿真能力,在精確模型載入后,系統(tǒng)平臺應(yīng)可以針對模型物理特性進(jìn)行正確呈現(xiàn),包括:

        (1)能夠支撐大數(shù)據(jù)量模型的展現(xiàn),能夠同時(shí)對環(huán)境、產(chǎn)品、現(xiàn)場設(shè)備、操作人員等真實(shí)產(chǎn)品及環(huán)境情況進(jìn)行展示。

        (2)在物體遇到干涉情況時(shí),能夠根據(jù)操作施力方向,使物體沿著干涉表面形成劃動或被擠壓的運(yùn)動過程,使零部件能夠真實(shí)反映在物體接觸條件下的運(yùn)動狀態(tài)。

        (3)在動態(tài)干涉檢測過程中,能夠根據(jù)操作方向及加速度,給予明確的碰撞提示。

        (4)具備裝配位置自動捕獲的功能,當(dāng)通過交互設(shè)備拖拽零部件接近最終裝配位置時(shí),可根據(jù)周圍零部件位置及形狀自動提前判斷是否能夠裝配成功,并且通過不同顏色的預(yù)裝配區(qū)域進(jìn)行提示。

        (5)在對運(yùn)動進(jìn)行描述的同時(shí),該虛擬仿真系統(tǒng)能夠?qū)C(jī)構(gòu)的復(fù)雜運(yùn)動進(jìn)行仿真,通過定義運(yùn)動機(jī)構(gòu)的物理約束,模擬機(jī)構(gòu)發(fā)生的形狀及位置變化[9-10]。

        2.3 仿真與建模實(shí)現(xiàn)

        模擬與場景設(shè)計(jì)主要應(yīng)用3Dmax、Photoshop和zbrush等軟件。3Dmax主要解決3D模型的設(shè)計(jì)制作問題,Photoshop主要解決圖片處理問題,zbrush主要解決人物模型貼圖的處理問題。

        幾何數(shù)據(jù)采集內(nèi)容主要包括電機(jī)設(shè)備的高度、長度、基地形狀及尺寸、立面形狀及尺寸、頂面形狀及尺寸、斷面形狀及尺寸、斷面尺寸等實(shí)物的幾何外觀框架尺寸以及內(nèi)部部件的尺寸數(shù)據(jù)。幾何數(shù)據(jù)采集的方式包括從圖紙資料中提取、近景拍攝測量、三維激光掃描、全站儀測量。

        紋理數(shù)據(jù)采集內(nèi)容主要包括電力設(shè)備設(shè)施的外立面或表面的完整影響信息、局部影響信息、材質(zhì)視覺顏色信息等。紋理數(shù)據(jù)采集的方式包括攝影和計(jì)算機(jī)模擬制作,攝影所獲取的圖像、視頻資料是其主要采集方式,也是最真實(shí)有效的方式,簡單的模型紋理可通過計(jì)算機(jī)模擬制作來獲取。

        屬性數(shù)據(jù)采集信息內(nèi)容主要包括電力設(shè)備設(shè)施建模所需的固有內(nèi)容采集,如電力設(shè)備的設(shè)備編號、名稱、電壓等級、型號及材質(zhì)。屬性數(shù)據(jù)采集通過電力設(shè)備出廠資料、圖紙資料、生產(chǎn)管理信息、實(shí)地調(diào)查等方式來獲取。

        2.4 平臺集成

        將仿真教學(xué)設(shè)計(jì)到的靜態(tài)模型和動畫過程沉入虛擬仿真支撐平臺,包括:模型開發(fā)、組合裝配、模型優(yōu)化、模型輕量化處理、場景渲染、設(shè)備渲染、設(shè)備邏輯流程組合等。為了實(shí)現(xiàn)基于虛擬仿真教學(xué)的場景化應(yīng)用,將3D精確模型進(jìn)行技術(shù)處理和轉(zhuǎn)化,作為虛擬仿真教學(xué)的場景模型數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)模型的逼真呈現(xiàn)。

        3 平臺的教學(xué)實(shí)踐

        機(jī)電專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心于2018年正式組建,自建立以來,開設(shè)線上線下教學(xué)模式改革課程7門、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目27個(gè)、實(shí)驗(yàn)涉及9部教材。各實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)秩序良好,平臺運(yùn)行平穩(wěn)。教師通過虛擬仿真系統(tǒng)指導(dǎo)近百名學(xué)員完成課程設(shè)計(jì),指導(dǎo)二十余名學(xué)員參加院校學(xué)科競賽并獲獎。該綜合實(shí)驗(yàn)平臺使用后的統(tǒng)計(jì)(如下表所示)表明,士官及本科學(xué)員應(yīng)用平臺開展基礎(chǔ)性和工程性實(shí)驗(yàn)較多,研究生學(xué)員應(yīng)用平臺開展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)較多,體現(xiàn)了該平臺對不同層次學(xué)員、不同課程具有很好適應(yīng)性。

        經(jīng)過一年多的建設(shè)實(shí)踐,我院機(jī)電實(shí)驗(yàn)室虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心已經(jīng)初具規(guī)模,師生反映良好,其在促進(jìn)學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)中的角色得到了廣泛認(rèn)同,學(xué)生工程實(shí)踐能力提升效果明顯。在后續(xù)建設(shè)中,虛擬仿真中心會覆蓋更多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,并實(shí)現(xiàn)與兄弟院校的開放共享。

        4 結(jié)語

        虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作順應(yīng)了高等教育的發(fā)展趨勢,是高等院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化的最新舉措,必將對我國高等教育的質(zhì)量提高產(chǎn)生積極而重要的作用[11-12]。目前,我院的模擬系統(tǒng)仍處于起步階段,未來需要根據(jù)教學(xué)過程出現(xiàn)的問題做適當(dāng)完善。主要從以下兩方面進(jìn)行完善:一方面以學(xué)生發(fā)展為中心,立足學(xué)生創(chuàng)新精神、綜合素質(zhì)與實(shí)踐能力的協(xié)調(diào)發(fā)展,促進(jìn)其自主學(xué)習(xí)與個(gè)性化學(xué)習(xí);另一方面,以解決問題為中心,結(jié)合實(shí)際問題中的相關(guān)項(xiàng)目案例,構(gòu)建虛擬實(shí)體互補(bǔ)的新型教學(xué)模式。

        參考文獻(xiàn):

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        基金項(xiàng)目:湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2019CFB263)

        作者簡介:周偉彬(1991—?),男,山東煙臺人,碩士,講師,主要從事機(jī)電傳動控制方面的教學(xué)科研工作。

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