李昌平， 高嘉偉， 賀 鑫

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢 430074）

0 引 言

人才培養(yǎng)是中國制造2025 強(qiáng)國戰(zhàn)略的關(guān)鍵［1］。教學(xué)手段科技化、教育傳播信息化、教學(xué)方式現(xiàn)代化對于多元化實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要意義［2］。目前，行業(yè)特色院校針對專業(yè)性大型復(fù)雜機(jī)械裝備的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在如下難題：①實(shí)物價(jià)格昂貴，后期維護(hù)及保養(yǎng)費(fèi)用亦不可忽視。同時(shí)大型復(fù)雜裝備往往占地面積大；②大型復(fù)雜裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)物制作或模型制作困難，內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理難以清晰展示；③由于零件多，裝配工藝復(fù)雜，不適合頻繁裝拆；④難以實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)教學(xué)，實(shí)物展示效果不佳?；谏鲜鲈颍?dāng)前復(fù)雜裝備的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式資源緊張，教學(xué)模式單一，缺乏新意［3］，容易讓學(xué)生產(chǎn)生倦怠。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式通常停留在裝備認(rèn)知上，多數(shù)采用靜態(tài)觀察的模式，難以向?qū)W生展示其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，更難以動(dòng)態(tài)展示其工作原理。只有做到理論與實(shí)際操作相結(jié)合，才能讓學(xué)生做到有“實(shí)”可依，有“理”可循。通過開發(fā)“虛實(shí)結(jié)合”的大型復(fù)雜裝備的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不僅滿足培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的需要，亦可解放實(shí)驗(yàn)人員的生產(chǎn)力［4］，促進(jìn)中國2025 強(qiáng)國人才培養(yǎng)戰(zhàn)略［5］。

為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和實(shí)踐教學(xué)育人水平，堅(jiān)持“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的教學(xué)原則，以信息化為導(dǎo)向，建設(shè)特色院校特色專業(yè)“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，可以有效降低實(shí)驗(yàn)成本，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源共享，培養(yǎng)學(xué)生探究式思維和自主學(xué)習(xí)能力，提升教學(xué)效果［6］。

本文以航空發(fā)動(dòng)機(jī)這一典型復(fù)雜裝備作為虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究對象，研制了“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，針對四類典型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)：渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，開發(fā)出虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境下航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理介紹、三維漫游展示、自動(dòng)虛擬拆裝、手動(dòng)拆解、零部件裝配，整機(jī)動(dòng)態(tài)模擬運(yùn)行等交互實(shí)驗(yàn)；同時(shí)開發(fā)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)3D 打印實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件及整體模型展示，模擬運(yùn)轉(zhuǎn)等功能，從而達(dá)到“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

1 教學(xué)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

復(fù)雜裝配體虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)以航空發(fā)動(dòng)機(jī)為虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究對象，其總體方案如圖1 所示。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)三維模型建模方面：采用三維建模軟件Solidworks完成渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的建模和渲染；在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方面：首先在3Dmax 中附材質(zhì)、渲染及制作動(dòng)畫，然后在Virtools平臺(tái)上開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理結(jié)構(gòu)介紹、航空發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)虛擬拆裝、航空發(fā)動(dòng)機(jī)手動(dòng)虛擬拆裝、運(yùn)動(dòng)虛擬仿真、零部件展示、全視角交互漫游、實(shí)驗(yàn)記錄、統(tǒng)計(jì)等功能；在航空發(fā)動(dòng)機(jī)3D打印實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方面：首先針對航空發(fā)動(dòng)機(jī)打印前實(shí)體模型重建，并搭建3D打印模型工作演示臺(tái)。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)總體方案

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)研究和建設(shè)的目標(biāo)具體如下：①實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)等復(fù)雜裝配體整體運(yùn)行的三維漫游展示、零部件三維漫游展示、零部件爆炸圖的展示以及各零部件的功能說明、虛擬操作、虛擬運(yùn)動(dòng)仿真等，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)，使學(xué)生掌握和應(yīng)用相關(guān)專業(yè)知識(shí)分析和設(shè)計(jì)相應(yīng)裝備，提高學(xué)生工程實(shí)踐能力。虛擬實(shí)訓(xùn)可以讓學(xué)生隨時(shí)隨地系統(tǒng)、深入地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提高自主學(xué)習(xí)的興趣。②實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵零部件模型的實(shí)體展示、裝配體零部件的拆裝等。最終，建立一個(gè)虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，讓學(xué)生能在一個(gè)實(shí)時(shí)交互平臺(tái)上對航空發(fā)動(dòng)機(jī)功能、結(jié)構(gòu)、工作等產(chǎn)生深刻的認(rèn)識(shí)，并了解最近3D打印以及先進(jìn)的制造工藝及設(shè)備。豐富教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)形式，解決了實(shí)踐教學(xué)資源不足的問題，通過該實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的功能達(dá)到良好的實(shí)踐教學(xué)結(jié)果，培養(yǎng)同學(xué)們的科研實(shí)踐能力，有利于培養(yǎng)面向社會(huì)需求的創(chuàng)新型人才。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)三維展示模型優(yōu)化

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)主要由壓氣機(jī)、燃燒室和燃?xì)鉁u輪所組成。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)主要分為渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)［7］。為了充分展示燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)結(jié)構(gòu)部件及燃燒運(yùn)轉(zhuǎn)過程，對航空發(fā)動(dòng)機(jī)三維展示模型進(jìn)行建模和優(yōu)化。航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)建模采用CATIA 和Solidworks進(jìn)行建模，在3dsmax 中進(jìn)行材質(zhì)添加及渲染。在Catia上先進(jìn)行平面圖的繪制，對于風(fēng)扇部分先平面圖繪制，再進(jìn)行建模，并開好鍵槽等輪廓。之后對葉片進(jìn)行繪制、扭轉(zhuǎn)并建模，接著再對其余轉(zhuǎn)子部分進(jìn)行建模，包括渦輪，渦輪軸，各級輪盤的建模［8］。分別從渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)中各選出一款發(fā)動(dòng)機(jī)完成建模及渲染。圖2 所示為渦輪軸和渦輪風(fēng)扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化及渲染模型。

圖2 渦輪軸和渦輪風(fēng)扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化及渲染模型

2.2 系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬系統(tǒng)在Virtools平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，Virtools可制作具有沉浸感的虛擬環(huán)境，它對參與者生成諸如視覺、聽覺等各種感官信息，給參與者一種身臨其境的感覺?；赩irtools的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)主要包括虛擬元件素材準(zhǔn)備、虛擬元件數(shù)據(jù)庫開發(fā)、數(shù)據(jù)庫與接口模塊開發(fā)、虛擬場景開發(fā)、虛擬場景中虛擬元件交互動(dòng)作開發(fā)等步驟［9］，是一種應(yīng)用廣泛的虛擬人機(jī)交互設(shè)計(jì)方法。Virtools 經(jīng)由一個(gè)設(shè)計(jì)完善的圖形使用者界面，使用模塊化的行為模塊撰寫互動(dòng)行為元素的腳本語言，使得使用者能夠快速地熟悉各種功能，包括從簡單的變形到力學(xué)功能等。Virtools可以制作出許多不同用途的3D 產(chǎn)品，如網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)游戲、多媒體、建筑設(shè)計(jì)、交互式電視、教育訓(xùn)練、仿真與產(chǎn)品展示等。圖3 所示為采用Virtools 開發(fā)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能圖。

圖3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體方案結(jié)構(gòu)圖

由于Virtools不具有三維建模功能，但可以與多種建模軟件搭配使用，例如3dsmax，Maya等，開發(fā)航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬系統(tǒng)，首先將建好的模型導(dǎo)入到3Dmax 中，進(jìn)行材質(zhì)賦予、場景的烘焙、模型的簡化及坐標(biāo)系的調(diào)整等步驟，這是由于3Dmax 可以降低模型復(fù)雜度，保證尺寸準(zhǔn)確無誤［10］。然后在Photoshop中制作虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)界面，最后在Virtools中重新調(diào)整材質(zhì)、燈光，創(chuàng)建各種對象的物理化程序和控制程序，創(chuàng)建攝像機(jī)程序等。并且Virtools架構(gòu)靈活，開發(fā)者可以對相應(yīng)的模塊進(jìn)行編輯，并且配套多種引擎和工具集，普通開發(fā)者可通過鼠標(biāo)鍵盤進(jìn)行交互控制［11］，進(jìn)而開發(fā)出航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)原理結(jié)構(gòu)介紹及實(shí)驗(yàn)記錄、統(tǒng)計(jì)，全視角交互漫游，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)虛擬拆裝，發(fā)動(dòng)機(jī)手動(dòng)虛擬拆裝，零部件展示，運(yùn)動(dòng)虛擬仿真等功能，該虛擬系統(tǒng)還可與數(shù)據(jù)手套等外接設(shè)備進(jìn)行人機(jī)交互操作，使航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)展示沉浸感更強(qiáng)，圖4 為開發(fā)航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖。

用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器端相連，獲取各個(gè)模塊組件、數(shù)據(jù)庫文件等。對于有些零部件的裝配過程不同，還可以設(shè)計(jì)開發(fā)出工具選用系統(tǒng)，用戶所需的不同功能的實(shí)現(xiàn)就可通過編寫腳本代碼來實(shí)現(xiàn)［12］。

開發(fā)航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需首先完成建模、渲染及虛擬操作演示系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)間數(shù)據(jù)模型傳遞；然后進(jìn)行三維數(shù)字模型虛擬操作演示系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)及虛擬操作及漫游功能實(shí)現(xiàn)；最后發(fā)布虛擬操作演示系統(tǒng)文件，Virtools虛擬操作演示系統(tǒng)可發(fā)布*.exe文件格式嵌入至教學(xué)綜合管理系統(tǒng)中運(yùn)行，也可生成IE瀏覽器能瀏覽*.VMO 文件，以鏈接的形式在網(wǎng)站上運(yùn)行，進(jìn)而提供多種實(shí)驗(yàn)教學(xué)途徑。航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬系統(tǒng)完成了航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)全視角漫游、自動(dòng)虛擬拆裝、手動(dòng)虛擬拆裝、零部件切換、運(yùn)動(dòng)仿真、零部件結(jié)構(gòu)展示及說明等功能。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)頁面應(yīng)簡潔，減少不必要的渲染以減輕計(jì)算機(jī)的壓力提升性能并保證運(yùn)行的流暢度。如圖5 所示為航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)界面。

圖5 航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)界面

圖6 渦輪軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)3D打印關(guān)鍵零部件

3 3D打印實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3D打印技術(shù)在目前已經(jīng)越發(fā)成熟，無論是金屬3D打印或是非金屬3D打印都有一定的優(yōu)勢，如制造加工效率高，加工成本低，結(jié)構(gòu)美觀，更依賴于計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)［13］。由于當(dāng)前3D 打印精度、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及裝配關(guān)系，同時(shí)根據(jù)教學(xué)需要，航空發(fā)動(dòng)機(jī)模型在打印之前要進(jìn)行再設(shè)計(jì)、再建模，根據(jù)所需展示效果決定模型的打印方式。以渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)重要零部件3D打印為例，首先需刪除與渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)展示無關(guān)的，固定孔、油管等附件及特征；然后為了保證渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)相連轉(zhuǎn)動(dòng)，故軸及軸上安裝的渦扇、齒輪等要合并為一個(gè)零件；同時(shí)考慮到安裝，殼也要分成兩邊分開打??；最后將模型保存為.stl 格式［14］，模型最薄處為了保證強(qiáng)度可靠性，需對其厚度進(jìn)行修改。這是由于3D打印技術(shù)打印表面粗糙，精度不高，且打印速度慢，還需要添加支撐部分，為了節(jié)省時(shí)間，需要改變模型的厚度，以及簡化模型，否則打印出來的產(chǎn)品會(huì)十分粗糙。

為保證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的3D 打印模型與原模型接近。渦輪軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整機(jī)布置圖和整機(jī)實(shí)物圖如圖7 所示。直流電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器與渦輪軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸連接，通過電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)渦輪風(fēng)扇等轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬其燃燒運(yùn)轉(zhuǎn)過程。后期將在此平臺(tái)上進(jìn)行采用PLC［15］進(jìn)行邏輯控制，進(jìn)而用聲、光、電模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作。

4 結(jié) 語

復(fù)雜裝配體虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)以航空發(fā)動(dòng)機(jī)為虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究對象，主要包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)3D 打印實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)了航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)整體運(yùn)行的三維漫游展示、零部件三維漫游展示、零部件爆炸圖的展示以及各零部件的功能說明、虛擬操作、虛擬運(yùn)動(dòng)仿真等。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件模型的3D打印模型展示、3D 打印裝配體零件的拆裝等。通過該虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)，可為學(xué)生在實(shí)體實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為輔助，提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力；虛擬內(nèi)容突破了時(shí)空的限制、人數(shù)的限制、儀器的限制等，可以保證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源社會(huì)共享，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)一步加深了對航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理的理解，增強(qiáng)了學(xué)生對CAD/CAM及制造裝配技術(shù)的理解，從而有效擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，提升學(xué)生的學(xué)術(shù)能力和創(chuàng)新能力。