机械专业数字化虚拟制造实验平台开发的研究与实践

高兴军GAO Xing-jun；孙铁SUN Tie；邓子龙DENG Zi-long；晏永飞YAN Yong-fei

（①辽宁石油化工大学机械工程学院，抚顺 113001；②辽宁石油化工大学发展规划处，抚顺 113001）

（①School of Mechanical Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun 113001，China；②Development Planning Department of Liaoning Shihua University，Fushun 113001，China）

0 引言

机械类课程设置实践环节，由于其实践性比较强，实验教学多，可以很大程度的提高学生的动手能力和工程意识。过去的实验都是首先准备好实验设备，然后由学生按照操作完成实验内容，且大多是在实验室中进行的。辽宁石油化工大学机制专业开设了机械制造技术基础以及机械CAD/CAM 等课程，从不同角度向学生介绍传统制造以及现代制造技术知识。目前存在的问题是缺乏先进制造技术配套的实验环节，授课局限于黑板教学。由于现代制造装备种类繁多，范围广泛，尤其如模具、夹具等形状复杂、涉及大量空间曲面的研究，从设计到加工乃至装配的各个环节如果没有较为直观、先进的教学手段，很难取得好的教学效果。另一方面，鉴于模具、夹具等种类的多样性、时变性，这一问题不可能通过购置或制作一批模具实物作为实验手段予以解决。通过建立虚拟制造装备实验平台可以有效的解决在教学中可能会遇到的一些问题，比如实验场地不足、设备陈旧、消耗原材料和刀具等问题，更有利于学生自主学习和创新能力的培养，同时虚拟制造实验平台的设置也能够很大程度上的节约教育成本，因为它不仅可以帮助实现教育资源共享，也有利于精品课程网络化。

1 虚拟制造技术研究现状

近年来，有一项新技术开始走进人们的视野，那就是虚拟制造技术，它能够形成一个三维视觉、听觉和触觉环境，用户只要通过系统提供的人机对话工具，就可以实现和虚拟环境中的物体进行交互操作，就好像到了一个真实的环境中，这个平台是以计算机应用为基础，各种先进技术结合起来的产物，比如图像技术、传感器技术、计算机技术、网络技术以及人机对话技术等[1]。其实在过去的很多年里，人们都一直希望打破原有的、呆板的数字化方式，想象着如果我们的信息环境是图文并茂、绘声绘色的，就好像真实生活中的某个场景，如果是这样我们就可以用自己的感觉感官来接受和处理各种信息，并在这个过程中形成自己的认识。正是由于有着这种现实需求，才让原本在1968年就诞生的虚拟现实技术在近几年来越来越受欢迎，甚至被认为是影响未来的主要科技手段之一。虚拟实验室的概念是由美国弗吉尼亚大学的William Wolf 教授在1989年首次提起的，指一个计算机网络化的虚拟实验室环境。现阶段，虚拟现实技术在教学领域已取得了许多成功的应用。

随着社会经济的持续发展，社会对人才的要求也越来越高，要求各高校必须培养出更多的高素质创新人才。但现有的教育模式是传统的“填鸭式”的教育模式，学生没有学习积极性，高校很难培养出学生的创新意识和创新能力，不能满足现实社会的需求。在这种形势下，虚拟制造实验平台就应运而生了，该平台在过去主要用于机械和电子产品的研制和开发领域，但是现阶段在教育领域也发挥着重要的作用。因为虚拟制造实验平台可以为学生制造一个好像真实场景的虚拟环境，学生们好像身临其境，然后再结合真实现场实训教学，教学效果一定会大大提升。

2 虚拟制造实验平台建设意义

利用虚拟技术创建机械制造实验平台将对探索、发展现代机械制造的教育思想、改善实验实训环境、优化教学过程，培养具有创新意识和创新能力的人才产生深远的影响[2]。利用虚拟制造技术创建机械制造实验平台可以解决由于实验场所比较特殊，不能进入的问题，比如一些不可视、不可摸、不可入、有危险性的实验场所，还可以解决一般高校都会存在的设备陈旧的问题。

综合运用多媒体技术、虚拟现实技术和网络技术，避免采用极其昂贵设备的实物仿真方案，能充分发挥虚拟现实技术的集成性、控制性和交互性的特点，以培养具有独创性的综合能力训练内容，使学生在学习过程中学习目的明确，学习兴趣浓厚，通过虚拟制造实验平台提高学生自主创新设计能力，使学生获得基本的创新素质和创新能力[3]。

如果在教学中，采用虚拟制造实验平台，教学效果一定会得到大大的提升，因为通过建设虚拟制造实验平台，学生可以在教学的过程中随时进行虚拟实验，让理论和实践及时的得到同步，学生对所学知识也会更加的深刻。另外学生也可以在虚拟实验室里操作虚拟仪器，不管是仪器的故障检测和维修，还是各种虚拟系统的连接和组装等，都可以在虚拟实验室里进行，并且不会发生仪器的损坏现象，更不会因为场地等原因而受到限制，如果没有得到满意的结果，可以一直进行实验，直到满意为止，最重要的是虚拟实验室不会发生人身事故。

除了上述功能，虚拟制造实验平台还具有更多的功能，比如网络功能，它可以实现远程教育培训，采用宽带方式进行数据的传送，在局域网和互联网上都可以进行双向互动的远程教学功能。并且虚拟制造实验平台还具备答卷保存、自动评分、成绩查询和分析等功能，轻松实现无纸化的考核与测评。

3 虚拟制造实验平台建设内容

对现有的教学及实验设备进行综合开发利用，结合辽宁石油化工大学实验中心已有的实验设备，建立虚拟实验平台，运用基于几何建模和图像相结合的建模方法，采用虚物实化、实物虚化、虚实结合、增强现实的方法，可建立基于图像的真实感强的具有物理属性机械产品模型。

3.1 虚拟平台系统框架设计 本部分包括系统规划、系统数据流过程设计、供求分析、开发手段选择等，开发零部件数据库。项目组设计虚拟制造平台的系统框架，研究系统所需资源及系统开发手段及方法，创建系统虚拟平台所需的零部件库。利用设计软件模拟实际零件模具的制造装配、零件的机械加工过程及产品的拆装过程，建立可实现人机交互的网络精品课程的虚拟加工及装配资源。

3.2 虚拟制造实验平台建设 本部分包括界面设计、内核设计、通讯设计、各模块设计以及虚拟加工过程设计等。界面设计和实现，包括虚拟制造实验平台的运行界面和软件安装界面的设计和实现；实验平台建立虚拟制造所需的各模块，确定虚拟加工过程的各参数，建立机械加工系统和参数化选择。增加实验平台的互动性和参与性，可以激发学生的学习兴趣，对学生学习过程产生积极的引导作用。

3.3 虚拟制造实验平台测试以及评价系统 本部分包括平台各种测试、建立典型零件库、与平台的通讯链接和测试、建立配套的评价系统。评价系统具有自动打分功能，包括虚拟实验过程及结果测试在内的综合评价单元；测试项目的内容是可以灵活更改的，教师可以通过终端服务器对项目的内容进行修改。

4 虚拟制造实验平台开发研究的实施方法

采用虚拟制造实验平台，可以有效的把虚拟实验和实物实验有机的结合起来，把“理论准备→实物实验”模式为“理论准备→虚拟实验→实物实验→拓展创新模式”，形成循序渐进、虚实结合的实验教学模式，按照从理论到实践、从虚拟到实物、从基本实验到综合创新设计实验的渐进过程，逐步培养学生的实践技能和创新能力。

在前期工作基础上，进行调研和论证。认真总结机械制造课程改革的经验和存在的问题，到兄弟院校进行调研，学习其机械制造理论和实践课程的培养模式、培养途径和手段、教学建设和改革等方面的先进经验，学习虚拟实验平台建立的方法及注意事项。以培养和创新能力的培养为内涵建设的主要内容，结合学校人才培养实际，进行广泛论证，完善新形势下应用型创新人才培养模式。

对虚拟制造实验平台进行重点建设，建立虚拟平台系统框架设计，准备虚拟平台的软硬件设施，设置其与虚拟平台连接方式。全面组织实施虚拟制造实验平台的建立，搭建模具虚拟平台和数控虚拟机床；建立虚拟平台所需各典型零件库，采用虚拟现实技术，并通过计算机构建一个与实物同样的3D 零件或3D 机床，采用Pro/E 建模，将各种数控设备和产品进行虚拟化；建立虚拟制造平台的各种测试，建立典型零件库以及与平台的通讯链接和测试。建立配套的评价系统。

5 结束语

虚拟制造仿真实验教学手段的应用，其先进性不仅体现在技术手段上，更重要的是关注教学设计理念与教学质量。无疑，虚拟设计与制造等先进的技术改变了教学环境与教学手段，学生可以在仿真的环境下完成实验，教师能够方便地查阅学生的实验情况与评判实验结果。更关键的是教学中设计思想的先进性，虚拟制造仿真实验教学为学生提供各种丰富翔实的教学资源，各取所需，提供开放的实验空间，能真正满足学生自主学习，让学生学在其中，乐在其中，达到良好的教学效果。同时也会提高学生的创新意识，有力地推动地方院校机械专业实验教学内容与实验教学方法的深刻变革。

[1]王会.虚拟设计与制造在机械专业实验教学改革中的应用[J].职业时空，2012,8(6):117-120.

[2]曾文忠.论机械设计与制造专业教学中虚拟资源的开发利用[J].科技创新导报,2011,8(19):181.

[3]蔡卫国.虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2011,28(8):76-82.