虚拟仿真技术在材料类专业教学中的应用

夏伶勤

（浙江机电职业技术学院增材制造学院，浙江 杭州 310059）

1 引言

“加快构建现代职业教育体系，培养更多高素质技术技能人才、能工巧匠、大国工匠”，是为顺应时代需求的教育改革内容之一。而职业教育虚拟仿真教学正是建设现代高质量职业教育的有力支撑。只有利用现代技术手段改变教学内容和形式，才能培养学生的实践能力和创新精神，从而提高其综合能力，为以后的工作奠定基础。虚拟现实系统技术在机械制造、材料加工与增材制造中的应用也越来越广泛。随着国家对职业教育的重视和持续投入，高职院校中的实训设备与现代化新技术进行了结合升级，更加适合当今学生的学习特点与教学方式。

虚拟现实系统已经应用于教学、实训、创新试验及项目展示等各个环节。在课堂上也能够将一些不容易理解的知识点利用虚拟现实技术进行场景的还原，更好地让学生理解所要表达的内容，解决时间和空间的问题，将最先进的设备和产品通过虚拟现实技术呈现出来从而节约经费；能够通过人机交互让学生进行操作，同时能够将大型设备进行拆装；可以让学生在安全环境中操作复杂和较为危险的设备。虚拟现实系统能够有效解决职业教育教学资源不足的问题，丰富学校的教学学段，还能够对接生产企业，用来验证相关企业设计内容的严谨性和科学性，可作为产学研一体化实训教学平台进行建设，能够承接更多的教学需求、研发需求和社会培训服务需求。虚拟仿真平台的整体设计框架如图1所示。

图1 虚拟仿真平台的整体设计框架

2 铸造教学中虚拟仿真技术的应用

铸造专业是制造业必不可少的传统专业，近年来，随着智能化的制造水平不断提高，制造的质量要求也在不断提高。传统的先理论后实践的教学模式已难以满足新时代技术技能人才的培养。浙江机电采用VR+CAE结合创立了虚拟仿真实训基地，实践证明，利用VR技术让学生多角度多维度地参与铸造过程，CAE技术提升学生的理论水平，更深入地理解铸造技术的原理。

目前虚拟仿真技术在铸造专业中应用比较多的是CAE。利用铸造CAE模拟软件辅助铸造工艺设计人员进行工艺设计，在铸造工艺已经设计完成但还没有投入生产之前，提前在电脑中模拟设计过程，预防设计过程中存在的问题。产品开发的技术人员运用CAE软件可以在任何环境下进行模拟，将成本分解到各个零部件中，对比零部件的实际价格与预计成本之间的差异，从而达到降低产品开发成本的目的。

在浙江机电职业技术学院材料成型与控制技术专业铸造专业，CAE技术是一门必修课，使用华铸 CAE 工艺分析软件模拟金属液的充型过程和铸件的凝固过程，提前预测可能存在的充型、凝固缺陷，修改铸造工艺，得到最优工艺方案。同时学生利用CAE技术参加相比赛。

3 增材制造教学中虚拟仿真技术的应用

3D打印技术对传统加工行业，如模具制造业具有强烈的冲击性，在未来很有可能取代传统的制造业。周期短、成本低等是3D打印技术的主打技术特点，具有传统制造业无法取代的技术优势，在未来制造业不断向自动化发展的趋势下，3D打印技术必将成为材料成型技术领域不可或缺的中坚力量。

浙江机电结合浙江省增材制造专业技术技能人才的培养现状及特色,针对学生缺乏理论知识和实际企业项目结合的能力短板问题。根据本校增材制造方向学生以往的实践数据调整授课方式优化授课内容,课程以“项目+任务”双驱动模式进行,以“工艺设计-工艺仿真-结果分析-工艺优化-增材制造”的完整设计制造过程为导向,培养了学生在正逆向三维设计、产品拓扑优化、结果分析、规律总结、再实践生产的全流程思维,有利于支撑校企互通的高素质技术技能人才培养的一体化教学。增材制造工艺优化流程如图2所示。

图2 增材制造工艺优化流程

4 焊接教学中虚拟仿真技术的应用

传统焊接的现场环境较为恶劣，焊接过程中产生的弧光、烟尘、有害气体、噪声等会对焊接人员的身体造成一定的伤害，而且在生产过程中焊接成形所涉及的可变因素烦琐，焊接质量严重依赖于焊工的经验积累，通常焊工需要长时间保持某一固定的姿态，导致人工焊接工作强度大、生产效率不高、焊接质量不稳定等。近年来，用机器人焊接代替人工焊接已经成为制造业焊接环节发展的必然趋势。学校采用VR技术弥补焊接实训过程中的不足，利用计算机模拟技术实现焊接过程模拟和机器人焊接离线仿真教学。

利用虚拟仿真技术在焊接实训过程中，教师在利用VR技术开展焊接实训仿真教学过程中，应该对实训内容进行整合和梳理，确保每一项内容形成一个独立的模块，为后续VR仿真实训课件的制作创造有利条件，并帮助学生根据自身需求来选择实训内容。与此同时，教师还可以将学生在实训过程的具体操作记录下来，用于教学工作开展。机器人焊接离线教学流程：应用SimPro软件平 台，建立KUKA机器人焊接过程所需要三维模型和工作环境，在模拟软件平台上进行离线编程，模拟焊枪运动轨迹以保证整个焊接过程中无碰撞。将离线编程后的程序导入到焊接机器人工作站，机器人按照离线仿真的程序完成焊接任务，取得良好效果。此过程中教师可有效指导学生模拟焊接整个流程，不仅提高了学生实训过程的安全性，并且还能有效提高焊接效率。AR增强现实焊接系统如图3所示。

图3 AR增强现实焊接系统

5 质量检测教学中虚拟仿真技术的应用

射线模拟实验是机械加工技术的一个重要组成部分。这也是无损检测技术在整个机械工程试验中非常重要的检验方法。因为X射线存在较大的辐射性危险，学校难以建设此类实验室，通过X射线探伤模拟实验，可以让学生更好的理论与实践相结合。

浙江机电职业技术学院现有X射线探伤仿真实训室，实训室包括X射线探伤仿真系统和X射线探伤考核系统。学生在老师的指导下先在计算机上对X射线探伤的各个环节依序模拟练习，在线考核成绩合格后，方可进行1∶1 X射线探伤仿真设备的实操练习。X射线探伤仿真系统如图4所示。

图4 X射线探伤仿真系统

6 结束语

在当前加快构建职业教育体系的背景下，虚拟仿真技术可以为材料类专业高素质技术技能人才培养过程中学生理论知识深奥、实践能力培养与教学课时、现实教学资源有限之间的矛盾提供良好的解决途径。虚拟仿真技术安全可靠、形象生动，接近现实工作场景，让学生能够产生在现实生活中进行操作和演练的感觉，有利于提高学生兴趣，以达到技术技能兼修的培养目的。