基于VR 技术的先进制造技术课程创新教学方法

刘青康，王庆礼，杨 辉，许 梁，朱晓红

（1.江西理工大学 能源与机械工程学院，南昌 330044；2.江西理工大学 软件工程学院，南昌 330044）

先进制造技术（Advanced Manufacturing Technology，AMT）最先由美国提出，随后德国、中国也相继提出相关的战略。高等院校针对机械工程专业的本科生和研究生相继开设先进制造技术课程。先进制造技术课程一般为理论教学，课时在32 课时[1]至48 课时[2]之间，课程学习内容众多，涉及到现代设计技术、先进制造工艺技术、先进制造模式、制造自动化技术、智能制造及企业信息化管理技术等众多学习内容，以产品为例，先进制造技术课程包含产品设计、制造、营销管理和回收再利用的整个产品生命周期，是一门集机械、电子、数学、管理、自动控制、网络信息和生物等多学科高度交叉的综合性专业课程[3]。

一、先进制造技术课程教学现状

先进制造技术每年都有新的技术与理论出现，而作为综合性大学，受限于经费等资源，高校无法及时更新前沿制造理论与技术的实验设施[4]。而传统的板书教学，对同学缺乏吸引力，难于读懂，采用技术视频与图片相结合的方法进行教学，同学处于被动学习状态，只能从理论上理解该技术的基本原理[5]。上述两种教学方法，同学是处于被动学习的状态，无法调动同学学习的主动性，而且未将技术和理论与实际工程应用结合起来。在先进制造技术的教学过程中，因课程内容多、课时少，缺乏实验与实践教学环节，各章节理论性高、学科跨度大、衔接过渡生硬和不完美，教学过程中板书多，学生被动学习与知识灌输，导致学生学习适应能力与学习思维转变慢，难以形成理性认知与感性认知等问题。因此有必要提出一种沉浸式、体验式和互动式的教学方式，使同学沉浸在学习环境中，并与环境互动，促使同学主动的学习，从而提高课程的教学效果与学生的学习质量。

二、虚拟现实技术

虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）是一种新兴技术，综合计算机图形学、人工智能技术、并行处理技术、多传感技术、仿真技术和多媒体技术等多学科技术，虚拟现实技术以现实生活生产为原型，采用计算机技术构建三维模型及数学模型，并将三维模型与数学模型转化为电子信号，传递到用户佩戴的专用头盔、手套和背心等传感设备上，模拟人的视觉、触觉和听觉等感知系统，使用户沉浸在计算机生成的虚拟环境中，可以通过头盔、手套和背心等专业设备将用户的语言、手势等信息与虚拟世界实时交互，是一种对用户友好、舒适的计算机技术，具有身临其境的良好体验。虚拟世界是一种多维信息空间，该空间具有良好的沉浸性、交互性和构想性等特征[6]。虚拟现实技术最早用于飞行员的模拟飞行训练，随后广泛应用于航空航天、军事、医疗、建筑、工业、文娱、教育和旅游等行业，具有非常广阔的前景[7]。

三、虚拟现实技术在先进制造技术教学中新方法与思路探讨

针对先进制造技术教学中学生被动灌输式学习、先进实验条件与设施缺乏、效果不佳、教学板书、图片多和教学效果差等问题，结合江西理工大学的现有资源，提出将虚拟现实技术应用于先进制造技术教学中的创新教学改革方法。将虚拟现实技术应用在先进制造技术的教学中，可以将教师、学生、先进制造技术理论知识和实验设备有机联系起来，如图1 所示，形成以学生为主导、教师为基础和VR 系统为辅助的一种关系，促进学生学习，提高教学质量。

图1 虚拟现实教学系统、教师、学生、先进制造技术理论知识和实验设备的关系

虚拟现实技术通过构建制造理论与技术场景，模拟技术的基础理论、技术平台的搭建和技术具体实施与操作方法，采用沉浸式、交互式的学习方式，使同学能够将理论与实践相结合，提高学生的学习兴趣，培养学生的分析能力与动手能力，增加其理解能力，使其牢固掌握先进制造理论与技术，并将制造、电子、网络和管理等多学科知识有机地结合起来，综合运用到工程实践中。该方法可以有效解决同学学习主动性低，实验设备缺乏、与时代脱节、更新缓慢、学生独立操作时间短和经费少等问题。基于虚拟现实技术的先进制造技术教学方法，可以弥补疫情期间网络授课或者远程授课时对实验环节的影响，其次可以有效避免实验过程中发生危险事件，保护学生与实验室设备安全。在课程的学习过程中，将理论与实践进行融合，使同学学习过程中达到融会贯通的状态，这样有助于培养学生健全的工程意识，增强学生的综合素质与能力，使学生真正学到先进制造理论与技术，并将所有知识应用于社会，为祖国作贡献。先进制造技术与理论是一个动态发展的过程，采用基于虚拟现实的先进制造技术教学方法，需要教师主动学习前沿的制造理论与技术，保证制造技术与理论教学内容的先进性、前沿性，并且要求具有三维建模等专业知识，能够将前沿制造理论与技术简化，构建该专业技术的理论模型、技术组装模型和技术工艺路线等，将这些模型转化为虚拟现实教学系统。

（一）虚拟现实技术在柔性自动化制造设备教学中的应用方法

柔性自动化制造设备是先进制造技术课程教学中的重要一节，而加工中心具有柔性好、生产效率高，是目前最广泛应用的柔性制造单元。以卧式加工中心为例，为满足教学的需求，设定两个不同功能单元，分别为认识单元、演练单元。认识单元介绍卧式加工中心的种类、特点、用途和结构组成等。演练单元主要介绍加工仿真功能、自动换刀功能、自动拆装功能和手动拆装功能。将加工中心与虚拟现实技术融合，研发加工中心的虚拟现实教学系统，其系统架构如图2 所示。

图2 卧式加工中心的虚拟现实教学系统架构图

为便于设计三维模型、装配、教学和操作，将卧式加工中心简化为工作台、床身、主轴箱、刀库、立柱、冷却系统、交换台和控制面板8 个分系统。工作台为工件安装固定的平台，具有Z 方向移动与绕Y 轴转动的功能。床身是工作台、刀库、主轴箱、立柱、冷却系统和控制面板等分系统的安装载体，需要足够的强度、刚性，并且安装有立柱沿X 方向移动的导轨，在床身规划控制面板的安装位置。主轴箱为加工中心的重要部分，主轴需要具有可调速转动、换刀功能。冷却系统应该安装在主轴箱的主轴旁，用于加工过程中喷洒冷却液。立柱上安装主轴箱沿Y 轴移动导轨。交换台用于装卸工件，提高加工效率。刀库由刀架、换刀机构和动力系统等构成。三维模型构建完成后，需采用专用软件构建部件展示动画、自动拆装动画、加工仿真动画和自动换刀动画，进而实现加工中心的自拆装功能、自动换刀功能和加工仿真功能，这样有助于帮助学生快速了解整个机床结构、工作原理和换刀原理等。将三维模型和动画导入到虚拟现实软件中，设定视觉与物体的定位点，用户的观察模式等。加工中心三维模型的所有动作是通过编程实现的，分别对加工中心三维模型中的8 个分系统设定独立拆装程序，实现单独分系统的拆装，再设定将加工中心拆分为8 个分系统程序，将以上程序整合，实现加工中心三维模型的手动拆装功能。将所有模型、软件和控制程序均放在计算中心，整合为加工中心虚拟现实教学系统，老师和学生均可通过教学系统的输入设备、输出设备进行教学任务与自主学习。

（二）虚拟现实技术在受迫成形技术教学中的应用方法

受迫成形指材料在外界和外力约束条件下形成特定形状和表面的一种等材加工方法，如锻造、冲压等。以特种铸造技术中的压力铸造为例，压力铸造将金属或者非金属液态注入模具型腔中，在一定的压力作用下，冷却凝固形成铸件的方法。为适应高压环境，压力铸造一般采用金属、陶瓷模具型腔。压力铸造的高压高温环境，危险系数高，不宜进行现场教学，因此可以构建压力铸造的虚拟现实教学系统用于教学。首先构建压铸型、坩埚、加压系统、压室和实验室的三维模型，对三维模型进行渲染，再将模型导入虚拟现实软件中，设定实验室环境。编写程序，设定压力铸造虚拟现实教学系统具有演示、认知和操作三种功能。演示功能演示坩埚内的红色液体，在加压系统的作用下，通过压室进入到压铸型腔，并保持一定压力，使红色液体在压铸型腔冷却形成灰色固体的过程，该功能通过提前设定动画来实现。认知功能介绍压铸系统的组成、优点等，该功能允许学生场景漫游，当学生移动到设备旁边时，自动弹出设备的简介、使用方法等动画。操作功能是在学生使用输入、输出设备，手动操作坩埚烧制金属液体，更换压铸型腔模具，控制加压系统对液体进行加压，使其在高压状态下流入压铸型腔，并冷却形成均匀铸件的过程。老师和学生均可通过教学系统的输入设备、输出设备进行教学任务、自主学习和操作工艺评定等任务。

（三）虚拟现实技术在自动化仓库教学中的应用方法

自动化仓库实行无人管理，能够自动存取货物，并进行信息集成管理。因自动化仓库系统庞大，高校一般不会引进这类实验设备。自动化仓库主要由货架、堆垛机和管理控制系统构成。构建自动化仓库的虚拟教学系统，分别设定认识功能单元、演练功能单元。认知功能单元介绍自动化仓库的种类、特点、结构和工作原理等。演练功能单元主要介绍仓库货物的自动存放功能、自动取货功能、信息管理系统功能和手动存取货物功能。首先构建自动化仓库的三维模型，建立虚拟仓库的存放环境，分别构建货架单元、堆垛机，并将货架单元按照一定规律放置在仓库中，在货架之间铺设轨道，将堆垛机安置在轨道上，在仓库的出入口设定仓库的管理控制系统，该系统能够实时显示仓库存货货物的各类信息。将构建好的三维模型导入动画制造软件，进行图片渲染，增强模型的三维效果与真实性，分别制作自动化仓库介绍动画、货物自动存取动画、仓库信息自动展示动画、手动控制堆垛机存取货物动画及手动查阅和修改管理控制系统动画。将三维模型和动画导入虚拟现实模拟系统中，生成自动化仓库的虚拟现实教学系统。学生通过输入、输出设备访问教学系统，沉浸式、体验式学习自动化仓库的知识点，并且也可以通过手动控制功能，将学生视角放置在堆垛机上，体验学习堆垛机存取货物的整个过程，也可以通过手动查阅和修改管理控制系统。

（四）虚拟现实技术在自动化装配教学中的应用方法

本节以手动变速箱的工业机器人自动装配为例，构建基于工业机器人的手动变速箱自动化装配的虚拟现实教学系统。为提高教学系统的广泛适用性，设定如下几个功能单元，系统架构如图3 所示。工业机器人认知单元、工业机器人拆解单元、工业机器人装配单元、工业机器人手动拆装单元、变速箱认知单元、变速箱换挡动作仿真单元、变速箱拆解单元、变速箱装配单元、变速箱手动拆装单元、工业机器人拆解变速箱单元和工业机器人装配变速箱单元。分别构建工业机器人、手动变速箱的三维模型，渲染模型颜色和纹理，并且制作工业机器人认知单元动画、工业机器人拆解仿真动画、工业机器人装配仿真动画、变速箱认知单元动画、变速箱拆解动画、变速箱装配动画、工业机器人拆解变速箱动画和工业机器人装配变速箱动画，导入虚拟现实软件中。设定不同的工作场景，允许同学选择自己喜欢的工作场景，并且提供全局、机械手和变速箱三种显示模式，使用不同的视角提高同学的学习理解能力。变速箱的工业机器人自动装配虚拟教学方法可以进行机器人、变速箱、自动化装配和装配工业等内容教学，并能调动学生的学习主动性，促进学生思考及实践。

图3 基于工业机器人的手动变速箱自动化装配的虚拟现实教学系统架构图

四、结束语

基于虚拟现实技术，提出了先进制造技术课程的创新教学方法，以柔性制造单元（加工中心）、受迫成形技术（压力铸造）、自动化仓库和自动化装配（手动变速箱的工业机器人自动装配）为例，提出了虚拟现实教学系统的创建方法。学生沉浸式的学习先进制造技术的理论知识，采用理论与实践相结合的方式，增强学生对理论知识与技能的理解能力与实践操作水平，可培养学生的工程综合素养，显著提升学生的工程创新与实践能力。基于虚拟现实技术的先进制造技术课程教学改革方法可以为机械类相关的本科生与研究生提供良好的教学效果，适应当代新工科背景下的学生培养与教学模式，具有良好的推广价值与教育意义。