基于虛擬現實技術的機械制造實訓平臺的構建研究*

應一幟，應一輝

（1.臺州職業技術學院 機電學院 浙江臺州 318000；2.仙居縣教師進修學校,浙江 仙居 317300）

基于虛擬現實技術的機械制造實訓平臺的構建研究*

應一幟1，應一輝2

（1.臺州職業技術學院 機電學院 浙江臺州 318000；2.仙居縣教師進修學校,浙江 仙居 317300）

企業需要的是職業素養高、工作能力強的職業人，而高校現有的教學條件無法滿足職場模式的實訓。采用虛擬現實技術構建機械制造虛擬實訓平臺，學生通過完全沉浸式的職業角色扮演，可以真實地體驗工作步驟、工作內容。學生在完成工作任務過程中學習了相關知識和技能。虛擬實訓平臺提升了機械制造專業學生的工作能力和職業素養，實現了實訓教學與職業崗位的無界化。

虛擬現實；實訓平臺；職業角色扮演；無界化

近幾年，由于高職院校招生人數大幅度增加、實踐教學經費缺乏、實訓設備陳舊落后，以及真正建立企業實習基地難度大等原因，學生實訓教學難已經成為長期困擾高職院校實踐教學的普遍性問題。運用虛擬現實技術開展實訓教學有利于調動學生積極性，給每個學生提供在虛擬崗位中的動手操作機會，從而達到預期教學目的。因此，構建基于虛擬現實技術的機械制造專業實訓平臺，創設學習型崗位和相應的崗位場景，實現實訓教學與職業崗位的無界化是非常有意義的。

一、機械制造實訓教學現狀分析

當前大部分高職院校都建立了校內外實訓基地，但從實訓教學方面來看，還存在以下幾個問題：

（1）建一個機械制造實訓基地需要造廠房、買設備、配置人員等，開支巨大，并且學生的實訓成本極高，如刀具、材料的大量損耗及設備損壞折舊等。[1]

（2）校內實訓基本上是某一工種的操作訓練，企業生產中的“質量、成本、交期”要求無法體現，學生在實訓場所體驗不到真實的企業工作氛圍。[2]

（3）部分學校使用仿真軟件代替真實設備，但當前流行的數控仿真軟件如宇龍、宇航、菲克等能模擬機床操作面板，能驗證數控程序，能加工出零件大致輪廓，同時也存在幾大缺陷：加工工藝性差，如工藝方案的優劣對加工結果的影響看不出，零件的尺寸精度和形位公差無法測量；無法切身感知車間現場環境，如刀具磨損時的聲音異常，操作不規范導致的各種安全問題等。學生在使用模擬軟件后對技術、工藝的掌握還很膚淺。

（4）校外實訓學生僅參與某個生產環節，并未完整經歷職業崗位的各個工作步驟；企業首先要完成的是生產任務，而不重視培養學生，學生實習效果受到很大的影響。[3]

（5）教師的企業經歷較少，基本上只能指導學生操作練習，培養不了企業真正需要的高技能人才，其“雙師”素質有待提高。

二、虛擬制造實訓平臺構建的基礎探索

1.根據市場調查確定機械制造職業崗位群

本項目組首先組織開展了機械制造職業崗位群的市場調研，而機械制造職業崗位往往從屬于汽摩配、家用電器、服裝機械、機床設備、模具制造等行業，通過對上述行業上百家各類規模企業的實地調研，并在多位企業實踐專家的協助下對調研結果進行了歸納分析，最后確定了以下幾個職業崗位：普機操作工、數控操作工、檢驗員、工藝員。

2.根據崗位要求布置虛擬實訓情境

虛擬實訓的目的是讓學生在模擬真實的職業環境下鍛煉成一名準職業人，所以我們在布置實訓場景時首先要滿足工作環境的真實性和工作過程的完整性。這里的環境布置指的是軟件環境，虛擬環境的空間布置和設施配置企業化，將學生的角色設為某個企業某個崗位的職員，以該職業崗位的工作步驟為依據編排虛擬實訓步驟。如操作工的工作步驟包括生產準備、生產過程、生產結束三個階段的工作內容，具體內容如圖1所示。

數字化工廠的技術目的是利用IT技術統一管理原材料、設備、工廠（面積）和生產流程。[4]而我們的虛擬實訓平臺的技術目的是模擬各工作崗位的工作步驟，并在工作過程中學習相關知識。

3.各工作步驟中穿插了大量輔助學習內容

我們的虛擬實訓平臺并不是一個單一的數字化工廠，它既是一個虛擬工作平臺，又是一個學習平臺。企業里的工人或技術人員需要系統培訓后才能完成一項較復雜的工作。同樣，要完成虛擬實訓平臺的各項工作任務，也需要系統的學習和培訓。學習內容主要包括各具體工作步驟的示范指導和相關知識相關技能的拓展學習兩類。工作步驟的示范指導采用圖文視頻結合的方式展示，部分采用了交互軟件。相關知識的拓展采取引導文的形式，告訴學生查找相關資料的路徑，而不是直接把答案告訴學生。這樣學生在虛擬實訓中并不是簡單地模仿操作，更多的是培養了自學能力和解決問題的能力，學習到了工作過程系統化的知識。

三、虛擬制造實訓平臺的系統結構

虛擬制造實訓平臺的開發應與相關職業崗位的工作情境相符，逼真地反應工作內容。同時又要有輔助學習的功能，是一個助學的平臺。基于以上認識提出了支持虛擬制造實訓平臺的系統框架，該系統結構由數據層、業務邏輯層、Web層、用戶層4部分組成，如圖2所示。

虛擬制造實訓平臺的框架結構分為四層。（1）數據層用于存儲支撐實訓平臺運行的各種數據，如零件庫、刀具庫、設備庫和用戶信息等。數據層為實訓管理和應用提供數據支持。在實訓平臺系統中，提供數據庫訪問功能。通過這些應用程序接口，上層系統可以訪問到實訓平臺的各種數據。[5]（2）業務邏輯層是實訓平臺的核心，所有與Web信息相關的業務邏輯都在這一層實現。業務邏輯層是由一系列功能執行部件組成的，涵蓋了實訓平臺所設計的認識實習、加工仿真、產品裝配拆卸、用戶管理、系統管理等主要業務功能。（3）Web層由Web服務器和Web容器組成，Web容器包含 JSP、HTML、Applet等功能組件。[6]這些功能組件主要用于描述客戶端瀏覽器的內容顯示方式。Web層負責接受用戶的信息服務請求，轉遞給業務邏輯層，并將響應的結果返回給用戶，即通過Web瀏覽器向用戶顯示結果。（4）用戶層負責與用戶的交互。它的功能是提交用戶請求，并顯示服務器的處理結果。在具體應用中，可以根據具體的應用環境提供相應的交互方式：一種是通過瀏覽器；另一種是通過應用程序，跨越Web層，與業務邏輯層直接交互。

四、虛擬制造實訓平臺的實施案例

學生在虛擬制造實訓平臺內，先選擇相應的職業崗位，閱讀崗位職責，初步了解工作步驟。進入虛擬空間后，根據職責完成目標崗位的全部工作步驟。如無法完成某工作步驟，可以打開視頻窗口學習，如需進一步學習相關知識可以打開知識導航，引導你學習相關的技術資料。在虛擬制造實訓平臺內學生邊工作邊學習，無需教師在場，就可以通過自己的努力完成各項工作任務，并充分利用實訓平臺的導航、自測與自評的助學功能，達到崗位職責的要求，實現職業教育與工作崗位的無界化。

下面以數控操作工的虛擬實訓為例，第一步是熟悉工作環境和工作內容。學生可以在機械加工車間參觀漫游，具體能夠實現：指定路徑的漫游動畫顯示、不同視點的3D模型觀察、機床設備、刀具、工裝、零件等模型的整體和局部觀察等。如圖3所示。

第二步是生產準備階段，包括：①領用圖紙、工藝卡；②根據工單任務領料；③工裝庫借本道工序夾具、刀具；④上夾具調試。以上幾步都是嚴格按照機械制造企業數控機床操作工的真實工作準備步驟來編排，學生能學習到去什么部門領取相關工作資料、工具，需辦理什么手續，也能學到零件加工前怎么調試工裝夾具等。如圖4所示。

第三步是生產階段，包括：①互檢，檢測上一道工序半成品的精度是否符合要求；②首件加工；③首件加工后的首檢，包括自檢、班組長、檢驗員檢，檢驗合格后可以正式開始生產；④“三按”生產，即嚴格按圖紙、按標準、按工藝的要求正式生產；⑤自檢、互檢，發現問題向班組長及時報告并注意工件防護、現場6S、設備維護、安全操作規定等，批量生產完成后需辦理轉序手續，在工序流程卡上登記記錄。

零件加工仿真模塊界面如圖5所示，動畫區主要分為工件區和機床設備區，分別仿真刀路和機床動作。系統菜單主要有文件、視圖、分析等，設計適當的快捷按鈕。制作典型零件加工仿真，包括毛坯定義、材料定義、工裝定義、刀具定義和機床選擇。

第四步是生產結束階段，包括零件入庫、交回工藝和圖紙、清掃場地、潤滑機床并完成“三保”中的“一保”。

五、結束語

基于虛擬現實技術的虛擬實訓與傳統的校內外實訓模式相比有著自身的優勢和特點。它能全真模擬職業工種的工作環境、工作步驟和工作內容，學生通過完全沉浸式的職業角色扮演，真實地體驗各個職業崗位，熟悉了工作步驟、工作內容，并能學習訓練相關工作技能。虛擬現實技術在機械制造實訓教學中的應用,不但提升了本專業實踐教學的現代化水平,大大改善了教學條件，也為實現職業教育與工作崗位“零對接”提供了有力的保障。☉

[1]王艷戎,張遠輝.高職機械基礎實踐教學中心建設探索[J].職業教育研究,2011（7）:154-155.

[2]黃敏玲.高職院校校內實訓教學存在的問題及對策探討[J].高教論壇,2011（10）:127-128.

[3]易洪雷.基于校企合作聯盟模式的校外實習基地建設[J].實驗技術與管理，2011（4）：140-142.

[4]徐富亮.虛擬車間的研究、設計與實現[D].武漢理工大學碩士學位論文,2009.

[5]郝理想.基于虛擬仿真的生產車間布局設計方法研究[D].合肥工業大學碩士學位論文,2006.

[6]許丹.虛擬實驗室平臺相關技術的研究與實現[D].國防科技大學碩士學位論文,2007.

（編輯：金冉）

G434

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1673-8454（2012）09-0046-03

浙江省科技計劃項目，項目編號：2010R30037；浙江省教科規劃課題，項目編號：SCG493；浙江省教育廳新世紀教改項目，項目編號：YB09124。