產(chǎn)品制造工藝虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的研究

高健權(quán)　方新國(guó)

摘要：為輔助設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)品制造工藝知識(shí)，以仿真教學(xué)形式提高該類知識(shí)的易學(xué)性。分析了現(xiàn)有產(chǎn)品制造工藝仿真教學(xué)研究的不足，總結(jié)了以功能框架為導(dǎo)向的仿真教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)方法以及交互功能實(shí)現(xiàn)流程，以木家具制造工藝教學(xué)課程為例，分析了該課程的知識(shí)教學(xué)體系，設(shè)計(jì)了該課程的三大功能教學(xué)模塊，采用Unity3D引擎與Playmaker可視化編程插件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了該仿真教學(xué)平臺(tái)的原型。開發(fā)實(shí)現(xiàn)了教學(xué)仿真平臺(tái)。該方法與開發(fā)流程可為產(chǎn)品制造工藝教學(xué)仿真平臺(tái)研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)方法 虛擬仿真教學(xué) 家具制造工藝 交互設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069 （2019） 06-0080-03

引言

在產(chǎn)品制造工藝教學(xué)中，由于學(xué)校資金投入的限制，難以滿足學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)所需要的設(shè)備或生產(chǎn)環(huán)境，學(xué)生的學(xué)習(xí)只能停留在理論知識(shí)上。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的普及，虛擬仿真教學(xué)成為了解決當(dāng)前受資金限制教學(xué)的新方法，并能取得較好的教學(xué)效果。近年來，國(guó)內(nèi)關(guān)于產(chǎn)品制造工藝仿真教學(xué)的研究有很多。文獻(xiàn)[1]使用Unity3D結(jié)合C#編程語言開發(fā)了船舶制造的虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，闡述了平臺(tái)的開發(fā)流程以及建模的相關(guān)規(guī)范。文獻(xiàn)[2]結(jié)合教育學(xué)理論和VR教學(xué)理念開發(fā)了機(jī)械產(chǎn)品制造的教學(xué)案例，可實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)習(xí)效果。文獻(xiàn)[3]運(yùn)用模塊設(shè)計(jì)的思想開發(fā)了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的加工工藝虛擬仿真平臺(tái)，具有多功能模塊，可實(shí)現(xiàn)Web環(huán)境下的瀏覽學(xué)習(xí)。文獻(xiàn)[4]采用3DMax和VR-Platform平臺(tái)搭建了化工虛擬仿真綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，可滿足多專業(yè)、多人、多角色的訓(xùn)練。文獻(xiàn)[5]利用Virtools可視化程序開發(fā)軟件搭建了服裝工藝教學(xué)與實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)，闡述了該平臺(tái)的組織結(jié)構(gòu)與內(nèi)容。文獻(xiàn)[6]針對(duì)鍛造工藝的要求與流程設(shè)計(jì)了虛擬鍛造工藝系統(tǒng)的交互模式，并采用Unity3D與JavaScript語言開發(fā)了自由鍛造虛擬過程實(shí)例。文獻(xiàn)[7]提出了虛擬仿真在生物工藝學(xué)的應(yīng)用，闡述了虛擬仿真工藝的授課方式。文獻(xiàn)[8]提出了鉆探工藝仿真平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)，為學(xué)生與教師設(shè)計(jì)了相應(yīng)的功能模塊。文獻(xiàn)[9]結(jié)合車輛工程專業(yè)主干課程開發(fā)了車輛工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。文獻(xiàn)[10]在虛擬仿真工藝及虛擬仿真工程教學(xué)回顧中提到了前期國(guó)外對(duì)于虛擬仿真工藝教學(xué)中的研究主要在于利用不同平臺(tái)及不同程度的技術(shù)，在特定工程學(xué)科教育背景下的仿真平臺(tái)開發(fā)研究。

總的來說，國(guó)內(nèi)外在虛擬仿真教學(xué)方面都取得了一些進(jìn)展，但這些研究主要存在以下局限性：沒有形成一套適用于產(chǎn)品制造工藝教學(xué)通用的平臺(tái)建設(shè)體系;大多平臺(tái)基于基礎(chǔ)語言開發(fā)的，開發(fā)難度大、周期長(zhǎng)，不適用于沒編程技能的設(shè)計(jì)師進(jìn)行平臺(tái)的設(shè)計(jì)。本文提出了一種以功能框架為導(dǎo)向的產(chǎn)品制造工藝虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法。基于Unity3D平臺(tái)的可視化編程插件Playmaker給出了交互功能的實(shí)現(xiàn)流程，使設(shè)計(jì)師能簡(jiǎn)易完成仿真平臺(tái)的原型設(shè)計(jì)。

一、平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

產(chǎn)品制造工藝課程是一門綜合性的實(shí)用技術(shù)學(xué)科，其具有工藝?yán)碚摱唷?shí)踐性很強(qiáng)的特點(diǎn)，所以在教學(xué)中單純的以口頭或多媒體授課在某些教學(xué)內(nèi)容中難以傳達(dá)和吸引學(xué)生。依據(jù)產(chǎn)品制造工藝的教學(xué)需求，結(jié)合可視化編程插件的特點(diǎn)，提出一種產(chǎn)品制造工藝虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)通用設(shè)計(jì)框架，并給出可視化編程實(shí)現(xiàn)交互功能的整體思路。

（一）平臺(tái)的功能框架設(shè)計(jì)。本文中產(chǎn)品制造工藝虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)由五個(gè)應(yīng)用層次組成，其中平臺(tái)的功能框架層由其余四個(gè)層次以針對(duì)性的需求進(jìn)行設(shè)置，從而形成一個(gè)分層次、有針對(duì)性的虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)功能體系，如圖1所示。

用戶對(duì)象層需要根據(jù)平臺(tái)使用的不同用戶對(duì)象設(shè)置相應(yīng)的用戶通道。每個(gè)學(xué)生的知識(shí)背景都有差異，以學(xué)生的學(xué)習(xí)需求為中心，設(shè)計(jì)針對(duì)性的學(xué)習(xí)資源。教師通道的設(shè)計(jì)為方便授課教師制定教學(xué)步驟、布置教學(xué)任務(wù)等，是學(xué)生與教師在平臺(tái)上相互交流的有效手段。而管理員通道是管理員對(duì)學(xué)生與教師基本信息進(jìn)行管理以及對(duì)平臺(tái)維護(hù)。

在確定了教學(xué)對(duì)象后，利用虛擬現(xiàn)實(shí)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的虛擬設(shè)計(jì)，并對(duì)實(shí)踐教學(xué)虛擬再現(xiàn)。虛擬仿真教學(xué)是以系統(tǒng)為中心的教學(xué)設(shè)計(jì)模式，在平臺(tái)設(shè)計(jì)過程中需要考慮每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的內(nèi)容設(shè)定，以虛擬環(huán)境的視角尋找解決教學(xué)問題的正確邏輯，避免以技術(shù)套教學(xué)內(nèi)容的情況。

虛擬仿真教學(xué)依托VR技術(shù)、多媒體技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)以及數(shù)據(jù)庫(kù)等，以構(gòu)建起高度仿真的產(chǎn)品制造工藝環(huán)境，為達(dá)到教學(xué)目的往往需要結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，選擇應(yīng)用不同的技術(shù)以更好讓學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的認(rèn)知與吸收。

底層數(shù)據(jù)層支撐起平臺(tái)的各個(gè)功能模塊，而教學(xué)內(nèi)容依靠底層數(shù)據(jù)作為載體。設(shè)計(jì)師需要根據(jù)技術(shù)的應(yīng)用選擇表達(dá)教學(xué)內(nèi)容的素材，并以虛擬仿真呈現(xiàn)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出能有效傳達(dá)內(nèi)容知識(shí)的教學(xué)功能，滿足教學(xué)的需求。

（二）交互功能實(shí)現(xiàn)思路。Unity3D中提供大量的第三方插件輔助虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的開發(fā)，其中Playmaker是一款可視化編程插件，也是一個(gè)分層邏輯框架，設(shè)計(jì)師或程序員只需通過Playmaker中簡(jiǎn)單的狀態(tài)機(jī)FSM便能高效率完成交互動(dòng)作原型[11]。FSM可以將對(duì)象的復(fù)雜行為特征歸納為有限個(gè)不同的“狀態(tài)”，然后為每個(gè)狀態(tài)分別指定一些列“行為”讓處于該狀態(tài)的對(duì)象來執(zhí)行，同時(shí)設(shè)置一些“條件”，當(dāng)這些條件被滿足時(shí)，對(duì)象便從當(dāng)前狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)狀態(tài)，由此帶來其“行為”的改變。

整體交互實(shí)現(xiàn)流程可以歸納為，如圖2所示，當(dāng)用戶通過輸入設(shè)備向物體發(fā)送信息時(shí)（如鼠標(biāo)按鍵的按下、滾輪波動(dòng)等信息被輸入），計(jì)算機(jī)接收指令并進(jìn)行指令的邏輯判斷，觸發(fā)指定Events并通過該Events實(shí)現(xiàn)物體的狀態(tài)改變。每個(gè)物體可以有多種狀態(tài)，而每種狀態(tài)都可以添加自己特殊的行為Action。Playmaker為開發(fā)者枚舉了常用的所有行為，無需編寫代碼就能制作完整的平臺(tái)交互功能，方便了設(shè)計(jì)師與程序員的溝通。

通過上述框架設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)思路，最終能為產(chǎn)品制造工藝虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)三方面基礎(chǔ)功能：（1）加工產(chǎn)品的交互展示;（2）產(chǎn)品制造流程的動(dòng)畫展示;（3）加工設(shè)備的模擬操作。對(duì)三大模塊功能的學(xué)習(xí)有助于學(xué)生對(duì)產(chǎn)品制造工藝概念的理解和制造工藝的掌握。

二、木家具制造工藝虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

本平臺(tái)的目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)輔助學(xué)生學(xué)習(xí)木質(zhì)家具的結(jié)構(gòu)、部件加工工藝過程及裝配練習(xí)的虛擬環(huán)境。目前國(guó)內(nèi)有利用虛擬仿真技術(shù)檢驗(yàn)?zāi)炯揖弋a(chǎn)品的可裝配性研究，但主要面對(duì)的是家具生產(chǎn)行業(yè)的使用[12]。本虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)結(jié)合教學(xué)內(nèi)容實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的功能模塊，并闡述了平臺(tái)交互功能實(shí)現(xiàn)的流程。

（一）功能模塊設(shè)計(jì)。木家具制造工藝學(xué)是家具設(shè)計(jì)專業(yè)的一門基礎(chǔ)核心課程，它是研究木家具生產(chǎn)制造過程中的材料、結(jié)構(gòu)、零部件加工工藝及裝配等主要內(nèi)容，需要各種機(jī)械設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，一般學(xué)校由于資金投入的限制，教學(xué)只能停留在理論知識(shí)上[13-14]。本案例結(jié)合功能框架體系，設(shè)計(jì)了虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的功能模塊，如圖3所示。

1.結(jié)構(gòu)虛擬展示模塊。木家具是由若干個(gè)零部件和配件按一定的結(jié)構(gòu)形式通過一定的拼合方式組裝而成的。該模塊主要包含對(duì)木家具五個(gè)典型結(jié)構(gòu)類型以及接合方式的學(xué)習(xí)，利于剛?cè)腴T該課程的學(xué)生先了解不同的結(jié)構(gòu)形式的家具。學(xué)生通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊合并或拆裝按鈕查看結(jié)構(gòu)的拼裝動(dòng)畫，也可以結(jié)合鼠標(biāo)對(duì)家具模型全視度交互，從而清晰查看結(jié)構(gòu)與紋理細(xì)節(jié)，如圖4所示。

2.加工工藝虛擬仿真模塊。此模塊是針對(duì)已入門基礎(chǔ)的學(xué)生，利用三維可視化技術(shù)幫助他們深入一線了解木家具的制作流程，掌握木家具每個(gè)零部件從粗糙木材變成新穎家具的奇妙過程，從動(dòng)畫中學(xué)習(xí)生產(chǎn)工藝的基本原理，從而可以應(yīng)對(duì)萬變的加工工藝條件。該模塊含有設(shè)備模型庫(kù)，學(xué)生可以認(rèn)識(shí)不同設(shè)備的名稱、型號(hào)、性能和特點(diǎn)以及不同設(shè)備對(duì)應(yīng)哪種加工工藝，如圖5所示。

3.虛擬裝配訓(xùn)練模塊。在掌握加工工藝后，還需培養(yǎng)學(xué)生的識(shí)圖能力和空間想象能力。該模塊在于通過閱讀圖紙進(jìn)一步分析研究家具的造型形態(tài)、比例尺寸、材料結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，然后進(jìn)行不同木家具結(jié)構(gòu)的裝配。學(xué)生以鼠標(biāo)拖拽形式觀察及拼接產(chǎn)品的零部件，在學(xué)習(xí)到課程知識(shí)之余還能真正體會(huì)到家具結(jié)構(gòu)的魅力與文化，如圖6所示。

（二）平臺(tái)交互功能實(shí)現(xiàn)。本平臺(tái)主要包括四個(gè)功能交互實(shí)現(xiàn)。首先，采用Playmaker狀態(tài)機(jī)控制家具模型360度旋轉(zhuǎn)的交互功能基本思路為：1.系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)入獲取鼠標(biāo)輸入狀態(tài);2.當(dāng)鼠標(biāo)左鍵有按下并處于拖拽行為時(shí)發(fā)送Mouse Drag系統(tǒng)事件過渡到物體旋轉(zhuǎn)狀態(tài);3.添加MouseLook動(dòng)作并每幀監(jiān)測(cè)鼠標(biāo)行為事件;4.當(dāng)鼠標(biāo)釋放便發(fā)送Mouse Up系統(tǒng)事件過渡回到獲取鼠標(biāo)狀態(tài)。

鼠標(biāo)滑輪控制物體大小變化的功能可以通過控制攝像機(jī)與物體距離來實(shí)現(xiàn)，基本思路歸納為：1.系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)入獲取鼠標(biāo)滑輪狀態(tài)，得到滑輪軸的變化參數(shù)并存儲(chǔ)于全局變量中;2.設(shè)置攝像機(jī)初始狀態(tài)與變焦初始值;3.過渡到滑輪參數(shù)對(duì)比狀態(tài)，判斷滑輪滑動(dòng)方向;4.計(jì)算攝像機(jī)變焦參數(shù)并移動(dòng)到相應(yīng)位置。狀態(tài)機(jī)流程，如圖7所示。

鼠標(biāo)控制物體移動(dòng)完成零部件裝配原型設(shè)計(jì)整體思路為：1.獲取鼠標(biāo)按下事件，并發(fā)送事件至檢查物體狀態(tài)，存儲(chǔ)鼠標(biāo)所選擇物體;2.獲取鼠標(biāo)再次按下的坐標(biāo)位置，并發(fā)送事件至位置設(shè)置狀態(tài);3.將所選物體移動(dòng)至存儲(chǔ)的目標(biāo)坐標(biāo)位置，狀態(tài)機(jī)整體流程，如圖8所示。

木家具結(jié)構(gòu)的拆裝動(dòng)畫以及加工工藝動(dòng)畫采用GUI按鈕控制播放。Playmaker為開發(fā)者提供了大量的動(dòng)畫Action，本平臺(tái)采用的控制動(dòng)畫Action包括動(dòng)畫播放行為Play animation、回播行為Rewind Animation和停播行為Stop Animation。

三、木家具制造工藝虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)實(shí)踐

平臺(tái)以16級(jí)工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)本科生為評(píng)測(cè)載體，在家具設(shè)計(jì)課堂教學(xué)中讓學(xué)生對(duì)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，實(shí)踐后將完成調(diào)查問卷并給出口頭反饋。大部分學(xué)生對(duì)這次實(shí)踐給予了較高評(píng)價(jià)，受到學(xué)生的歡迎。較多學(xué)生反饋平臺(tái)生動(dòng)形象的動(dòng)畫和有趣的操作過程相比書本和老師平時(shí)的講授更清晰易懂，如木材的加工過程和一些復(fù)雜的家具結(jié)構(gòu)都能“親臨現(xiàn)場(chǎng)”觀看和拆裝了'而部分學(xué)生對(duì)教學(xué)平臺(tái)有不足的反饋也將記錄以日后繼續(xù)完善和修正。

結(jié)論

本文為產(chǎn)品制造虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)提出了通用的功能框架設(shè)計(jì)體系以及交互功能實(shí)現(xiàn)流程。在開發(fā)時(shí)，設(shè)計(jì)師可以借助Unity3D的Playmaker可視化編程插件，避免了基于基礎(chǔ)語言開發(fā)的復(fù)雜編程過程。本文以木家具制造工藝虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)為案例開發(fā)，介紹了其設(shè)計(jì)過程及開發(fā)流程，以大三工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)本科生為測(cè)評(píng)載體，對(duì)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)踐和反饋，大部分學(xué)生給出了較高評(píng)價(jià)，以驗(yàn)證了本研究提出的設(shè)計(jì)方法的可行性。.

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