基于IdeaVR的機床拆裝虛擬仿真教學探索

李玉勝 董保香 楊振宇

摘要：機械類許多課程需要講解機床結構，但傳統機床拆裝非常不方便，拆裝時間比較長，且危險性比較大，難以復原，因此借助于虛擬現實，建立三維虛擬拆裝實驗環境，配合真實的機床拆裝，實現虛實結合，對于教學有重要意義，可節約時間，提高教學效果，經過一段時間的測試，獲得了授課老師與學生的好評。

關鍵詞：IdeaVR；虛擬仿真；機床

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）27-0152-02

一、前言

《機械設計》、《機械制造工藝學》、《機電裝備制造技術》等課程，需要對機床結構有深入理解，課程中涉及機床結構的知識比較多而且深，目前的課程教學一般是課堂講解并結合實物展示、掛圖、多媒體等輔助手段進行[1]，但機床結構復雜，單一的教學手段導致課程內容抽象，課堂氛圍單調煩悶，學生被動接受知識，很難對知識技能產生興趣，影響學生實踐能力和創新能力的培養。虛擬現實技術以其良好的沉浸性和交互性，若應用到課程教學中，可以將學生的視覺、聽覺甚至感覺全部調動起來，給學生一種身臨其境的感覺，讓學生在虛擬環境中進行各種操作，增加教學的直觀性、趣味性和實踐性[2]。

二、IdeaVR介紹

IdeaVR是上海曼恒數字技術股份有限公司開發的全球首款支持異地多人協同的虛擬現實教育平臺，它支持異地分布式多人協同工作，能還原真實世界中大型活動的分工協作狀態和工作過程，每個參與者戴上頭盔或者立體眼鏡，帶著各自的視角，在同一場景中瀏覽或操作同一物體，共同協作完成某項復雜的工作。管理者人員不但可以管理參與協同工作的每位參與人員，而且還可以看到所有參與者頭盔中的實時場景，從真正意義上滿足了在真實世界中需要跨部門跨區域的多人協作需求。IdeaVR軟件平臺提供了場景編輯器、交互編輯器等，使用零編程和圖形化的拖拽操作方式，可以快速搭建虛擬場景，并制定其中的行為和交互邏輯，交互編輯器在很大程度上可以解決VR教學內容制作困難。軟件支持多種虛擬方式，例如G-Cave、I-Wall、L-Wall、V-Wall以及HTC Vive和Oculus Rift等頭盔顯示設備。充分利用軟件提供的強大的分布式多人協同功能，可快速構建多人協同工作環境，讓所有同學置身于同一個真實的場景中，共同操作同一對象。系統提供語音通訊、白板、PPT播放、答題考試等功能模塊，涵蓋“教、學、考、練”環節。IdeaVR可以通過共享云平臺獲取或分享VR素材資源，可用于教育培訓、協同訓練、產品展示和方案評審等方面，可快速將優質的資源和案例發布到云平臺進行分享。

三、虛擬環境組成

虛擬環境主要包括軟件與硬件兩部分。

軟件包括：常用三維機械CAD軟件Solidworks、UGNX、3DMax（用于轉換文件格式）、虛擬現實平臺軟件IdeaVR2.0、遠程控制工具軟件VNC Viewer/Server、工業攝像機軟件fly capture、多電腦控制軟件input director、位置追蹤軟件G-Motion 3.0等。

硬件包括：紅外光學跟蹤攝像頭（跟蹤刷新頻率120幀/秒）；Venom-X無線手柄（最遠追蹤距離5米，系統延遲小于10ms）、小間距3D現實系統（像素間距2.5mm、模組尺寸325mm×365mm×144mm，整體尺寸4.55m×2.555m，整體分辨率1792×1008）、光學位置追蹤系統、3D眼鏡、3臺工作站（分別用于三維模型建立與虛擬環境渲染、位置跟蹤、支持LED大屏幕）等。

四、虛擬拆裝功能

針對普通機床的結構建立三維建模后，通過3DMax軟件進行文件格式轉換后，并導入IdeaVR軟件中，然后利用軟件提供的功能實現虛擬現實各種所需操作。機床拆裝主要內容包括：主軸箱、進給箱、溜板箱、刀架、尾座和床身等結構的拆裝等[3]。拆掉機床外殼后，可以看到機床傳動系統等詳細的內部三維結構模型，看清各檔傳動路線及傳動件的構造，模型采用不同顏色表示出各種傳動路線，非常直觀。虛擬現實界面如圖1所示。

在VR系統中實現了普通機床的拆裝及爆炸視圖。利用VR系統漫游，即通過操作輸入設備，以一定的路徑和視角觀察機床的外部形態和內部結構，使學生的視線跟隨攝像機，可以在機床內部沿著動力傳遞的路線，反復觀察傳動系統的機構組成與連接情況。采用動畫演示的方式，實現機床傳動系統的運動等操作，把機床關鍵零部件的有限元分析結果，采用視頻的方式加入到虛擬環境中，讓學生方便地了解關鍵零部件的受力情況。

實現了多種漫游方式，包含自由查看（通過六維鼠標自由控制在場景中的移動和視角）、重力查看（在自由查看的基礎上，模擬帶重力的視角移動，但被限制在一個平面上移動）、孤立對象查看（選擇某個物體后，只查看該物體，其他物體全部被隱藏）。實現了機床結構的多視角查看（調整視角位置，按確認鍵會記錄當前視角）。可查看各種標注（查看當前場景中在編輯器創建的標注信息），對復雜結構實現各種剖切（查看當前場景中的剖切視圖，使用操作器可以調整剖面的位置和角度）。

在手柄的支持下，可對任意部件操作，包括部件移動（手柄拾取物體后可以自由擺放該物體）、部件隱藏/顯示（手柄選擇物體后可以控制隱藏或顯示的狀態擇一個需要隱藏的物體，按確定鍵，物體被隱藏）、部件歸位（所有物體回到初始狀態的位置）等。

在虛擬的環境中播放錄制好的軌跡動畫，可隨時在虛擬場景中進行自由繪制，記錄下注解和標記等。通過GMotion手柄實現了虛擬裝配，包括解析裝配模型、定義裝配順序、隱藏場景中待裝配的模型等操作。

五、教學效果

基于IdeaVR的機床虛擬拆裝教學項目實施了一年，共120人，分12批次每批10人進行。有的學生反映感到很震撼，表示對機床的結構有了深入理解。有的學生反映，虛擬現實很新穎，那種感覺意想不到，機床零部件的感覺非常真實，可以把任何一個零件移動到觸手可得的地方，仔細觀察，任意翻轉，非常真實。有的同學表示，如果學校向我們提供此類的應用，一定會喜歡它，它能夠把寓教于樂、寓學于趣結合在一起。也有的同學表示以前沒體驗過虛擬現實應用，戴上眼鏡后感到眩暈。總之絕大多數同學喜歡虛擬現實應用，因為互動性很強，在學習中給自己帶來很多樂趣。

六、結束語

利用三維虛擬現實優秀的沉浸性和交互性，擺脫了學生過度依賴課本及實物的現實，突破了傳統的教學方法，實現了將課堂從“二維”擴展到“三維”，從靜態擴展到動態，學生從被動式學習模式轉變為互動式學習，有效地幫助學生理解教學內容，最大限度地調動學生的學習積極性，培養其動手能力和創新能力，使教學內容更加逼真形象，教學過程更加生動靈活。

參考文獻：

[1]史翠蘭.虛擬現實技術在機床夾具課程中的應用于實現[J].電子技術與軟件工程，2017，（22）：63-65.

[2]于鳳麗.機床拆裝方法和技巧的研究[J].農業裝備技術，2018，44（2）：63-64.

[3]陳修祥，王澤，孫奎洲.機械設計課程教學改革——機床拆裝項目教學[J].江蘇技術師范學院學報，2012，18（4）：120-123.