基于車身電子測(cè)量與校正仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的軟件開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

張啟森

摘 ?要：該文總結(jié)了汽車鈑金維修教學(xué)過程中存在的一些問題，并以車身電子測(cè)量與校正仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)為例，闡述了汽車車身仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和關(guān)鍵技術(shù)，詳細(xì)闡述基于工作過程的汽車車身測(cè)量與校正一體化虛擬教學(xué)系統(tǒng)的操作過程，旨在彌補(bǔ)實(shí)踐教學(xué)中硬件資源的不足，節(jié)約實(shí)訓(xùn)成本，更好地發(fā)揮理實(shí)一體化教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)，培養(yǎng)高素質(zhì)人才。

關(guān)鍵詞：車身 ?仿真 ?實(shí)訓(xùn)系統(tǒng) ?維修 ?開發(fā)

中圖分類號(hào)：U472 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）10（c）-0129-02

車身電子測(cè)量與校正項(xiàng)目是汽車車身維修行業(yè)典型工作任務(wù)之一，在企業(yè)生產(chǎn)維修、機(jī)動(dòng)車從業(yè)資格培訓(xùn)、汽車維修技能大賽等方面應(yīng)用極為廣泛。在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，工位占地面積大，教學(xué)組織困難;車身反復(fù)校正，金屬出現(xiàn)加工硬化回彈系數(shù)變化，難以達(dá)到理想的實(shí)訓(xùn)效果;測(cè)量設(shè)備精密度高、昂貴、易損，不適合學(xué)生大量實(shí)訓(xùn)練習(xí)。為了解決上述問題我們開發(fā)了這款集教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、生產(chǎn)維修、考核評(píng)價(jià)為一體的仿真實(shí)訓(xùn)軟件，經(jīng)過多個(gè)平行班的試用，使用該仿真實(shí)訓(xùn)軟件開展教學(xué)可以有效地提高教學(xué)效率，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，降低教學(xué)成本，取得了廣大師生的一致好評(píng)。

1 ?車身實(shí)踐教學(xué)中存在的問題

1.1 儀器精密度高、易損，不適合學(xué)生大量實(shí)訓(xùn)練習(xí)

一套SHARK超聲波車身電子測(cè)量與校正項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)設(shè)備包括電子測(cè)量軟件、計(jì)算機(jī)、車身校正平臺(tái)、測(cè)量工具、校正工具、汽車白車身等部分構(gòu)成，價(jià)格一般在100萬(wàn)左右。在教學(xué)過程中，由于車身電子測(cè)量系統(tǒng)采用的是超聲波定位測(cè)距原理，測(cè)量工具的精確度高、易損，學(xué)生在教學(xué)過程中規(guī)范性差，且操作頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過在實(shí)際維修中的使用強(qiáng)度，容易導(dǎo)致儀器損壞，嚴(yán)重影響教學(xué)效果。實(shí)訓(xùn)中對(duì)車聲進(jìn)行反復(fù)校正，車身?yè)p壞嚴(yán)重，金屬材料出現(xiàn)加工硬化，回彈系數(shù)隨之改變，導(dǎo)致車身校正實(shí)訓(xùn)無法達(dá)到預(yù)期效果。

1.2 學(xué)生人數(shù)多、工位少，學(xué)生在實(shí)操現(xiàn)場(chǎng)看多做少

該實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目占地面積大，由于教學(xué)中還有車身校正操作還要留下足夠的安全距離，一個(gè)實(shí)訓(xùn)工位至少占地60m2。如果多工位同時(shí)開展實(shí)訓(xùn)，無疑需要占據(jù)大量的空間，教學(xué)組織困難，所以大部分學(xué)校在該實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目的教學(xué)中多采用教師示范課的形式，甚至有些學(xué)校直接將其改為理論課來講解，學(xué)生實(shí)訓(xùn)機(jī)會(huì)極少，學(xué)生技能水平普遍不達(dá)標(biāo)。

1.3 教學(xué)過程中無法為學(xué)生提供良好視角，教學(xué)組織困難，師生互動(dòng)差

該實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，隨機(jī)性強(qiáng)，每次校正后的數(shù)據(jù)存在偏差，教學(xué)中過程控制難度大，設(shè)備占地面積大，測(cè)量點(diǎn)小，無法給所有學(xué)生提供良好的視角，極大影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生的知識(shí)掌握水平以及技能熟練度差。

2 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路與架構(gòu)

2.1 設(shè)計(jì)思路

《車身電子測(cè)量與校正實(shí)訓(xùn)仿真軟件》基于LS-DYNA平臺(tái)開發(fā)，3D Scan軟件建模，3D MAX軟件動(dòng)畫，MATLAB/SIMULINK語(yǔ)言編程，針對(duì)奔騰SHARK超聲波車身電子測(cè)量的教學(xué)過程進(jìn)行研究，基于行業(yè)典型的工作任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，建立了仿真模型，實(shí)現(xiàn)軟件的動(dòng)態(tài)仿真操作。軟件能夠有效解決一體化教學(xué)過程中工位少、教學(xué)效果差、學(xué)生動(dòng)手操作機(jī)會(huì)少等問題，實(shí)現(xiàn)助教、助學(xué)、仿真實(shí)訓(xùn)、理論測(cè)評(píng)等諸多功能，有效改善教學(xué)與實(shí)訓(xùn)效果。

此外，針對(duì)教學(xué)過程采用軟件操作與實(shí)操錄像交互的形式，通過建立實(shí)訓(xùn)仿真軟件，對(duì)各類設(shè)備工具進(jìn)行建模，操作過程實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)仿真，有效地改善學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)境，并且為教師提供給完善的監(jiān)控后臺(tái)，便于課后反思，提高教學(xué)效率。

2.2 設(shè)計(jì)架構(gòu)

仿真教學(xué)系統(tǒng)包含場(chǎng)景導(dǎo)入、單元實(shí)訓(xùn)、評(píng)價(jià)考核等模塊，在場(chǎng)景導(dǎo)入模塊里，虛擬車間并結(jié)合實(shí)操視頻車身修復(fù)車間整體概況和操作流程，虛擬車間多功能3D圖形和動(dòng)畫展示車身電子測(cè)量和校正的車身結(jié)構(gòu)和布局，以卡通游戲形式提供進(jìn)一步了解和熟悉車身的機(jī)會(huì)，通過營(yíng)造良好的場(chǎng)景感，充分激發(fā)同學(xué)們的學(xué)習(xí)積極性。仿真軟件同時(shí)具備記憶和容錯(cuò)功能，全程記錄實(shí)操的過程和時(shí)間，為后續(xù)考核提供依據(jù)。系統(tǒng)基于LS-DYNA平臺(tái)開發(fā)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的，它利用3D Scan軟件建模、3D MAX軟件動(dòng)畫、MATLAB/SIMULINK語(yǔ)言編程，利用3D場(chǎng)景進(jìn)行互動(dòng)和車身測(cè)量和校正的操作。

2.2.1 實(shí)訓(xùn)教學(xué)準(zhǔn)備

實(shí)訓(xùn)準(zhǔn)備主要包括部件組成、附件介紹、圖紙識(shí)讀、實(shí)操視頻和理論測(cè)評(píng)等功能模塊組成，為之后實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)儲(chǔ)備知識(shí)。

該部分的設(shè)計(jì)目的是使學(xué)生掌握車身電子測(cè)量的各部分名稱、作用，了解車身的圖紙識(shí)讀方法，學(xué)生還可以通過實(shí)操視頻學(xué)習(xí)使仿真更加貼近實(shí)操、給學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)學(xué)生提供豐富的自學(xué)材料。學(xué)生在完成實(shí)訓(xùn)準(zhǔn)備部分的學(xué)習(xí)后，也可以通過理論測(cè)評(píng)，檢查自己的理論掌握水平。軟件也會(huì)將學(xué)生的測(cè)評(píng)結(jié)果存儲(chǔ)在后臺(tái)，教師可以通過教師登錄界面進(jìn)行查看成績(jī)，分析學(xué)生的在掌握情況。

2.2.2 車身電子測(cè)量

完成實(shí)訓(xùn)準(zhǔn)備界面學(xué)習(xí)后，就可以開始車身電子測(cè)量仿真實(shí)訓(xùn)的學(xué)習(xí)。學(xué)生可以根據(jù)自己的掌握情況選擇不同的實(shí)訓(xùn)模式。練習(xí)模式提供豐富的提示菜單，包括文字、聲音、視頻提示，可為初學(xué)者使用;考核模式無任何提示菜單，可作為學(xué)生自我檢查，教師考核學(xué)生掌握情況使用。

仿真實(shí)訓(xùn)界面通過將菜單融入場(chǎng)景，做到了仿真實(shí)訓(xùn)與真實(shí)實(shí)訓(xùn)的有機(jī)結(jié)合，使得信息化技術(shù)服務(wù)于學(xué)生的學(xué)習(xí)，服務(wù)于教師的教學(xué)。軟件還具有極好的容錯(cuò)性，可以針對(duì)學(xué)生不同的錯(cuò)誤，給予不同的提示，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)穆殬I(yè)素養(yǎng)。

2.2.3 車身校正

根據(jù)操作提示，對(duì)校正點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量后，確定校正方案，進(jìn)行校正。在這個(gè)界面上我們實(shí)現(xiàn)了車身校正平臺(tái)根據(jù)鼠標(biāo)指令運(yùn)動(dòng)，左右雙側(cè)校正。校正時(shí)的采用Flash動(dòng)畫、校正時(shí)間軸與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，通過實(shí)時(shí)仿真技術(shù)模擬真實(shí)的工作環(huán)境，解決了傳統(tǒng)教學(xué)模式下，車身反復(fù)拉伸金屬疲勞，實(shí)訓(xùn)效果差的問題。此外在拉伸作業(yè)中如果，操作違反安全操作規(guī)程軟件將給予警報(bào)提示。

2.2.4 考核評(píng)價(jià)體系

后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)詳細(xì)記錄學(xué)生的仿真實(shí)訓(xùn)操作，導(dǎo)出實(shí)訓(xùn)報(bào)告。實(shí)訓(xùn)報(bào)告包括學(xué)生姓名（學(xué)號(hào)）信息、通過操作時(shí)間的長(zhǎng)短、操作流程的規(guī)范包括錯(cuò)誤操作的記錄、測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性等詳細(xì)過程評(píng)價(jià)信息，方便學(xué)生檢查自己的學(xué)習(xí)情況，并且也可以通過學(xué)生自評(píng)界面與教師互動(dòng)，及時(shí)解決在學(xué)習(xí)中出現(xiàn)的問題。

教師管理后臺(tái)向教師提供學(xué)生在仿真軟件上的每一步操作，使教師能夠更好地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，分析教學(xué)中存在的問題，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的共性及個(gè)性問題，及時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，修改教學(xué)計(jì)劃，幫助教師分析學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，將學(xué)生的考核得分以圖標(biāo)的形式直觀地展示在教師的面前。

3 ?軟件特色

該軟件強(qiáng)化學(xué)生的車身電子測(cè)量與校正任務(wù)的知識(shí)和技能掌握程度，使學(xué)生充分了解車身電子測(cè)量和校正的工藝流程，反復(fù)練習(xí)、操作，并了解相關(guān)注意事項(xiàng)。對(duì)照車身實(shí)物及圖紙，反復(fù)練習(xí)，實(shí)訓(xùn)效果大大提高。

（1）軟件通過3DMAX開發(fā)仿真實(shí)訓(xùn)情境，設(shè)計(jì)雙層次仿真實(shí)訓(xùn)模式，實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)訓(xùn)操作與實(shí)物操作的有機(jī)結(jié)合。

（2）針對(duì)車身校正實(shí)訓(xùn)同步呈現(xiàn)難題，采用校正數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，F(xiàn)ash動(dòng)畫與虛擬開關(guān)聯(lián)動(dòng)，突破教學(xué)難點(diǎn)。

（3）利用即時(shí)考核評(píng)價(jià)工具，形成后臺(tái)學(xué)習(xí)記錄，為教師提供詳盡的反饋信息，輔助師生分析存在的問題。

（4）該軟件為學(xué)校教師團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)而成，填補(bǔ)同類軟件的空白。

總之，該車身電子測(cè)量實(shí)訓(xùn)仿真軟件功能性強(qiáng)，可在理實(shí)一體化的基礎(chǔ)上，增設(shè)工位機(jī)，化實(shí)為虛，呈現(xiàn)實(shí)物所不能呈現(xiàn)，突破傳統(tǒng)教學(xué)模式的諸多限制，可助教助學(xué)，節(jié)約教學(xué)成本，提高教學(xué)效率。

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