基于VR的針刺機虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)

崔江紅， 吳孔燃， 張海城， 杜虹， 張素香， 裴少婧， 趙成浩， 鐘奇

（1.中原工學院，鄭州450007；2.珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海519070）

0 引言

多年來的傳統(tǒng)教學模式，讓大多數(shù)學生對所學知識的認識僅僅拘泥于課堂與書本，不能掌握自己所學的東西，更別說對其產(chǎn)生興趣。隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)實現(xiàn)理論聯(lián)系實際、提高學生動手能力和創(chuàng)新思維的虛擬仿真教學方式已成為當今教學的主流趨勢。

非織造材料也叫“無紡布”，是紡織行業(yè)的“朝陽產(chǎn)業(yè)”。隨著非織造材料在各行各業(yè)中越來越廣泛的應(yīng)用，人們對高質(zhì)量的非織造材料需求量也越來越大。在非織造布機械中，用針刺法得到非織造材料的方法，占到非織造機械的40%。為凸顯紡織機械特色，以研制的教學科研打小樣用針刺機實物模型為基礎(chǔ)，在實驗室引進的虛擬仿真實驗室平臺上，研發(fā)、設(shè)計一個打通機自、機電、車輛等機械類專業(yè)學生從機械基礎(chǔ)課到機械專業(yè)課乃至機械設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等理論與實踐的教學環(huán)節(jié)，以及能為教師提供科研平臺的基于虛擬仿真設(shè)計的針刺機教學系統(tǒng)，有效提升學生實踐動手能力，讓科研實驗課堂教學變得更加高效，同時也可以為教師科研制作少量新纖維非織造材料提供保障。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 紡織機械類課程教學現(xiàn)狀

紡織工業(yè)是我國國民經(jīng)濟的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)也是重要的民生產(chǎn)業(yè)，在國際競爭中優(yōu)勢明顯。隨著非織材料的快速發(fā)展，我國非織造材料機械制造企業(yè)的技術(shù)水平也有了較大的提升，縮短了與國外先進水平的差距。目前，我國已能生產(chǎn)大部分非織造材料生產(chǎn)用的單機和生產(chǎn)線。

從當前針刺機的發(fā)展現(xiàn)狀分析，在生產(chǎn)中大都以大型工業(yè)針刺機為主，不僅機器幅寬大、速度高，而且一般是多臺單元機組成的流水生產(chǎn)線，占地面積大，避免飛針傷人等設(shè)備不僅不便于學生實驗，更不便于手動拆卸，因此在當今紡織機械教學過程中，學生最多在指導老師講解下進行或有的僅僅是走馬觀花地到企業(yè)現(xiàn)場參觀一下，對紡織機械的學習主要還是通過課堂教師講授及書本了解，對紡織機械內(nèi)部結(jié)構(gòu)認識膚淺，學生實驗動手能力及學習積極性難以提高。

1.2 虛擬仿真技術(shù)現(xiàn)狀

虛擬仿真技術(shù)（VR技術(shù)）又稱為虛擬現(xiàn)實技術(shù)或模擬技術(shù)，這項技術(shù)是從20世紀80年代開始發(fā)展的綜合集成技術(shù)，它包含計算機圖像學、人機交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等先進技術(shù)，近些年來VR技術(shù)在我國得到了快速的發(fā)展，在2016年VR技術(shù)被正式列為我國《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點產(chǎn)品和服務(wù)指導目錄（2016版）》。經(jīng)過近些年的發(fā)展，在控制成本的前提下，VR硬件技術(shù)日趨成熟，VR技術(shù)人才也不斷涌現(xiàn)，VR市場正呈現(xiàn)著一片欣欣向榮的景象。目前，VR技術(shù)因其特有的沉浸性、交互性、虛幻性、逼真性等特性，被廣泛應(yīng)用于游戲、影視、房地產(chǎn)等領(lǐng)域，同時，VR技術(shù)在如建筑、機械等工科性較強的學科中也有著質(zhì)的突破。

隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及高科技技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已逐步開始運用到生活和行業(yè)的各個方面，目前市場對該項技術(shù)需求廣泛。虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)使建立基于VR的虛實結(jié)合的實驗教學平臺，實現(xiàn)學生沉浸式、交互式實驗教學模式的創(chuàng)新，實現(xiàn)高等教育實驗教學模式的智能化、網(wǎng)絡(luò)化成為可能。

2 設(shè)計方案

為將針刺機搬進課堂教學與科研實驗中，利用虛擬仿真技術(shù)（VR技術(shù)）打造出針刺機虛擬仿真實驗平臺。通過對國內(nèi)知名網(wǎng)站虛擬仿真實驗的調(diào)研和學習，發(fā)現(xiàn)將三維模型有機導入該平臺并通過VC++編程可以建立與VR技術(shù)的無縫鏈接，通過設(shè)定和改變針刺工藝參數(shù)，不僅可以完成科研工作，還能輔助教師、學生直觀教學演示和了解針刺機機構(gòu)及裝配。實驗過程可采用線上IP網(wǎng)址http://fzzc.zut.edu.cn:900/ZYGXY/index.html（谷歌瀏覽器）進行開放式線上網(wǎng)絡(luò)化的教學模式，同時，利用VR實驗室線下現(xiàn)場教學兩種模式達到資源共享、節(jié)能環(huán)保的目的。其具體設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 針刺機虛擬仿真實驗平臺設(shè)計流程圖

3 針刺機模型構(gòu)建

針刺機主要由3 個部分組成，分別是針刺主機構(gòu)、纖維喂入輸出機構(gòu)和針板調(diào)節(jié)機構(gòu)等。電動機通過帶輪與主軸相連從而把動力傳遞給主軸并使主軸轉(zhuǎn)動。主軸上有偏心輪，偏心輪與連桿相連，把主軸的旋轉(zhuǎn)運動變成了連桿的往復直線運動。同時連桿又通過針梁與針板相連，針板上帶有一定植針密度的刺針，從而實現(xiàn)針板刺針的往復直線運動。纖維網(wǎng)放在針刺主機構(gòu)的撥網(wǎng)板和托網(wǎng)板之間，通過喂入輸出機構(gòu)，送入針刺機的針刺區(qū)，通過針刺主機構(gòu)帶動針板往復運動，使刺針在雜亂無章的纖維中反復穿插對纖網(wǎng)進行固結(jié)而形成了具有一定針密及強力的非織造材料或非織造布。

3.1 纖維喂入、輸出機構(gòu)設(shè)計

無紡布是一種不需要紡紗織布而形成的織物，只需將紡織短纖維（或長絲）進行定向或隨機撐列，形成纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)，然后采用機械、熱粘或化學等方法加固而成。設(shè)計通過鏈傳動帶動的喂入、輸出輥子，將梳理好的纖維網(wǎng)喂入針刺結(jié)構(gòu)，有效起到收攏纖維的作用，通過輸出機構(gòu)將針刺后的纖維網(wǎng)輸出，通過變頻器可以實現(xiàn)喂入、輸出纖維速度的調(diào)節(jié)。由于不同非織造材料產(chǎn)品的植針密度及強力等要求不同，通過合理配置針刺頻率和喂入、輸出速度等工藝參數(shù)，就可以得到不同的非織造材料。

3.2 針刺機主機構(gòu)設(shè)計

該針刺機主軸采用直軸式結(jié)構(gòu)，通過主軸轉(zhuǎn)動，帶動針板針梁完成上下穿刺運動。在靠近主軸的位置安裝有平衡輪，用來平衡主軸在運轉(zhuǎn)中所產(chǎn)生的額外的不平衡力。并在平衡輪的一側(cè)設(shè)計兩個螺釘孔，起到在誤差允許的范圍內(nèi)通過增加或減少配重對主軸的動平衡進行微調(diào)的作用。在平衡輪的左右兩端設(shè)計一對偏心輪，通過偏心輪的偏心量決定針刺機動程。在偏心輪上安裝滾針軸承，使?jié)L針軸承外圈與連桿相連。而導桿的一端與連桿連接，另一端與針梁相連，刺針的刺柄安裝在針梁和針板之間，用于固定刺針，在導桿的中間部分裝有中間板，用來保持針梁針板部分穩(wěn)定的上下運動，如圖2所示。利用SolidWorks軟件完成針刺機模型的建模，建模結(jié)果如圖3所示。

圖2 針刺主機構(gòu)設(shè)計

圖3 針刺機三維模型圖

根據(jù)以上結(jié)構(gòu)，借助工業(yè)針刺機的設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計出一臺實用型小型教學針刺機。該針刺機構(gòu)主要部件由主軸、偏心輪、針梁、針板、刺針、剝網(wǎng)板和托網(wǎng)板組成，主軸上裝有偏心輪和平衡機構(gòu)，主軸轉(zhuǎn)動帶動偏心輪轉(zhuǎn)動，針梁針板做上下往復運動，針板上的刺針反復穿刺纖維網(wǎng)，纖維網(wǎng)得到加固。根據(jù)要求，設(shè)計出針刺寬度為300 mm、喂入量為0.6 ～15.0 m/min、針刺頻率為0 ～500 r/min、針密 為 300枚/cm2的針刺機實物模型,如圖4所示。

該小型針刺機適用于高校或科研院所量少的新纖維非織造材料試樣試制，以及非織造工藝與設(shè)備課程的實驗教學。形成的機械工程圖樣已打印并裝訂成冊，已經(jīng)作為互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ)課程、機械設(shè)計、機械制造技術(shù)相關(guān)課程的輔助實驗教具，直觀、真實、可視。該機已經(jīng)作為科研實驗平臺投入使用，已經(jīng)培養(yǎng)針刺機技術(shù)相關(guān)研究生2名、導師制本科生16名，并服務(wù)于教師、研究生針刺機及針刺非織造材料相關(guān)項目研究，下一步將逐步開展小幅面、脆性非織造材料的針刺工藝研究，以科研促進教學，教學相長。

圖4 針刺機實物圖

4 針刺機虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)設(shè)計

4.1 系統(tǒng)開發(fā)過程

將用SolidWorks建好的針刺機模型導入ideaVR軟件中，通過ideaVR軟件完成針刺機材質(zhì)的賦予及虛擬空間的建模。利用ideaVR的材質(zhì)編譯器對針刺機模型賦予材料性質(zhì)，通過對材質(zhì)的修改，能實現(xiàn)模型質(zhì)地、透明度、反射、色澤、紋理等物理性質(zhì)的表現(xiàn)，使模型更加逼真。同時利用ideaVR虛擬空間的建模功能，通過對針刺機模型的測量，確立模型及工作臺位置，模擬現(xiàn)實的燈光，色彩及場景布置，對模型進行較為真實的渲染，結(jié)果如圖5所示。

圖5 針刺機虛擬仿真實驗教學平臺效果圖

利用ideaVR軟件中的動畫編譯器，對針刺機模型的安裝與拆卸過程進行編譯，完成模型的拆裝動畫并為交互操作提供資源。同時利用動畫編譯器，制作針刺機運行時的動畫，使學生對其工作過程有一個更直觀的了解。

在模型建立、場景渲染及動畫制作等資源完成后，便可在ideaVR中進行組件添加、第一視角漫游設(shè)置、數(shù)據(jù)庫引用、腳本編寫、UI設(shè)計等交互方式，通過設(shè)置控制板，連接模型與控制手柄，使模型成為項目的對象，通過手柄可以控制實驗中的一系列操作。

4.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于對國內(nèi)外針刺機的調(diào)研與總結(jié)，針對現(xiàn)有針刺機體積龐大、成本高昂、無法與教學相結(jié)合的現(xiàn)狀，運用虛擬仿真的技術(shù)打造一個成本低、可無限裝拆的針刺機虛擬仿真實驗室；采取人機交互方式輔助教師演示針刺機三維裝配，幫助學生直觀、感性了解機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方法；通過針刺頻率、出布速度、步進量等針刺工藝參數(shù)的設(shè)置和改變，開展針刺機工藝實驗研究及對針刺機的動態(tài)特性進 行 研究，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

4.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

根據(jù)預(yù)期實驗課程內(nèi)容，結(jié)合虛擬現(xiàn)實教學特點，確定針刺機虛擬仿真系統(tǒng)功能，如圖7所示。將系統(tǒng)功能分為4個模塊，具體內(nèi)容如下：

圖6 針刺機虛擬仿真實驗平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖7 針刺機虛擬仿真實驗平臺系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

1）用戶登錄模塊。通過錄入用戶姓名、學號信息完成登陸，主要用于教師后期統(tǒng)計學生成績，便于管理。

2）實驗功能模塊。本模塊涵蓋了實驗介紹、實驗原理展示、模型拆卸、工藝參數(shù)調(diào)整等實驗內(nèi)容。

3）數(shù)據(jù)記錄模塊。主要實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)測試及采集，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制曲線特性圖，分析曲線特點。

4）考核功能模塊。針對實驗知識點在系統(tǒng)中進行試題測驗，試題由選擇和判斷組成，用戶完成測驗后根據(jù)登錄信息生成記錄成績的本地文本文件。

4.4 系統(tǒng)設(shè)計特性

該設(shè)計具有較強的人機交互性。虛擬實驗平臺具有操作簡單、效果真實、圖像清晰、不受時間空間的限制、結(jié)果直觀、節(jié)約時間等特點，操作者可身臨其境地進行實驗操作，打破課堂以往狹窄地域性的限制，在虛擬環(huán)境中能不限時間、次數(shù)地進行實驗，得到更加真實可靠的結(jié)果。同時，通過設(shè)置的考核功能模塊，操作者可以反饋自己的學習情況，檢驗自己的學習成果。

該設(shè)計具有較強的沉浸感。通過虛擬仿真實驗室，學生不再是一個觀察者，而是一個虛擬世界中的“主人公”。在拆裝實驗中，學生利用手柄對針刺機進行拆卸和裝配，能夠清晰地觀察到針刺機各個部分的結(jié)構(gòu)，從而更好地理解針刺機的運行原理；在動態(tài)分析實驗中，學生可以親手改變參數(shù)，觀測不同的結(jié)果，分析針刺機工藝。身臨其境的操作方式能提升學生們的理解力與創(chuàng)造力，也會讓學生對紡織機械不再枯燥乏味，提高學生的學習興趣。

5 結(jié)語

為改變當今高校學生動手能力差的現(xiàn)象及培養(yǎng)創(chuàng)新型復合型人才，在研制成功一臺窄幅、小型教學科研實驗用針刺機實物樣機基礎(chǔ)上，利用虛擬仿真技術(shù)，在虛擬仿真實驗室平臺上研制出可沉浸、交互式的可拆卸針刺機機構(gòu)，完成針刺機工藝實驗并有實驗報告及實驗考核方式的針刺機虛擬仿真實驗教學平臺，通過線上、線下兩種模式，可以實現(xiàn)輕松教學，夯實學生基礎(chǔ)知識，打造紡織機械教學智能一體化。同時，掌握了物聯(lián)網(wǎng)交互式實驗技術(shù)及創(chuàng)新設(shè)計思維和理念，還可以移植到其他產(chǎn)品中，有效提高學生的設(shè)計和工程實踐能力。