機(jī)電專業(yè)虛擬仿真實驗平臺建設(shè)

周偉彬 汪楓 唐文輝 張琳 任磊

摘?要：針對機(jī)電專業(yè)傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式存在的問題，空軍預(yù)警學(xué)院深入開展虛擬仿真實驗教學(xué)研究，構(gòu)建機(jī)電專業(yè)虛擬仿真實驗平臺，實現(xiàn)了多媒體技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)的深度融合。實踐效果表明，該虛擬仿真實驗平臺能夠充分調(diào)動學(xué)生的積極性，提高教學(xué)實訓(xùn)效率。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;實驗平臺;機(jī)電專業(yè)

中圖分類號：G647?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

近些年我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，制造業(yè)規(guī)模已成為全球第一，逐步建立起種類齊全、相對完整的制造業(yè)體系，但與發(fā)達(dá)國家相比仍有較大差距，尤其是自主創(chuàng)新能力弱、核心技術(shù)與尖端裝備對外依賴程度高。要成為制造業(yè)強國，就需要一大批高技能的機(jī)電一體化復(fù)合型人才，如何培養(yǎng)出滿足社會要求的人才是高校建設(shè)過程中很重要的問題。人才培養(yǎng)的核心是課程體系建設(shè)，其中實驗教學(xué)是重要的一環(huán)[1-2]。

實驗教學(xué)作為學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要載體，需要有相應(yīng)的實驗教學(xué)平臺作為支撐[3]。傳統(tǒng)實驗教學(xué)以實體設(shè)備為對象，采用實物展示或動手操作的形式，具有直觀、真實、簡捷的優(yōu)點，但存在著操作空間受限、運行成本過高、開放共享困難等不足。虛擬仿真實驗教學(xué)能夠減少場地對實驗結(jié)果的影響、降低實驗成本、避免實驗危險，豐富實體教學(xué)的體驗，拓展學(xué)生視野;同時極大地調(diào)動學(xué)生對實驗課程的積極性，引導(dǎo)學(xué)生主動思考、主動探索，有利于學(xué)生掌握和理解相關(guān)知識重點[4-7]。

虛擬仿真實驗畢竟不是真實實驗，其本身存在局限性，模擬實驗軟件的功能也可能不盡如人意，導(dǎo)致學(xué)生對結(jié)果真實性持懷疑態(tài)度[8]。因此，本文的研究采取實際教學(xué)與虛擬教學(xué)相互補充的策略，大力開發(fā)完善虛擬仿真軟件，增強軟件的操作性和趣味性，培養(yǎng)學(xué)生科研興趣，提高學(xué)生的自主探究能力。本文討論了虛擬仿真實驗建設(shè)的思路，分析了平臺建設(shè)的具體措施，為其他平臺的建設(shè)提供借鑒與參考。

1 平臺建設(shè)基本要求

1.1 建設(shè)內(nèi)容

機(jī)電類專業(yè)信息化教學(xué)需要構(gòu)建軟件模型庫，本文采用三維軟件開發(fā)電機(jī)關(guān)鍵部件，具備實現(xiàn)電機(jī)工作原理、典型電機(jī)拆裝與維護(hù)的虛擬演示等功能。其中電機(jī)三維模型庫是平臺建設(shè)的基礎(chǔ)，主要包括電機(jī)的三維立體模型及動畫?？紤]到實際教學(xué)需要，電機(jī)上明顯的細(xì)小部件、管線、螺母均進(jìn)行建模，電機(jī)模型與實際電機(jī)相似度90%以上。針對教學(xué)實際應(yīng)用場景進(jìn)行分析，制作燈光渲染和烘焙材質(zhì)光影，更高層次地體現(xiàn)虛擬場景美觀度和真實性。

結(jié)合機(jī)械實驗教學(xué)的特點，按照實驗教學(xué)虛實互補的原則，構(gòu)建“三平臺、八模塊”的機(jī)電專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)體系，如圖1所示。三平臺為基礎(chǔ)性實驗虛擬仿真平臺、工程型實驗仿真平臺和創(chuàng)新性實驗虛擬仿真平臺，包含了原理類實驗?zāi)K、認(rèn)知類實驗?zāi)K、設(shè)計類實驗?zāi)K、制造類實驗?zāi)K、專業(yè)實習(xí)模塊、工程訓(xùn)練模塊、綜合創(chuàng)新類實驗?zāi)K、競賽創(chuàng)新類實驗?zāi)K等8個模塊的虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容。該體系涵蓋空軍預(yù)警學(xué)院機(jī)電工程學(xué)科的所有實驗教學(xué)，可滿足士官、本科及研究生等不同階段的人才培養(yǎng)需求。

1.2 研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)

系統(tǒng)平臺采用Microsoft Windows 7及以上版本操作系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)具備較強的擴(kuò)展能力且向下兼容，支持未來的發(fā)展和升級，并且能夠有效防止因系統(tǒng)資源消耗過多而導(dǎo)致系統(tǒng)異常崩潰。所有的軟硬件設(shè)計開發(fā)符合國家標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范。充分利用現(xiàn)有硬件設(shè)備，以減少不必要的資源浪費。任何一個模塊維護(hù)更新不應(yīng)影響其他模塊，在升級過程中不影響系統(tǒng)的性能與正常運行，保證系統(tǒng)可以穩(wěn)定、平滑過渡。系統(tǒng)應(yīng)具有良好的操作界面、詳細(xì)的幫助信息。具備安全管理機(jī)制，保證信息存儲安全和處理安全，保證系統(tǒng)能夠正常運行，不被非授權(quán)訪問，不被攻擊破壞。

2 平臺總體設(shè)計

2.1 技術(shù)架構(gòu)

該平臺利用計算機(jī)仿真各種物理工程技術(shù)，構(gòu)造一種以訓(xùn)練和教學(xué)為目的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，在某種程度上再現(xiàn)一個真實行為。本文的設(shè)計思路是通過對電機(jī)關(guān)鍵設(shè)備裝配工藝流程、設(shè)備結(jié)構(gòu)原理等內(nèi)容進(jìn)行深入分析，搭建一套電機(jī)關(guān)鍵部件仿真平臺，可將設(shè)備模型系統(tǒng)載入并實現(xiàn)虛擬交互功能，可精確演示電機(jī)設(shè)備機(jī)構(gòu)及特性，提供交互組成結(jié)構(gòu)教學(xué)、虛擬拆裝、使用維護(hù)、工作原理教學(xué)。系統(tǒng)功能框架如圖2所示。

其中，框架圖中的各層描述如下：

（1）應(yīng)用層：包含業(yè)務(wù)處理的邏輯，包括用戶認(rèn)證、登錄、授權(quán)、組成結(jié)構(gòu)、設(shè)備組裝、設(shè)備拆卸、設(shè)備維護(hù)、工作原理仿真教學(xué)等基本功能;

（2）支撐層：包括整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、軟件技術(shù)及模型支撐，可以保證大數(shù)據(jù)量的吞吐;

（3）數(shù)據(jù)層：用于存儲和管理各種數(shù)據(jù)，包括設(shè)備、工器具精確模型、場景數(shù)據(jù)庫、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)資料數(shù)據(jù)、學(xué)院信息數(shù)據(jù)及考試數(shù)據(jù)等。

2.2 仿真機(jī)理

本系統(tǒng)平臺具有真實物理屬性的仿真能力，在精確模型載入后，系統(tǒng)平臺應(yīng)可以針對模型物理特性進(jìn)行正確呈現(xiàn)，包括：

（1）能夠支撐大數(shù)據(jù)量模型的展現(xiàn)，能夠同時對環(huán)境、產(chǎn)品、現(xiàn)場設(shè)備、操作人員等真實產(chǎn)品及環(huán)境情況進(jìn)行展示。

（2）在物體遇到干涉情況時，能夠根據(jù)操作施力方向，使物體沿著干涉表面形成劃動或被擠壓的運動過程，使零部件能夠真實反映在物體接觸條件下的運動狀態(tài)。

（3）在動態(tài)干涉檢測過程中，能夠根據(jù)操作方向及加速度，給予明確的碰撞提示。

（4）具備裝配位置自動捕獲的功能，當(dāng)通過交互設(shè)備拖拽零部件接近最終裝配位置時，可根據(jù)周圍零部件位置及形狀自動提前判斷是否能夠裝配成功，并且通過不同顏色的預(yù)裝配區(qū)域進(jìn)行提示。

（5）在對運動進(jìn)行描述的同時，該虛擬仿真系統(tǒng)能夠?qū)C(jī)構(gòu)的復(fù)雜運動進(jìn)行仿真，通過定義運動機(jī)構(gòu)的物理約束，模擬機(jī)構(gòu)發(fā)生的形狀及位置變化[9-10]。

2.3 仿真與建模實現(xiàn)

模擬與場景設(shè)計主要應(yīng)用3Dmax、Photoshop和zbrush等軟件。3Dmax主要解決3D模型的設(shè)計制作問題，Photoshop主要解決圖片處理問題，zbrush主要解決人物模型貼圖的處理問題。

幾何數(shù)據(jù)采集內(nèi)容主要包括電機(jī)設(shè)備的高度、長度、基地形狀及尺寸、立面形狀及尺寸、頂面形狀及尺寸、斷面形狀及尺寸、斷面尺寸等實物的幾何外觀框架尺寸以及內(nèi)部部件的尺寸數(shù)據(jù)。幾何數(shù)據(jù)采集的方式包括從圖紙資料中提取、近景拍攝測量、三維激光掃描、全站儀測量。

紋理數(shù)據(jù)采集內(nèi)容主要包括電力設(shè)備設(shè)施的外立面或表面的完整影響信息、局部影響信息、材質(zhì)視覺顏色信息等。紋理數(shù)據(jù)采集的方式包括攝影和計算機(jī)模擬制作，攝影所獲取的圖像、視頻資料是其主要采集方式，也是最真實有效的方式，簡單的模型紋理可通過計算機(jī)模擬制作來獲取。

屬性數(shù)據(jù)采集信息內(nèi)容主要包括電力設(shè)備設(shè)施建模所需的固有內(nèi)容采集，如電力設(shè)備的設(shè)備編號、名稱、電壓等級、型號及材質(zhì)。屬性數(shù)據(jù)采集通過電力設(shè)備出廠資料、圖紙資料、生產(chǎn)管理信息、實地調(diào)查等方式來獲取。

2.4 平臺集成

將仿真教學(xué)設(shè)計到的靜態(tài)模型和動畫過程沉入虛擬仿真支撐平臺，包括：模型開發(fā)、組合裝配、模型優(yōu)化、模型輕量化處理、場景渲染、設(shè)備渲染、設(shè)備邏輯流程組合等。為了實現(xiàn)基于虛擬仿真教學(xué)的場景化應(yīng)用，將3D精確模型進(jìn)行技術(shù)處理和轉(zhuǎn)化，作為虛擬仿真教學(xué)的場景模型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)模型的逼真呈現(xiàn)。

3 平臺的教學(xué)實踐

機(jī)電專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)中心于2018年正式組建，自建立以來，開設(shè)線上線下教學(xué)模式改革課程7門、實驗項目27個、實驗涉及9部教材。各實驗課程教學(xué)秩序良好，平臺運行平穩(wěn)。教師通過虛擬仿真系統(tǒng)指導(dǎo)近百名學(xué)員完成課程設(shè)計，指導(dǎo)二十余名學(xué)員參加院校學(xué)科競賽并獲獎。該綜合實驗平臺使用后的統(tǒng)計（如下表所示）表明，士官及本科學(xué)員應(yīng)用平臺開展基礎(chǔ)性和工程性實驗較多，研究生學(xué)員應(yīng)用平臺開展創(chuàng)新性實驗較多，體現(xiàn)了該平臺對不同層次學(xué)員、不同課程具有很好適應(yīng)性。

經(jīng)過一年多的建設(shè)實踐，我院機(jī)電實驗室虛擬仿真實驗教學(xué)中心已經(jīng)初具規(guī)模，師生反映良好，其在促進(jìn)學(xué)生工程實踐能力培養(yǎng)中的角色得到了廣泛認(rèn)同，學(xué)生工程實踐能力提升效果明顯。在后續(xù)建設(shè)中，虛擬仿真中心會覆蓋更多實驗項目，并實現(xiàn)與兄弟院校的開放共享。

4 結(jié)語

虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作順應(yīng)了高等教育的發(fā)展趨勢，是高等院校實驗教學(xué)信息化的最新舉措，必將對我國高等教育的質(zhì)量提高產(chǎn)生積極而重要的作用[11-12]。目前，我院的模擬系統(tǒng)仍處于起步階段，未來需要根據(jù)教學(xué)過程出現(xiàn)的問題做適當(dāng)完善。主要從以下兩方面進(jìn)行完善：一方面以學(xué)生發(fā)展為中心，立足學(xué)生創(chuàng)新精神、綜合素質(zhì)與實踐能力的協(xié)調(diào)發(fā)展，促進(jìn)其自主學(xué)習(xí)與個性化學(xué)習(xí);另一方面，以解決問題為中心，結(jié)合實際問題中的相關(guān)項目案例，構(gòu)建虛擬實體互補的新型教學(xué)模式。

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基金項目：湖北省自然科學(xué)基金項目（2019CFB263）

作者簡介：周偉彬（1991—?），男，山東煙臺人，碩士，講師，主要從事機(jī)電傳動控制方面的教學(xué)科研工作。