夹具拆装实训中虚拟现实技术的运用研究

　　摘要：为改善传统夹具拆装实训教学中“进不去、看不见、动不了、难再现”的难题，本文采用虚拟现实技术构建夹具拆装虚拟实训系统，使得虚拟装配更加符合实际装配过程，这种实训教学方式更容易激发学生的学习兴趣，提高了夹具拆装实训教学的实训效果，满足了现代社会对高技能人才培养的需要。

　　关键词：虚拟现实技术; 夹具; 拆装;

　　Application of Virtual Reality Technology in Practice Training of Fixture Disassembly and Assembly

　　Jiao Xiang Lu Min Xu Wen

　　Wuxi Institute of Technology

　　Abstract：In order to improve the problem of "inaccessible, invisible, unmovable, and difficult to reproduce" in traditional practice teaching of fixture disassembly and assembly, this paper uses virtual reality technology to construct a fixture assembly and disassembly virtual training system, making virtual assembly more in line with the actual assembly process. This kind of training teaching method is easier to stimulate students' interest in learning, improve the practical training effect of fixture disassembly and assembly training teaching, and meet the needs of modern society for the cultivation of highly skilled personnel.

　　虚拟现实技术是以计算机技术为核心的现代先进技术，集成了电子技术、仿真技术和传感技术以及多媒体技术等多项信息化技术，具有听觉、视觉、触觉等一体化的虚拟环境，可以让用户在虚拟现实世界体验到最真实的感受，并进行人机交互[1,2]。虚拟现实技术较好地解决了《教育信息化“十三五”规划》中指出的职业教育要着力用现代信息技术改造传统教学、重点解决实训教学中“进不去、看不见、动不了、难再现”的难题[3]，已经成为促进教育发展的一种新型教育手段。在夹具拆装实训教学中，利用计算机构建一种虚拟仿真的夹具拆装环境，学生可以像在实训室拆装夹具那样与虚拟设备进行交互，从而让学生身临其境地完成夹具拆装实训[4]。

　　1 虚拟现实技术应用于拆装实训教学的必要性

　　夹具拆装实训是机械制造与自动化专业的一门实践课,是高职院校培养高等技术应用型人才重要教学环节之一，是指导高职学生理论联系实际，培养学生实践与操作技能和职业素养等综合素质的重要途径。因此，高职院校夹具拆装实训教学尤为重要。目前，高职院校夹具拆装实训教学中存在的主要问题包括[5,6,7,8]:

　　1.1 教学方法单一，教学效果不理想

　　传统教学方法多以教师为教学主体，整个教学过程呆板、乏味（夹具元件结构功能、装配规范等只能通过概念或辅之以视频进行描述），学生动手实践的机会少，导致学生对夹具中的各个元件无感性认知、选用元件不熟练、装配顺序无意识、装配操作不规范等问题。加之实践操作多以小组为单位开展，小组同学一起进行夹具拆装，促使有些同学产生依懒性，不动手拆装，无法熟练掌握夹具正确的拆装顺序和操作规范，最终导致教学效果不理想。

　　1.2 实训夹具陈旧，台套数有限

　　夹具拆装实训实践性强，需要有夹具装备完整、配件齐全的专业实训室作为实训教学的支撑平台，以完成拆装实训。但是，大多数高职院校由于实训夹具装配台套数不足，难以确保每位同学参与到夹具拆装的实操；同时由于经费有限，存在夹具装备磨损折旧量大、更新换代远滞后于技术的进步，因此，难以培养适应现代社会需求的高技能人才。

　　1.3 夹具拆装实训考核困难

　　传统夹具拆装实训的装配考核评价只能对最终的夹具装配体进行评分，没有功能性和装配性等情况的分析，使得学生无法正确分析并确定对夹具装备功能起关键作用的关键尺寸和元件的可装配性，导致学生学习主动性较差。学生的考核成绩也主要来自于实训报告，考核方式单一。

　　综上分析，传统夹具拆装实训教学已无法满足现代化实训教学的需求。随着虚拟现实技术的发展并应用于实训教学，可有效解决实训过程中实训夹具台套数不足、夹具设备陈旧以及实训考核困难等问题，并允许学生在虚拟环境下完成夹具拆装实训。同时学生还可以在虚拟拆装实训环境下进行反复拆装练习，熟练掌握夹具拆装关键事项后到实训室进行真实的夹具拆装实训，学生能更好地掌握夹具元件结构特征和装配顺序以及装配操作规范。

　　2 夹具虚拟拆装实训系统的开发与应用

　　夹具虚拟拆装是在虚拟环境中，利用虚拟现实技术将夹具三维模型进行预装配，可验证装配设计和操作的正确与否，以便及早地发现装配中的问题，以检验夹具各元件的可装配性。本文以组合夹具拆装为例，阐述夹具虚拟拆装实训系统的设计与开发过程。

　　2.1 夹具虚拟拆装实训系统开发

　　本文中组合夹具由定位元件（三点定位和移动V型块等）、夹紧元件（螺钉和移动V型块等）、连接元件（垫块、垫片、L型脚架和V型块等）和导向元件（导向块、钻套和钻模板等）等4部分元件组成。将夹具元件根据功能划分可使学生进行拆装实训时，能认识每一类夹具元件的结构特征，进而对夹具体结构有清晰而全面的认知。本系统采用Solid Works软件和3Ds Max共同来完成场景模型和夹具元件模型的构建。首先，利用Solid Works软件建立夹具体中所有元件的三维模型，并将所建立的模型文件存储为STP格式，为动画制作与虚拟装配系统开发提供基础数据。然后，将STP格式的夹具元件导入到3Ds Max进行优化处理，从而完成了夹具虚拟拆装实训室场景模型数据库和夹具元件模型数据库的构建。其次，通过Photoshops软件来处理纹理贴图，如对各夹具元件和数控钻床等复杂的元件或设备模型，采用模型外部指定式贴图坐标的方式，分别对每一个元件模型进行贴图渲染，进而完成了模型的构建。最后，将上述所构建的夹具相关资源融合到Unity3D虚拟现实平台中进行虚拟拆装场景的搭建、模型比例设置以及效果调试等操作，并采用C#语言编写相关代码实现交互功能，最终完成了虚拟拆装实训系统的开发。

　　2.2 夹具虚拟拆装实训系统在实训教学中的应用

　　图1为夹具虚拟拆装实训系统。夹具拆装虚拟系统共设置了6条夹具虚拟拆装线，每条拆装线分别配有货架、钳工台、机械手和数控钻床等4个功能区，货架主要是放置夹具元件，钳工台用于组装夹具，组装完成后，机械手将组装好的夹具搬送至钻床进行加工作业。

　　图1 夹具虚拟拆装实训系统  

　　在装配时，如果夹具元件选择正确，并放置在正确的位置，即完成该元件的装配；如果夹具元件选择错误，系统会提示元件选择错误，如图2所示，此时货架上其他夹具元件也将无法选择并抓取，只有点击确认后才能继续安装；也可以对已经装配好的夹具上的元件进行拆卸试验。同时在进行夹具装配过程中，系统会记录元件是否选择错误、元件装配顺序和装配位置是否正确以及装配用时等信息，完成装配后，系统会生成元件选择错误率、用时等信息报表，以此考核学生实训成绩。

　　图2 装配错误系统信息反馈   

　　因此，通过虚拟现实技术，在一定程度上解决了夹具装配实训教学中存在的问题，使得夹具虚拟装配在逼真的虚拟环境中进行，因而使得虚拟装配更加符合实际装配过程。这种实训教学方式更容易让学生接受、更容易激发学生的学习兴趣，提高了夹具拆装实训教学的实训效果，满足了现代社会对高技能人才培养的需要。

　　3 结束语

　　本文利用虚拟现实技术，以组合夹具为原型，从虚拟现实实训教学的角度出发，在Unity平台上开发了夹具拆装虚拟实训系统，实现了夹具拆装实训的虚拟可视化。学生可以在夹具拆装虚拟实训系统中反复进行夹具拆装训练，掌握夹具各元件的结构特征、装配顺序和操作规范等方面的知识技能。虚拟实训教学应用结果表明，该系统有效地促进了学生对教学重难点等知识点的深层次理解以及实操能力的增加，是夹具拆装实训教学模式的新突破。

　　参考文献

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　　[2]周志国，曾祥军.虚拟现实技术在汽车拆装实训中的应用研究[J].农业装备与车辆工程，2011(10):47-50.

　　[3]谢俊清.虚拟仿真技术在高职工程机械专业实践教学中的应用研究[J].南方农机，2019,50(13):164.

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　　[5]李国强.基于虚拟现实技术的夹具实训[J].教育教学论坛，2014(28):185-186.

　　[6]陈燕.浅谈虚拟现实技术在高职院校实训教学中的应用[J].计算机产品与流通，2020(2):209.

　　[7]李士明，何海龙.虚拟现实技术在发动机拆装教学中的应用[J].汽车与驾驶维修(维修版)，2018(11):127-128.

　　[8]谢宝智.虚拟现实技术在《机械装配与维修》课程中的应用[J].软件导刊(教育技术)，2018,17(3):65-66.