基于IdeaVR的机床拆装虚拟仿真教学探索

李玉胜 董保香 杨振宇

摘要：机械类许多课程需要讲解机床结构，但传统机床拆装非常不方便，拆装时间比较长，且危险性比较大，难以复原，因此借助于虚拟现实，建立三维虚拟拆装实验环境，配合真实的机床拆装，实现虚实结合，对于教学有重要意义，可节约时间，提高教学效果，经过一段时间的测试，获得了授课老师与学生的好评。

关键词：IdeaVR；虚拟仿真；机床

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）27-0152-02

一、前言

《机械设计》、《机械制造工艺学》、《机电装备制造技术》等课程，需要对机床结构有深入理解，课程中涉及机床结构的知识比较多而且深，目前的课程教学一般是课堂讲解并结合实物展示、挂图、多媒体等辅助手段进行[1]，但机床结构复杂，单一的教学手段导致课程内容抽象，课堂氛围单调烦闷，学生被动接受知识，很难对知识技能产生兴趣，影响学生实践能力和创新能力的培养。虚拟现实技术以其良好的沉浸性和交互性，若应用到课程教学中，可以将学生的视觉、听觉甚至感觉全部调动起来，给学生一种身临其境的感觉，让学生在虚拟环境中进行各种操作，增加教学的直观性、趣味性和实践性[2]。

二、IdeaVR介绍

IdeaVR是上海曼恒数字技术股份有限公司开发的全球首款支持异地多人协同的虚拟现实教育平台，它支持异地分布式多人协同工作，能还原真实世界中大型活动的分工协作状态和工作过程，每个参与者戴上头盔或者立体眼镜，带着各自的视角，在同一场景中浏览或操作同一物体，共同协作完成某项复杂的工作。管理者人员不但可以管理参与协同工作的每位参与人员，而且还可以看到所有参与者头盔中的实时场景，从真正意义上满足了在真实世界中需要跨部门跨区域的多人协作需求。IdeaVR软件平台提供了场景编辑器、交互编辑器等，使用零编程和图形化的拖拽操作方式，可以快速搭建虚拟场景，并制定其中的行为和交互逻辑，交互编辑器在很大程度上可以解决VR教学内容制作困难。软件支持多种虚拟方式，例如G-Cave、I-Wall、L-Wall、V-Wall以及HTC Vive和Oculus Rift等头盔显示设备。充分利用软件提供的强大的分布式多人协同功能，可快速构建多人协同工作环境，让所有同学置身于同一个真实的场景中，共同操作同一对象。系统提供语音通讯、白板、PPT播放、答题考试等功能模块，涵盖“教、学、考、练”环节。IdeaVR可以通过共享云平台获取或分享VR素材资源，可用于教育培训、协同训练、产品展示和方案评审等方面，可快速将优质的资源和案例发布到云平台进行分享。

三、虚拟环境组成

虚拟环境主要包括软件与硬件两部分。

软件包括：常用三维机械CAD软件Solidworks、UGNX、3DMax（用于转换文件格式）、虚拟现实平台软件IdeaVR2.0、远程控制工具软件VNC Viewer/Server、工业摄像机软件fly capture、多电脑控制软件input director、位置追踪软件G-Motion 3.0等。

硬件包括：红外光学跟踪摄像头（跟踪刷新频率120帧/秒）；Venom-X无线手柄（最远追踪距离5米，系统延迟小于10ms）、小间距3D现实系统（像素间距2.5mm、模组尺寸325mm×365mm×144mm，整体尺寸4.55m×2.555m，整体分辨率1792×1008）、光学位置追踪系统、3D眼镜、3台工作站（分别用于三维模型建立与虚拟环境渲染、位置跟踪、支持LED大屏幕）等。

四、虚拟拆装功能

针对普通机床的结构建立三维建模后，通过3DMax软件进行文件格式转换后，并导入IdeaVR软件中，然后利用软件提供的功能实现虚拟现实各种所需操作。机床拆装主要内容包括：主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾座和床身等结构的拆装等[3]。拆掉机床外壳后，可以看到机床传动系统等详细的内部三维结构模型，看清各档传动路线及传动件的构造，模型采用不同颜色表示出各种传动路线，非常直观。虚拟现实界面如图1所示。

在VR系统中实现了普通机床的拆装及爆炸视图。利用VR系统漫游，即通过操作输入设备，以一定的路径和视角观察机床的外部形态和内部结构，使学生的视线跟随摄像机，可以在机床内部沿着动力传递的路线，反复观察传动系统的机构组成与连接情况。采用动画演示的方式，实现机床传动系统的运动等操作，把机床关键零部件的有限元分析结果，采用视频的方式加入到虚拟环境中，让学生方便地了解关键零部件的受力情况。

实现了多种漫游方式，包含自由查看（通过六维鼠标自由控制在场景中的移动和视角）、重力查看（在自由查看的基础上，模拟带重力的视角移动，但被限制在一個平面上移动）、孤立对象查看（选择某个物体后，只查看该物体，其他物体全部被隐藏）。实现了机床结构的多视角查看（调整视角位置，按确认键会记录当前视角）。可查看各种标注（查看当前场景中在编辑器创建的标注信息），对复杂结构实现各种剖切（查看当前场景中的剖切视图，使用操作器可以调整剖面的位置和角度）。

在手柄的支持下，可对任意部件操作，包括部件移动（手柄拾取物体后可以自由摆放该物体）、部件隐藏/显示（手柄选择物体后可以控制隐藏或显示的状态择一个需要隐藏的物体，按确定键，物体被隐藏）、部件归位（所有物体回到初始状态的位置）等。

在虚拟的环境中播放录制好的轨迹动画，可随时在虚拟场景中进行自由绘制，记录下注解和标记等。通过GMotion手柄实现了虚拟装配，包括解析装配模型、定义装配顺序、隐藏场景中待装配的模型等操作。

五、教学效果

基于IdeaVR的机床虚拟拆装教学项目实施了一年，共120人，分12批次每批10人进行。有的学生反映感到很震撼，表示对机床的结构有了深入理解。有的学生反映，虚拟现实很新颖，那种感觉意想不到，机床零部件的感觉非常真实，可以把任何一个零件移动到触手可得的地方，仔细观察，任意翻转，非常真实。有的同学表示，如果学校向我们提供此类的应用，一定会喜欢它，它能够把寓教于乐、寓学于趣结合在一起。也有的同学表示以前没体验过虚拟现实应用，戴上眼镜后感到眩晕。总之绝大多数同学喜欢虚拟现实应用，因为互动性很强，在学习中给自己带来很多乐趣。

六、结束语

利用三维虚拟现实优秀的沉浸性和交互性，摆脱了学生过度依赖课本及实物的现实，突破了传统的教学方法，实现了将课堂从“二维”扩展到“三维”，从静态扩展到动态，学生从被动式学习模式转变为互动式学习，有效地帮助学生理解教学内容，最大限度地调动学生的学习积极性，培养其动手能力和创新能力，使教学内容更加逼真形象，教学过程更加生动灵活。

参考文献：

[1]史翠兰.虚拟现实技术在机床夹具课程中的应用于实现[J].电子技术与软件工程，2017，（22）：63-65.

[2]于凤丽.机床拆装方法和技巧的研究[J].农业装备技术，2018，44（2）：63-64.

[3]陈修祥，王泽，孙奎洲.机械设计课程教学改革——机床拆装项目教学[J].江苏技术师范学院学报，2012，18（4）：120-123.