虚拟仿真在铸造实训课程中的应用

◆雷 晓 陈劲松

虚拟仿真在铸造实训课程中的应用

◆雷 晓 陈劲松

（江苏海洋大学工程训练中心 江苏 222005）

本文针对铸造实训课程教学场地小、设备少、教学内容单1 实验环境危险等现状，提出了基于3D虚拟引擎-Unity3D构建一套包含多种铸造工艺的虚拟仿真实训系统，使学生在三维虚拟环境中掌握铸造工艺相关知识及流程，摆脱实训设备和空间的限制，同时避免因误操作引起的人身安全隐患。利用虚拟仿真实训系统实现铸造实训教学的创新，激发学生的学习积极性，提高课堂质量。

铸造工艺；虚拟仿真；教学改革

1 引言

铸造作为制造业的基础，从建筑五金、电器、汽车、机床、风力发电、航空、航天到人们的日常生活等各行各业都离不开铸件[1]。铸造实训课程是高等工科院校实践教学的重要课程，是为本科生提供学习工艺知识、提高动手能力、培养创新意识的实践性基础课程[2]。

如今大部分高校的铸造工艺教学手段依然是通过播放铸造相关的教学视频和演示文稿进行理论讲解，很难激起学生的求知兴趣，与时代发展脱节[3]。虚拟仿真实验教学能够建立起沉浸式的环境来提高学习体验，增强学生的参与性和互动性，已经成为高等学校教育教学改革的重要内容[4]。本文提出开发一套包含多种铸造工艺的虚拟仿实训系统，构建一个逼真的虚拟实验室，使学生在虚拟的实验场景中进行多种铸造工艺的交互操作，掌握铸造相关知识和工艺流程，激发学生学习兴趣，提高课堂教学质量。

2 铸造实训课程教学用虚拟仿真系统的构成

本文将虚拟现实技术与铸造工艺相关知识进行结合，通过三维建模、3Dmax模型渲染等、Unity3D整合开发，将多种铸造工艺过程转变为一套可以在电脑上运行的虚拟仿真实训系统。学生在电脑端进入虚拟的实验室，通过动手操作各铸造工艺过程进行相关知识的学习，突破了教学场地和教学内容的限制，避免了真实实验过程中因错误操作或者意外带来的各种危险。

虚拟仿真实训系统结构主要分为：教师账号登录和学生账号登录两种模式。

2.1 教师账号登录

打开系统后，选择教师登录模式，教师输入工号姓名即可进入系统的铸造工艺教学和数据管理模块，两个模块功能详述如下：

（1）铸造工艺教学包含教学资源和教学演示两部分。

教学资源：系统包含砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、离心铸造、压力铸造、壳型铸造六种铸造工艺的相关知识以及应用背景。以演示文稿或者教学视频的形式呈现。

教学演示：教师佩戴主动式3D眼镜和操作手柄在虚拟的实验室完成铸造工艺流程，学生佩戴主动式3D眼镜观看老师的全部操作过程，加深对各种铸造工艺流程的直观认知。

（2）数据管理包含用户管理以及数据备份

用户管理：教师导入上课的学生班级名称以及学生名单信息，系统会根据名单信息判断学生是否可以成功登入系统。

数据备份：在这里主要是教师对学生的学习成绩和实训成绩进行备份。

2.2 学生账号登录

打开系统后，选择学生账号登录界面输入包含姓名，班级，学号等信息即可进入系统的铸造工艺自主学习模块。铸造工艺自主学习模块主要包含交互学习、学习记录、实训操作、实训记录四个部分。

（1）交互学习和学习记录

学生佩戴HTC Vive头盔套件或者佩戴主动式3D眼镜以及操作手柄进入交互学习模式，在语音和文字信息的辅助下完成铸造工艺的交互学习。系统会自动记录学生操作的每一个步骤的错误次数，用以记录学习成绩等级。学习成绩等级按照优秀、及格和不及格划分。操作完成后学生可以在学习记录里查看学习成绩等级。

（2）实训操作和实训记录

只有交互学习成绩及格后才能进入实训操作。实训操作是指在没有语音及文字辅助下完成整个工艺流程的交互操作。操作完成后学生即可在实训记录里查看实训成绩等级，并进行下载存档。

3 铸造虚拟仿真实训系统的实现

本文在江苏海洋大学工程训练中心现有的砂型铸造实践课程的基础上，利用SolidWorks、3Dmax、Unity3D等软件开发一套包含多种铸造工艺的虚拟仿真实训系统。

3.1 3D建模及模型处理

本文使用Solidworks建模软件对虚拟仿真实训系统中所有物体进行3D建模，并将所有模型零件保存为STL格式文件。建模完成后，对模型做如下处理：

（1）将所有模型零件导入3Dmax软件进行设置材质。

（2）利用3Dmax软件的贴图功能，将经PS软件处理后的实物图片附着于模型的材质上，并进行渲染。

（3）将包含模型、材质、贴图以及渲染信息的模型文件保存为FBX格式，以便在Unity3D软件里进行场景布局。

3.2 交互设计与实现

交互设计是实现教师和学生与虚拟仿真系统互动的关键，本文采用Unity3D开发引擎实现铸造虚拟仿真系统的交互设计。在Unity3D中，交互设计主要是通过编程脚本实现。Unity3D开发引擎支持C#，JavaScript以及Boo等多种编程语言。本文选用C#进行脚本编程。通过对鼠标、键盘以及操作手柄等外部交互设备的程序接口进行编程，实现人在虚拟实验室的一系列交互行为。实现本系统的外部设备：

（1）利用计算机（HPC）和HTC Vive头盔、定位系统以及操作手柄等外部设备实现人机交互。在Unity3D提供HTC Vive开发接口，通过编程实现操作者利用控制手柄在虚拟实验室中的交互操作[5]。操作者佩戴Vive头盔套件进入虚拟的铸造实验室中，通过转动头部调整视角，通过手柄上的控制按钮实现抓取砂箱、放置模具、造型、合箱等一系列砂型铸造工艺步骤。

（2）由3D LED大屏、6个红外光学跟踪摄像头、一台核心跟踪电脑、主动式3D眼镜和操作手柄（附带光学反射点）等部件组成的G-Motion光学位置追踪系统。G-Motion光学位置追踪系统的工作原理是：高精度红外摄像头将从3D眼镜和操作手柄上捕获的实时数据反馈给核心跟踪电脑，电脑内置G-Motion Track软件通过计算数据，确定交互设备在虚拟实验室中的位置以及交互设备与虚拟物体的交互关系，从而实现人在虚拟实验室中的交互操作。

3.3 系统发布

最后，利用Unity3D开发引擎进行资源的整合以及系统的搭建。Unity3D支持如Web Player、PC、安卓以及IOS等多个平台。本文将铸造虚拟仿真实训系统发布为PC版本，依托江苏海洋大学虚拟现实实验中心实施教学。操作者可以选择两种方式进行教学，一种是通过佩戴HTC Vive头盔套件在高性能计算机上完成虚拟仿真系统的交互操作。另一种是通过佩戴3D主动式眼镜和手持式G-Motion操作手柄在3DLED大屏前完成交互操作。

4 小结

在对高校工程训练中铸造工艺实训课程的现状进行分析后，提出了构建铸造虚拟仿真实训系统的方案。采用铸造虚拟仿真实训系统不仅可以系统地将文字、语音、视频等教学资料以及虚拟交互很好结合起来，提高实训的效率。还可以使学生在虚拟实验室学习多种铸造工艺的知识背景、应用及其工艺流程，认识铸造相关的仪器设备，激发学生自主学习的兴趣，开拓学生的视野。利用虚拟仿真实训系统既可以实现铸造实训教学的创新，提高课堂质量，又可以极大的降低实训成本，为学生提供更加安全的实训环境。

[1]邢雪松.铸造技术的发展现状与前景探究[J].山东工业技术，2019（16）：30.

[2]葛升平，罗凤利，都维刚，徐靖，韩志民，李光辉.铸造工程训练的教学研究与探讨[J].民营科技，2016（12）：235.

[3]薛春江，徐文利.创新背景下的高校工程训练铸造工艺教学改革研究及其实践[J]. 中国铸造装备与技术，2018，53（03）：68-73.

[4]高海波. VR（虚拟现实）教育应用综述[J].信息与电脑（理论版），2019（02）：231-232+235.

[5]舒俊.基于Unity3D与HTC Vive的校园展示及交互系统实现[D].南昌航空大学，2019.

本文受江苏省研究生教育教学改革教改课题（JYLX18-071）和淮海工学院教改课题（XJG2017-2-1）资助。