魯言輝

摘要：本文探究虛擬現(xiàn)實(shí)在組合夾具的現(xiàn)實(shí)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，主要闡述了有關(guān)組合夾具在教學(xué)過(guò)程中所遇到的問(wèn)題，虛擬現(xiàn)實(shí)的基本發(fā)展?fàn)顩r以及虛擬現(xiàn)實(shí)與組合家具教學(xué)的結(jié)合應(yīng)用可行性，為組合夾具的教學(xué)提供了一種新穎、高效的新方法。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);組合家具;教學(xué)

引言

組合夾具是利用預(yù)先制造好的標(biāo)準(zhǔn)化的各種夾具元件，依據(jù)被加工零件的工藝要求及尺寸規(guī)格進(jìn)行組裝的夾具。組合夾具具有靈活多變、易于掌握、便于使用、經(jīng)濟(jì)效果顯著等特點(diǎn)，適用于機(jī)械工業(yè)品種多、變化快、批量小、周期短的產(chǎn)品生產(chǎn) ?，F(xiàn)階段，組合夾具的使用成為了機(jī)械生產(chǎn)的潮流，因此對(duì)與組合夾具的組合裝配使用的學(xué)習(xí)就顯得意義重大。

傳統(tǒng)的組合夾具組合裝配教學(xué)過(guò)程中存在著諸多的不利因素，比如：從事于組合夾具組裝教學(xué)的老師較少，高校的學(xué)習(xí)過(guò)程中較少接觸到組合夾具的使用;一套組合夾具庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)模型價(jià)格昂貴，對(duì)于教學(xué)的成本較高;受到場(chǎng)地及時(shí)間的因素影響，往往使得教學(xué)效率偏低等。因此，對(duì)于虛擬組合夾具的裝配系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)迫在眉睫。本文開(kāi)發(fā)研究組合夾具實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，主要包括組合夾具標(biāo)準(zhǔn)件的認(rèn)知、組合夾具的自由組裝檢測(cè)及考核模塊、虛擬環(huán)境仿真操作模塊。對(duì)組合夾具的基礎(chǔ)認(rèn)知、組裝設(shè)計(jì)、機(jī)床使用進(jìn)行了虛擬化的教學(xué)，增加學(xué)習(xí)者的興趣及學(xué)習(xí)效率，為組合夾具的裝配教學(xué)提供了一條可行性的道路。

1組合家具的研究現(xiàn)狀

我國(guó)國(guó)內(nèi)的組合夾具始于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)建立了面向機(jī)械行業(yè)的天津組合夾具廠，和面向航空工業(yè)的保定向陽(yáng)機(jī)械廠，以后又建立了數(shù)個(gè)生產(chǎn)組合夾具元件的工廠。當(dāng)時(shí)產(chǎn)品均為引進(jìn)前蘇聯(lián)烏斯貝（YC B）槽系組合夾具系統(tǒng)。推廣應(yīng)用遍及機(jī)械、航空、電子輕工、造船、紡織等各類制造業(yè)，取得豐碩的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。在使用過(guò)程中改進(jìn)并修改了原系統(tǒng)，建立了適合我國(guó)國(guó)情、有我國(guó)特色的槽系組合夾具系統(tǒng)。在當(dāng)時(shí)曾達(dá)到全國(guó)年產(chǎn)組合夾具元件 800萬(wàn)件的水平。至今天津、保定二廠仍是我國(guó)組合夾具的主要生產(chǎn)基地。20世紀(jì)80年代以后，兩廠又各自獨(dú)立開(kāi)發(fā)了適合NC機(jī)床、加工中心的孔系組合夾具系統(tǒng)，不僅滿足了我國(guó)國(guó)內(nèi)的需求，還出口到美國(guó)等國(guó)家。當(dāng)前我國(guó)每年尚需進(jìn)口不少NC機(jī)床、加工中心，而由國(guó)外配套孔系夾具，價(jià)格非常昂貴，現(xiàn)大都由國(guó)內(nèi)配套，節(jié)約了大量外匯。

從國(guó)際上看俄國(guó)、德國(guó)和美國(guó)是組合夾具的主要生產(chǎn)國(guó)。前蘇聯(lián)的YCB槽系組合夾具系統(tǒng)非常著名，以后又開(kāi)發(fā)了孔系組合夾具系統(tǒng)、沖合沖模和焊接組合夾具系統(tǒng)，但主要在國(guó)內(nèi)應(yīng)用，出口交流較少。德國(guó)一直都重視工藝裝備（包括夾具）的設(shè)計(jì)、制造及其標(biāo)準(zhǔn)化，組合夾具和各種機(jī)床的Rockford的BI ii co公司原為德國(guó)Bl a co公司的銷售代理商，現(xiàn)已獨(dú)立生產(chǎn)、銷售、租賃，16mm，? 12mm，10mm三個(gè)系列的公制孔系組合夾具。CarrLane是一家工具公司，生產(chǎn)夾具通用零部件，歷史悠久，20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始生產(chǎn)銷售英制孔系組合夾具。西部亞利桑那州的Stevens工具公司早在20多年前開(kāi)始制造組合夾具的基礎(chǔ)件，然后用鋁板為用戶制造過(guò)渡板，以適應(yīng)客戶各種工件的要求。該公司目前生產(chǎn)有本公司特色的整套英制孔系組合夾具。

2虛擬現(xiàn)實(shí)的研究現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種綜合集成技術(shù)，融合了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人工智能技術(shù)、多媒體技術(shù)、信息技術(shù)等多種技術(shù)，具有沉浸性（immersion）、交互性（interaction）和構(gòu)想性（imagination）的技術(shù)特點(diǎn)。它是以計(jì)算機(jī)為核心，根據(jù)用戶需求在計(jì)算機(jī)上安裝相應(yīng)的軟件并連接各種硬件設(shè)備，軟硬件和計(jì)算機(jī)相互作用，從觸覺(jué)，視覺(jué)，聽(tīng)覺(jué)上為用戶營(yíng)造了一個(gè)多感官的虛擬三維世界。

近幾年，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，國(guó)內(nèi)外研究者都開(kāi)始致力于將其應(yīng)用于各種領(lǐng)域以滿足不同的需求，其中在教學(xué)培訓(xùn)領(lǐng)域里虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種嶄新的教學(xué)媒體為當(dāng)前的教育注入了新的生機(jī)與活力。

美國(guó)VR研究技術(shù)的水平基本上就代表國(guó)際VR發(fā)展的水平，目前美國(guó)高校的一些課程加入了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。耶魯大學(xué)利用移動(dòng)智能設(shè)備的特性開(kāi)發(fā)的生物學(xué)app，可使操作者不受時(shí)間、地域的限制，完成分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)等課程實(shí)驗(yàn)，并且教師通過(guò)移動(dòng)應(yīng)用程序可與學(xué)生分享從中心實(shí)驗(yàn)室數(shù)字顯微鏡中獲取的數(shù)據(jù)和圖像等資源;科羅拉多大學(xué)開(kāi)設(shè)的 PhET 交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生在高度仿真的虛擬環(huán)境中，研究、分析和探索物理世界中的各種感興趣的問(wèn)題，從而驗(yàn)證他們所提出的實(shí)驗(yàn)方案和技術(shù)構(gòu)想;加州大學(xué)戴維斯分校和洛杉磯分校的研究人員發(fā)明了一種可以應(yīng)用在教育領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過(guò)3D立體的方式展示地形圖沙盤(pán)，而這種基于“增大化現(xiàn)實(shí)”技術(shù)的沙盤(pán)可以讓參觀者用雙手來(lái)移動(dòng)山丘，從而更好地理解各種地形地貌，而不用親自到戶外去;加州健康科學(xué)西部大學(xué)在 2015年就首開(kāi)了虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)中心的先河，該中心擁有 4 項(xiàng)不同的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：z Space 顯示屏、Anatomage 虛擬解剖臺(tái)、Oculus Rift和iPad上的斯坦福大學(xué)解剖模型，學(xué)生可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)學(xué)習(xí)牙科、骨科、物理治療和護(hù)理等學(xué)科。

盡管我國(guó)的VR研究技術(shù)起步相較美國(guó)發(fā)展相對(duì)晚，但是隨著VR在教育上的應(yīng)用越來(lái)越受重視，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的高等院校陸續(xù)的建立了虛擬仿真中心，不斷有應(yīng)用軟件推出。華中科技大學(xué)在“液壓與氣壓傳動(dòng)”教學(xué)大綱的基礎(chǔ)上研發(fā)了“液壓回路性能和液壓元件裝拆教學(xué)系統(tǒng)”，學(xué)生可以進(jìn)行各種液壓元件的結(jié)構(gòu)認(rèn)知，明確零件之間相互裝配關(guān)系;山東建筑大學(xué)通過(guò)和濟(jì)南科明公司合作開(kāi)發(fā)的“鋼筋混凝土實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)”可以讓學(xué)習(xí)者通過(guò)在實(shí)驗(yàn)界面輸入不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)，觀察到鋼筋梁的現(xiàn)象變化和實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線圖變化;清華大學(xué)利用Vegas開(kāi)發(fā)的虛擬駕駛仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，具有逼真的的交通環(huán)境，并設(shè)置了多種選擇模式，可滿足操作者在不同條件下的虛擬駕車演示。

3結(jié)論

本課題研究機(jī)床夾具虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，最大的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)真正意義上的“實(shí)物”與“虛物”的結(jié)合，將枯燥無(wú)味的組裝夾具專業(yè)知識(shí)高度仿真真實(shí)的設(shè)計(jì)、組裝、使用過(guò)程，讓教學(xué)在交互的虛擬環(huán)境中進(jìn)行，提高了學(xué)生對(duì)機(jī)械工程學(xué)科的認(rèn)知度、理解度，激發(fā)對(duì)機(jī)械工程學(xué)科的興趣。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一項(xiàng)新技術(shù)，以其3I特性給人們展示著將現(xiàn)實(shí)中不可能變成可能，尤其在虛擬仿真教學(xué)方面，它更是展現(xiàn)出強(qiáng)大的魅力，本課題成果將在機(jī)械工程類的高等教育、職業(yè)教育、企業(yè)培訓(xùn)中得到廣泛應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)真正意義的虛實(shí)結(jié)合，基于此，用戶對(duì)于專業(yè)知識(shí)、操作規(guī)章等方面的掌握程度、學(xué)習(xí)興趣得到有效的提高，打破傳統(tǒng)教學(xué)的抽象性、乏味的模式，在教育、培訓(xùn)行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。

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