◆雷 曉 陳勁松

虛擬仿真在鑄造實訓課程中的應用

◆雷 曉 陳勁松

（江蘇海洋大學工程訓練中心 江蘇 222005）

本文針對鑄造實訓課程教學場地小、設備少、教學內(nèi)容單1 實驗環(huán)境危險等現(xiàn)狀，提出了基于3D虛擬引擎-Unity3D構(gòu)建一套包含多種鑄造工藝的虛擬仿真實訓系統(tǒng)，使學生在三維虛擬環(huán)境中掌握鑄造工藝相關(guān)知識及流程，擺脫實訓設備和空間的限制，同時避免因誤操作引起的人身安全隱患。利用虛擬仿真實訓系統(tǒng)實現(xiàn)鑄造實訓教學的創(chuàng)新，激發(fā)學生的學習積極性，提高課堂質(zhì)量。

鑄造工藝；虛擬仿真；教學改革

1 引言

鑄造作為制造業(yè)的基礎，從建筑五金、電器、汽車、機床、風力發(fā)電、航空、航天到人們的日常生活等各行各業(yè)都離不開鑄件[1]。鑄造實訓課程是高等工科院校實踐教學的重要課程，是為本科生提供學習工藝知識、提高動手能力、培養(yǎng)創(chuàng)新意識的實踐性基礎課程[2]。

如今大部分高校的鑄造工藝教學手段依然是通過播放鑄造相關(guān)的教學視頻和演示文稿進行理論講解，很難激起學生的求知興趣，與時代發(fā)展脫節(jié)[3]。虛擬仿真實驗教學能夠建立起沉浸式的環(huán)境來提高學習體驗，增強學生的參與性和互動性，已經(jīng)成為高等學校教育教學改革的重要內(nèi)容[4]。本文提出開發(fā)一套包含多種鑄造工藝的虛擬仿實訓系統(tǒng)，構(gòu)建一個逼真的虛擬實驗室，使學生在虛擬的實驗場景中進行多種鑄造工藝的交互操作，掌握鑄造相關(guān)知識和工藝流程，激發(fā)學生學習興趣，提高課堂教學質(zhì)量。

2 鑄造實訓課程教學用虛擬仿真系統(tǒng)的構(gòu)成

本文將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與鑄造工藝相關(guān)知識進行結(jié)合，通過三維建模、3Dmax模型渲染等、Unity3D整合開發(fā)，將多種鑄造工藝過程轉(zhuǎn)變?yōu)橐惶卓梢栽陔娔X上運行的虛擬仿真實訓系統(tǒng)。學生在電腦端進入虛擬的實驗室，通過動手操作各鑄造工藝過程進行相關(guān)知識的學習，突破了教學場地和教學內(nèi)容的限制，避免了真實實驗過程中因錯誤操作或者意外帶來的各種危險。

虛擬仿真實訓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為：教師賬號登錄和學生賬號登錄兩種模式。

2.1 教師賬號登錄

打開系統(tǒng)后，選擇教師登錄模式，教師輸入工號姓名即可進入系統(tǒng)的鑄造工藝教學和數(shù)據(jù)管理模塊，兩個模塊功能詳述如下：

（1）鑄造工藝教學包含教學資源和教學演示兩部分。

教學資源：系統(tǒng)包含砂型鑄造、金屬型鑄造、熔模鑄造、離心鑄造、壓力鑄造、殼型鑄造六種鑄造工藝的相關(guān)知識以及應用背景。以演示文稿或者教學視頻的形式呈現(xiàn)。

教學演示：教師佩戴主動式3D眼鏡和操作手柄在虛擬的實驗室完成鑄造工藝流程，學生佩戴主動式3D眼鏡觀看老師的全部操作過程，加深對各種鑄造工藝流程的直觀認知。

（2）數(shù)據(jù)管理包含用戶管理以及數(shù)據(jù)備份

用戶管理：教師導入上課的學生班級名稱以及學生名單信息，系統(tǒng)會根據(jù)名單信息判斷學生是否可以成功登入系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)備份：在這里主要是教師對學生的學習成績和實訓成績進行備份。

2.2 學生賬號登錄

打開系統(tǒng)后，選擇學生賬號登錄界面輸入包含姓名，班級，學號等信息即可進入系統(tǒng)的鑄造工藝自主學習模塊。鑄造工藝自主學習模塊主要包含交互學習、學習記錄、實訓操作、實訓記錄四個部分。

（1）交互學習和學習記錄

學生佩戴HTC Vive頭盔套件或者佩戴主動式3D眼鏡以及操作手柄進入交互學習模式，在語音和文字信息的輔助下完成鑄造工藝的交互學習。系統(tǒng)會自動記錄學生操作的每一個步驟的錯誤次數(shù)，用以記錄學習成績等級。學習成績等級按照優(yōu)秀、及格和不及格劃分。操作完成后學生可以在學習記錄里查看學習成績等級。

（2）實訓操作和實訓記錄

只有交互學習成績及格后才能進入實訓操作。實訓操作是指在沒有語音及文字輔助下完成整個工藝流程的交互操作。操作完成后學生即可在實訓記錄里查看實訓成績等級，并進行下載存檔。

3 鑄造虛擬仿真實訓系統(tǒng)的實現(xiàn)

本文在江蘇海洋大學工程訓練中心現(xiàn)有的砂型鑄造實踐課程的基礎上，利用SolidWorks、3Dmax、Unity3D等軟件開發(fā)一套包含多種鑄造工藝的虛擬仿真實訓系統(tǒng)。

3.1 3D建模及模型處理

本文使用Solidworks建模軟件對虛擬仿真實訓系統(tǒng)中所有物體進行3D建模，并將所有模型零件保存為STL格式文件。建模完成后，對模型做如下處理：

（1）將所有模型零件導入3Dmax軟件進行設置材質(zhì)。

（2）利用3Dmax軟件的貼圖功能，將經(jīng)PS軟件處理后的實物圖片附著于模型的材質(zhì)上，并進行渲染。

（3）將包含模型、材質(zhì)、貼圖以及渲染信息的模型文件保存為FBX格式，以便在Unity3D軟件里進行場景布局。

3.2 交互設計與實現(xiàn)

交互設計是實現(xiàn)教師和學生與虛擬仿真系統(tǒng)互動的關(guān)鍵，本文采用Unity3D開發(fā)引擎實現(xiàn)鑄造虛擬仿真系統(tǒng)的交互設計。在Unity3D中，交互設計主要是通過編程腳本實現(xiàn)。Unity3D開發(fā)引擎支持C#，JavaScript以及Boo等多種編程語言。本文選用C#進行腳本編程。通過對鼠標、鍵盤以及操作手柄等外部交互設備的程序接口進行編程，實現(xiàn)人在虛擬實驗室的一系列交互行為。實現(xiàn)本系統(tǒng)的外部設備：

（1）利用計算機（HPC）和HTC Vive頭盔、定位系統(tǒng)以及操作手柄等外部設備實現(xiàn)人機交互。在Unity3D提供HTC Vive開發(fā)接口，通過編程實現(xiàn)操作者利用控制手柄在虛擬實驗室中的交互操作[5]。操作者佩戴Vive頭盔套件進入虛擬的鑄造實驗室中，通過轉(zhuǎn)動頭部調(diào)整視角，通過手柄上的控制按鈕實現(xiàn)抓取砂箱、放置模具、造型、合箱等一系列砂型鑄造工藝步驟。

（2）由3D LED大屏、6個紅外光學跟蹤攝像頭、一臺核心跟蹤電腦、主動式3D眼鏡和操作手柄（附帶光學反射點）等部件組成的G-Motion光學位置追蹤系統(tǒng)。G-Motion光學位置追蹤系統(tǒng)的工作原理是：高精度紅外攝像頭將從3D眼鏡和操作手柄上捕獲的實時數(shù)據(jù)反饋給核心跟蹤電腦，電腦內(nèi)置G-Motion Track軟件通過計算數(shù)據(jù)，確定交互設備在虛擬實驗室中的位置以及交互設備與虛擬物體的交互關(guān)系，從而實現(xiàn)人在虛擬實驗室中的交互操作。

3.3 系統(tǒng)發(fā)布

最后，利用Unity3D開發(fā)引擎進行資源的整合以及系統(tǒng)的搭建。Unity3D支持如Web Player、PC、安卓以及IOS等多個平臺。本文將鑄造虛擬仿真實訓系統(tǒng)發(fā)布為PC版本，依托江蘇海洋大學虛擬現(xiàn)實實驗中心實施教學。操作者可以選擇兩種方式進行教學，一種是通過佩戴HTC Vive頭盔套件在高性能計算機上完成虛擬仿真系統(tǒng)的交互操作。另一種是通過佩戴3D主動式眼鏡和手持式G-Motion操作手柄在3DLED大屏前完成交互操作。

4 小結(jié)

在對高校工程訓練中鑄造工藝實訓課程的現(xiàn)狀進行分析后，提出了構(gòu)建鑄造虛擬仿真實訓系統(tǒng)的方案。采用鑄造虛擬仿真實訓系統(tǒng)不僅可以系統(tǒng)地將文字、語音、視頻等教學資料以及虛擬交互很好結(jié)合起來，提高實訓的效率。還可以使學生在虛擬實驗室學習多種鑄造工藝的知識背景、應用及其工藝流程，認識鑄造相關(guān)的儀器設備，激發(fā)學生自主學習的興趣，開拓學生的視野。利用虛擬仿真實訓系統(tǒng)既可以實現(xiàn)鑄造實訓教學的創(chuàng)新，提高課堂質(zhì)量，又可以極大的降低實訓成本，為學生提供更加安全的實訓環(huán)境。

[1]邢雪松.鑄造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景探究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（16）：30.

[2]葛升平，羅鳳利，都維剛，徐靖，韓志民，李光輝.鑄造工程訓練的教學研究與探討[J].民營科技，2016（12）：235.

[3]薛春江，徐文利.創(chuàng)新背景下的高校工程訓練鑄造工藝教學改革研究及其實踐[J]. 中國鑄造裝備與技術(shù)，2018，53（03）：68-73.

[4]高海波. VR（虛擬現(xiàn)實）教育應用綜述[J].信息與電腦（理論版），2019（02）：231-232+235.

[5]舒俊.基于Unity3D與HTC Vive的校園展示及交互系統(tǒng)實現(xiàn)[D].南昌航空大學，2019.

本文受江蘇省研究生教育教學改革教改課題（JYLX18-071）和淮海工學院教改課題（XJG2017-2-1）資助。