虛擬裝配實(shí)訓(xùn)軟件開發(fā)流程范文
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職業(yè)院校機(jī)械裝配與維修專業(yè)設(shè)置的目標(biāo)是培養(yǎng)出具有機(jī)械設(shè)備裝配技能（包括檢測與維修技能）的一線高級工人，他們的素質(zhì)和能力將直接影響我國裝備制造業(yè)的整體水平，“沒有一流的工人就沒有一流的產(chǎn)品”。裝配與維修的職業(yè)技能必須通過大量的實(shí)際操作訓(xùn)練來掌握，但長期以來大多數(shù)職業(yè)院校因?qū)嵱?xùn)設(shè)備投入不足、現(xiàn)有設(shè)備過時或磨損、某些操作帶有一定的危險性等原因，無法滿足學(xué)生實(shí)際操作訓(xùn)練的要求。隨著信息技術(shù)在教育領(lǐng)域，尤其是在職業(yè)教育領(lǐng)域的普及發(fā)展，運(yùn)用以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為代表的現(xiàn)代信息化手段實(shí)現(xiàn)日常教學(xué)和實(shí)訓(xùn)成為職業(yè)教育的必然趨勢，但傳統(tǒng)的CAI多媒體課件已不能滿足專業(yè)操作訓(xùn)練的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)要求。目前，針對專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的仿真軟件已經(jīng)開始在部分專業(yè)使用，如數(shù)控車床操作仿真軟件等，但機(jī)械維修專業(yè)的仿真實(shí)訓(xùn)軟件受制于三維實(shí)體運(yùn)算量大、交互實(shí)現(xiàn)復(fù)雜等技術(shù)原因一直沒有得到發(fā)展和應(yīng)用。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展和開發(fā)引擎工具的豐富，開發(fā)虛擬實(shí)訓(xùn)軟件已成為解決此問題的主要方法。將虛擬現(xiàn)實(shí)軟件引入職業(yè)學(xué)校的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，不僅可以解決培訓(xùn)需要投入大量實(shí)體數(shù)控機(jī)床設(shè)備、培訓(xùn)費(fèi)用高、投資大等突出矛盾，還能解決學(xué)員實(shí)際操作容易出現(xiàn)失誤，導(dǎo)致機(jī)器磨損，產(chǎn)生大量維護(hù)維修費(fèi)用，造成經(jīng)濟(jì)損失等問題，所以虛擬實(shí)訓(xùn)是一個投入少、見效快的教學(xué)方法。本文研究的虛擬裝備實(shí)訓(xùn)軟件就是基于本專業(yè)師生這一客戶群體需求所開發(fā)的特定設(shè)備虛擬裝配軟件，包括數(shù)控車床、普通車床、立式鉆床和銑床等一系列機(jī)床的拆裝、維修實(shí)訓(xùn)軟件。
1虛擬裝配軟件及開發(fā)概述
德國Bielefedl大學(xué)的BernhardJung等將虛擬裝配描述為在虛擬環(huán)境中采用虛擬現(xiàn)實(shí)交互方式（如直接操作和自然語言命令）構(gòu)建的虛擬產(chǎn)品原型。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VirtualReality，VR）允許人沉浸到計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬環(huán)境中，并通過視覺、觸覺、味覺、聽覺等多種感知模式與虛擬環(huán)境進(jìn)行實(shí)時交互，使人產(chǎn)生身臨其境的感覺［1］。通過建立一個文字、聲音、視頻、圖形、圖像、動畫等不同信息為一體的人機(jī)交互系統(tǒng)，創(chuàng)建出一個內(nèi)容豐富、色彩繽紛、圖文并茂、動靜相融的虛擬情景，促使人的腦、眼、手、口等多種器官接受感知，使人能產(chǎn)生一種“真實(shí)”的感覺。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以驗(yàn)證設(shè)備裝配設(shè)計(jì)和拆卸裝配操作的正確性，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題，對產(chǎn)品的模型進(jìn)行修改，并通過可視化技術(shù)顯示拆卸裝配的全過程。與傳統(tǒng)CAD的裝配相比，虛擬裝配的重點(diǎn)在于人機(jī)交互直觀，通過直接操作零部件和自然語言命令直接完成裝配操作。技術(shù)平臺的先進(jìn)性與產(chǎn)品最終開發(fā)結(jié)果以及實(shí)際應(yīng)用效果存在一定的距離，本軟件的開發(fā)是建立在深入了解用戶需求的基礎(chǔ)上，利用合理的樣機(jī)和知識點(diǎn)分布突出專業(yè)性整體框架，滿足人機(jī)工程及心理交互需求，大大提升可操作性，融入大量務(wù)實(shí)的輔助素材強(qiáng)化了實(shí)際操作的理論依據(jù)，加上嚴(yán)謹(jǐn)友好的考核環(huán)節(jié)，推動了本軟件實(shí)際應(yīng)用的持續(xù)性。
2.1需求分析及軟件功能
2.1.1需求分析軟件開發(fā)的起點(diǎn)是需求分析，了解用戶的使用模式和工作流程模式后，才能創(chuàng)建包括信息交互和行為交互的領(lǐng)域模型和用戶模型。本軟件定位明確，即培養(yǎng)裝配制造企業(yè)亟需的數(shù)控機(jī)床維護(hù)維修技能人才，以從業(yè)人員應(yīng)有的裝配、調(diào)試、檢測、維修、試運(yùn)行等能力及機(jī)電連調(diào)的職業(yè)能力為培養(yǎng)目標(biāo)。該軟件與其他虛擬裝配軟件的不同之處在于其具有教學(xué)功能及面向?qū)W生的客戶功能。
2.1.2功能描述軟件總體設(shè)計(jì)思路的確定，參考了“遼寧省職業(yè)教育數(shù)字化虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地規(guī)劃方案”，并結(jié)合我校現(xiàn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀，基本功能包含了傳統(tǒng)教學(xué)與自主學(xué)習(xí)兩種基本模式。在傳統(tǒng)教學(xué)模式下有教師演示，自主練習(xí)及自評考核等環(huán)節(jié)。軟件按照機(jī)床結(jié)構(gòu)來組織內(nèi)容和操作點(diǎn)，并單獨(dú)開設(shè)對技能綜合訓(xùn)練和考量的教學(xué)內(nèi)容等。其他技術(shù)要求有B/S結(jié)構(gòu)、工作臺+工具柜+工具的三維虛擬環(huán)境、采用任務(wù)引領(lǐng)的項(xiàng)目教學(xué)法組織、支持單機(jī)模式和網(wǎng)絡(luò)模式、便于互聯(lián)網(wǎng)訪問等。
2.2軟件整體框架及界面
2.2.1軟件整體框架（1）開發(fā)一個適用的虛擬實(shí)訓(xùn)軟件必須有一個需求明確的整體設(shè)計(jì)，從我校機(jī)修專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)入手，明晰各項(xiàng)職業(yè)能力完成標(biāo)準(zhǔn)，即這個軟件完成的最終任務(wù)，因此要注重頂層設(shè)計(jì)。（2）在設(shè)計(jì)中要進(jìn)行樣機(jī)及操作點(diǎn)的科學(xué)篩選，堅(jiān)持通用性、適用性兼顧的原則。各項(xiàng)能力完成目標(biāo)對應(yīng)的操作和知識點(diǎn)是構(gòu)成這門實(shí)訓(xùn)課程網(wǎng)線上的節(jié)點(diǎn)，教學(xué)樣機(jī)的選取既要考慮適用性強(qiáng)的企業(yè)產(chǎn)品，同時還要兼顧通用性強(qiáng)的典型機(jī)床。為了覆蓋更多的專業(yè)知識，避免相似結(jié)構(gòu)、相似種類、同等復(fù)雜程度的教學(xué)樣機(jī)重復(fù)建設(shè)，不同種類樣機(jī)要突出不同知識體系，如突出機(jī)床傳動結(jié)構(gòu)、精度檢測、機(jī)床整體功能等。教學(xué)產(chǎn)品作為樣機(jī)平臺，既要考慮通用性也要兼顧適用性，從通用性出發(fā)，最典型的機(jī)床為CA6140型車床，其結(jié)構(gòu)、傳動部件等均作為典型零部件學(xué)習(xí)過；從實(shí)用角度出發(fā)，與我校合作的遼寧某數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的SL208型臥式車床就是目前流行數(shù)控車床的代表，而且我校還與這家企業(yè)有合作培養(yǎng)學(xué)生的伙伴關(guān)系。另外經(jīng)過專業(yè)咨詢，銑床和鉆床的維修人員目前在鞍山市及周邊地區(qū)的需求也非常大，所以我們又選擇了具有典型結(jié)構(gòu)、典型傳動的鉆床和銑床作為拆裝訓(xùn)練樣機(jī)，確定了包含機(jī)床品種多樣性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜層次完整性、實(shí)訓(xùn)技能全面性的一組樣機(jī)。（3）在開發(fā)軟件中，要突出虛擬實(shí)訓(xùn)的重要特征，因此要細(xì)化交互點(diǎn)，深化“做中學(xué)、做中教”。裝配、檢測、調(diào)試、試運(yùn)行、維修雖然都是操作，但背后的知識原理分屬不同課程，操作涵蓋鉗工、數(shù)控、電工等不同工種，將所有相關(guān)知識點(diǎn)穿插到合理的交互點(diǎn)不僅需要大量的準(zhǔn)備工作，還需要在應(yīng)用中不斷改進(jìn)和完善。（4）設(shè)計(jì)虛擬軟件還要與傳統(tǒng)課程建設(shè)和實(shí)際操作教學(xué)做到無縫對接。加強(qiáng)傳統(tǒng)教材編制，拓展虛擬實(shí)訓(xùn)的理論知識范圍，為虛擬操作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；創(chuàng)新校企合作的實(shí)際操作訓(xùn)練模式既是虛擬實(shí)訓(xùn)對操作技能的固化，也是對虛擬評價體系的有效確認(rèn)。基于以上分析，虛擬軟件的設(shè)計(jì)框架如圖1所示。每個部件都是獨(dú)立的實(shí)現(xiàn)單元，都包含拆裝過程、測量與診斷，以及維修與維護(hù)三大核心內(nèi)容，在教師演示、自學(xué)訓(xùn)練或考核評價模式下，對學(xué)生的學(xué)習(xí)都有逐級升高及深化的要求和作用。本課程規(guī)定需要學(xué)生學(xué)習(xí)掌握的部分專業(yè)知識點(diǎn)包含其中，主要集中在微觀層面和操作層面，對本工種或職業(yè)能力宏觀要求以及理論知識點(diǎn)則是存放在裝配知識庫中，通過提示交互或考核系統(tǒng)調(diào)用達(dá)到教授目標(biāo)。人機(jī)交互界面是虛擬現(xiàn)實(shí)軟件的重點(diǎn)，無論是軟件界面，還是虛擬操作交互、提示交互等等，都是將隱形內(nèi)容顯性化，從而達(dá)到指導(dǎo)訓(xùn)練的教學(xué)目的。
2.2.2界面設(shè)計(jì)人機(jī)界面設(shè)計(jì)的優(yōu)劣與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)有直接關(guān)系，一般是從可交互性、信息、顯示、數(shù)據(jù)輸入等方面考慮，本軟件除了基本技術(shù)要求外，對裝配場景的形象展示能讓學(xué)生有良好的浸入感，從而加強(qiáng)實(shí)訓(xùn)作為實(shí)際工作前期準(zhǔn)備的作用。界面顯示如圖2所示。
2.3實(shí)訓(xùn)交互與提示設(shè)計(jì)
2.3.1實(shí)訓(xùn)交互設(shè)計(jì)在使用菜單與鍵盤命令條件下，拆裝過程、測量與診斷，以及維修與維護(hù)三塊內(nèi)容包含的具體操作點(diǎn)有近百個，每個操作點(diǎn)的交互過程各不相同，有徒手操作，有借助操作工具操作，還有的借助測量工具和操作工具共同操作，課程對各個操作點(diǎn)的完成要求也不盡相同，這就需要根據(jù)具體要求作不同程度的細(xì)化。對徒手或簡單工具拆裝操作，交互過程完成拆裝順序、拆裝方向、零件位置，以及運(yùn)動路徑等要求即可，多采用高亮提示、箭頭引導(dǎo)、撞擊音效及文字等方式。對于較復(fù)雜的連測帶裝操作點(diǎn)，測量儀器的使用多為教學(xué)大綱要求的重點(diǎn)，交互需求較高，包括定位原理、讀數(shù)、判斷分析等，除了必要的文字和圖像之外既要有求助或教程插入引導(dǎo)方式，還要考慮避錯警告，使學(xué)生不需浪費(fèi)大量訓(xùn)練時間試錯，這時可采用有限選擇提示或排他提示；對于維護(hù)類操作采用操作演示，視頻、動畫、圖片文字均可。作為國家技能要求的技能點(diǎn)，各種尺寸和誤差的測量方法、各種形位誤差的測量方法等，必須在軟件的使用中體現(xiàn)。如正確使用工具類的游標(biāo)卡尺、千分尺，指示表類的千分表和內(nèi)徑表，其他工具如水平儀、量規(guī)塞規(guī)等；形位誤差中的直線度、圓柱度、平行度、同軸度等測量操作則通過軸類、蓋類、支架類和箱體類典型零件的測量、調(diào)整和維修過程訓(xùn)練學(xué)生，以達(dá)到掌握這些技能的目的。
2.3.2提示系統(tǒng)設(shè)計(jì)提示信息是對操作輸入信息的及時反饋，可以保證操作能夠沿著正確的既定方向進(jìn)行，提示信息可以是肯定鼓勵，大多則是引導(dǎo)或糾錯。提示系統(tǒng)采用菜單選擇、命令輸入、數(shù)據(jù)顯示或其他方式。應(yīng)保證提示信息顯示方式與數(shù)據(jù)輸入方式的協(xié)調(diào)一致，盡量減少用戶輸入的動作，隱藏當(dāng)前狀態(tài)下不可選用的命令，允許用戶自選輸入方式，能夠刪除無現(xiàn)實(shí)意義的輸入，允許用戶控制交互過程。用戶求助作為提示系統(tǒng)的補(bǔ)充，可以被用戶激活，宜采用集成式，避免疊加式系統(tǒng)導(dǎo)致用戶求助某項(xiàng)指南而不得不瀏覽大量的無關(guān)信息。
2.4考核系統(tǒng)設(shè)計(jì)考核系統(tǒng)是軟件教育性體現(xiàn)的重要方面，也是完成教學(xué)內(nèi)容的必需環(huán)節(jié)。
2.4.1明確本專業(yè)職業(yè)基本技能、崗位技能和拓展技能考核目標(biāo)這是所有學(xué)習(xí)和訓(xùn)練過程的目標(biāo)，將國家高級鉗工、裝配鉗工、維修調(diào)試工等相近工種的技能要求作為參考融入培養(yǎng)目標(biāo)點(diǎn)，從而得到技能考核組成框架。這些技能可以按照重要性分等級編號，在虛擬實(shí)訓(xùn)軟件實(shí)現(xiàn)時按照重要等級順序考慮實(shí)現(xiàn)。
2.4.2與企業(yè)技術(shù)人員和實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)老師磨合考核操作要點(diǎn)現(xiàn)行企業(yè)操作規(guī)程是操作要點(diǎn)的藍(lán)本。操作要點(diǎn)的選擇首先要考慮企業(yè)的實(shí)際需要，但企業(yè)要求的技能操作點(diǎn)有可能是片面的，沒有考慮學(xué)生綜合素質(zhì)的提高，不利于學(xué)生的長期發(fā)展，所以需要兼顧學(xué)生分析及解決問題能力的提高、理論與實(shí)際相結(jié)合水平的提高，以及職業(yè)素養(yǎng)和未來技術(shù)水平的提高等操作要點(diǎn)。例如在SL208數(shù)控車床的虛擬實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中，我們提出不僅要訓(xùn)練學(xué)生正確規(guī)范的拆裝操作，還要進(jìn)行測量調(diào)試環(huán)節(jié)的操作，因此重點(diǎn)設(shè)計(jì)了Z軸絲杠部件的裝調(diào)操作，其中，對驅(qū)動端和支撐端兩個軸承座的裝配需要預(yù)裝配，然后使用千分表檢測驗(yàn)棒軸線跳動，根據(jù)跳動的誤差種類和大小，采用合理的刮研方式進(jìn)行修配，從而達(dá)到精度要求。企業(yè)技術(shù)人員只給出粗放的經(jīng)驗(yàn)式操作步驟，我們則在操作過程中加入了更多知識點(diǎn)原理的講解和自由操作交互，訓(xùn)練學(xué)生自主探索軸線誤差與刮研方式正確性的關(guān)聯(lián)，經(jīng)過訓(xùn)練，學(xué)生能夠掌握區(qū)分修配驅(qū)動端或支撐端軸承座前底面還是后底面的必要條件，而不是簡單的嘗試操作。
2.4.3考核評價實(shí)訓(xùn)的考核評價模式有傳統(tǒng)式的百分扣分制和當(dāng)今許多游戲采取的累計(jì)積分分級制兩種模式，為了更好地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，順應(yīng)學(xué)生操作一般游戲軟件的習(xí)慣，最終決定采用累計(jì)積分分級制模式。
2.4.4腳本開發(fā)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段就是制定開發(fā)方案、編制場景和操作程序腳本，進(jìn)行代碼編寫。開發(fā)方案最基礎(chǔ)的內(nèi)容是開發(fā)平臺，經(jīng)過調(diào)研和比較選擇目前主流的虛擬場景開發(fā)工具UNITY3D，參照《遼寧省職業(yè)教育數(shù)字教學(xué)資源建設(shè)指南》確定各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。開發(fā)過程分為兩個階段，第一階段是拆卸與測繪建模階段，機(jī)修專業(yè)的學(xué)生需全程參與這個環(huán)節(jié)；第二階段將涵蓋知識點(diǎn)、操作要點(diǎn)的操作程序轉(zhuǎn)化為實(shí)訓(xùn)場景和交互，這就需要編制腳本，腳本開發(fā)見表1。
2.5收集素材，完善課程軟件開發(fā)后，還需進(jìn)一步收集教學(xué)資源素材，將互動軟件進(jìn)階成為一門課程。本虛擬實(shí)訓(xùn)軟件設(shè)有教學(xué)和自主訓(xùn)練兩個模式，選擇自主訓(xùn)練模式時是學(xué)生自學(xué)過程，需要必要的知識講解，我們設(shè)計(jì)在關(guān)鍵操作步驟間或新知識點(diǎn)出現(xiàn)時，添加教學(xué)課件或其他教學(xué)資源，真正讓學(xué)生做到在“做中學(xué)、做中教”。允許學(xué)生犯錯也是自學(xué)模式下必須滿足的條件之一，這就需要軟件具有識錯糾錯功能。考核環(huán)節(jié)中也有傳統(tǒng)的判斷或選擇題，建立可擴(kuò)充的試題庫以備調(diào)用，將考核體系完善為理論和操作結(jié)合在一起的綜合考核體系。采用虛擬實(shí)訓(xùn)軟件后，尤其是將基礎(chǔ)教學(xué)素材加入軟件后，課程配套的教材、課程標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)做必要的調(diào)整，根據(jù)項(xiàng)目教學(xué)法的實(shí)際需要，將教材設(shè)計(jì)為以工作冊頁為主線的軟件操作輔助文本教程，學(xué)生通過各種方式，包括從軟件自學(xué)途徑完成工作冊頁的填寫，從而強(qiáng)化教學(xué)內(nèi)容。軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)不是一成不變的，要隨著教學(xué)環(huán)境及教學(xué)要求的變化，不斷地進(jìn)行完善和改進(jìn)，做到精益求精。例如，用于高精度測量的激光干涉儀教具的虛擬操作使用，即是我校購置了一臺激光干涉儀后增加進(jìn)來的新內(nèi)容。因此，只有不斷地滿足用戶的需求、教學(xué)要求，不斷地完善和改進(jìn)虛擬實(shí)訓(xùn)軟件，才能更好地為教學(xué)服務(wù)。
3結(jié)束語
作為我校探索開發(fā)的虛擬化實(shí)訓(xùn)軟件，在開發(fā)完成后已經(jīng)在相關(guān)專業(yè)開始使用，并取得了很好的教學(xué)效果，學(xué)生使用的熱情高，學(xué)習(xí)興趣濃，對課程內(nèi)容的掌握程度也比以前有了大幅提高。由于該軟件開發(fā)的重點(diǎn)大多集中在專業(yè)領(lǐng)域上，對于軟件本身的技術(shù)細(xì)節(jié)（如界面等）還需要在今后的升級中不斷完善。
作者：任新剛 單位：鞍山技師學(xué)院機(jī)械系
