基于虚拟现实技术的机械制造实训平台的构建研究*

应一帜，应一辉

（1.台州职业技术学院 机电学院 浙江台州 318000；2.仙居县教师进修学校,浙江 仙居 317300）

基于虚拟现实技术的机械制造实训平台的构建研究*

应一帜1，应一辉2

（1.台州职业技术学院 机电学院 浙江台州 318000；2.仙居县教师进修学校,浙江 仙居 317300）

企业需要的是职业素养高、工作能力强的职业人，而高校现有的教学条件无法满足职场模式的实训。采用虚拟现实技术构建机械制造虚拟实训平台，学生通过完全沉浸式的职业角色扮演，可以真实地体验工作步骤、工作内容。学生在完成工作任务过程中学习了相关知识和技能。虚拟实训平台提升了机械制造专业学生的工作能力和职业素养，实现了实训教学与职业岗位的无界化。

虚拟现实；实训平台；职业角色扮演；无界化

近几年，由于高职院校招生人数大幅度增加、实践教学经费缺乏、实训设备陈旧落后，以及真正建立企业实习基地难度大等原因，学生实训教学难已经成为长期困扰高职院校实践教学的普遍性问题。运用虚拟现实技术开展实训教学有利于调动学生积极性，给每个学生提供在虚拟岗位中的动手操作机会，从而达到预期教学目的。因此，构建基于虚拟现实技术的机械制造专业实训平台，创设学习型岗位和相应的岗位场景，实现实训教学与职业岗位的无界化是非常有意义的。

一、机械制造实训教学现状分析

当前大部分高职院校都建立了校内外实训基地，但从实训教学方面来看，还存在以下几个问题：

（1）建一个机械制造实训基地需要造厂房、买设备、配置人员等，开支巨大，并且学生的实训成本极高，如刀具、材料的大量损耗及设备损坏折旧等。[1]

（2）校内实训基本上是某一工种的操作训练，企业生产中的“质量、成本、交期”要求无法体现，学生在实训场所体验不到真实的企业工作氛围。[2]

（3）部分学校使用仿真软件代替真实设备，但当前流行的数控仿真软件如宇龙、宇航、菲克等能模拟机床操作面板，能验证数控程序，能加工出零件大致轮廓，同时也存在几大缺陷：加工工艺性差，如工艺方案的优劣对加工结果的影响看不出，零件的尺寸精度和形位公差无法测量；无法切身感知车间现场环境，如刀具磨损时的声音异常，操作不规范导致的各种安全问题等。学生在使用模拟软件后对技术、工艺的掌握还很肤浅。

（4）校外实训学生仅参与某个生产环节，并未完整经历职业岗位的各个工作步骤；企业首先要完成的是生产任务，而不重视培养学生，学生实习效果受到很大的影响。[3]

（5）教师的企业经历较少，基本上只能指导学生操作练习，培养不了企业真正需要的高技能人才，其“双师”素质有待提高。

二、虚拟制造实训平台构建的基础探索

1.根据市场调查确定机械制造职业岗位群

本项目组首先组织开展了机械制造职业岗位群的市场调研，而机械制造职业岗位往往从属于汽摩配、家用电器、服装机械、机床设备、模具制造等行业，通过对上述行业上百家各类规模企业的实地调研，并在多位企业实践专家的协助下对调研结果进行了归纳分析，最后确定了以下几个职业岗位：普机操作工、数控操作工、检验员、工艺员。

2.根据岗位要求布置虚拟实训情境

虚拟实训的目的是让学生在模拟真实的职业环境下锻炼成一名准职业人，所以我们在布置实训场景时首先要满足工作环境的真实性和工作过程的完整性。这里的环境布置指的是软件环境，虚拟环境的空间布置和设施配置企业化，将学生的角色设为某个企业某个岗位的职员，以该职业岗位的工作步骤为依据编排虚拟实训步骤。如操作工的工作步骤包括生产准备、生产过程、生产结束三个阶段的工作内容，具体内容如图1所示。

数字化工厂的技术目的是利用IT技术统一管理原材料、设备、工厂（面积）和生产流程。[4]而我们的虚拟实训平台的技术目的是模拟各工作岗位的工作步骤，并在工作过程中学习相关知识。

3.各工作步骤中穿插了大量辅助学习内容

我们的虚拟实训平台并不是一个单一的数字化工厂，它既是一个虚拟工作平台，又是一个学习平台。企业里的工人或技术人员需要系统培训后才能完成一项较复杂的工作。同样，要完成虚拟实训平台的各项工作任务，也需要系统的学习和培训。学习内容主要包括各具体工作步骤的示范指导和相关知识相关技能的拓展学习两类。工作步骤的示范指导采用图文视频结合的方式展示，部分采用了交互软件。相关知识的拓展采取引导文的形式，告诉学生查找相关资料的路径，而不是直接把答案告诉学生。这样学生在虚拟实训中并不是简单地模仿操作，更多的是培养了自学能力和解决问题的能力，学习到了工作过程系统化的知识。

三、虚拟制造实训平台的系统结构

虚拟制造实训平台的开发应与相关职业岗位的工作情境相符，逼真地反应工作内容。同时又要有辅助学习的功能，是一个助学的平台。基于以上认识提出了支持虚拟制造实训平台的系统框架，该系统结构由数据层、业务逻辑层、Web层、用户层4部分组成，如图2所示。

虚拟制造实训平台的框架结构分为四层。（1）数据层用于存储支撑实训平台运行的各种数据，如零件库、刀具库、设备库和用户信息等。数据层为实训管理和应用提供数据支持。在实训平台系统中，提供数据库访问功能。通过这些应用程序接口，上层系统可以访问到实训平台的各种数据。[5]（2）业务逻辑层是实训平台的核心，所有与Web信息相关的业务逻辑都在这一层实现。业务逻辑层是由一系列功能执行部件组成的，涵盖了实训平台所设计的认识实习、加工仿真、产品装配拆卸、用户管理、系统管理等主要业务功能。（3）Web层由Web服务器和Web容器组成，Web容器包含 JSP、HTML、Applet等功能组件。[6]这些功能组件主要用于描述客户端浏览器的内容显示方式。Web层负责接受用户的信息服务请求，转递给业务逻辑层，并将响应的结果返回给用户，即通过Web浏览器向用户显示结果。（4）用户层负责与用户的交互。它的功能是提交用户请求，并显示服务器的处理结果。在具体应用中，可以根据具体的应用环境提供相应的交互方式：一种是通过浏览器；另一种是通过应用程序，跨越Web层，与业务逻辑层直接交互。

四、虚拟制造实训平台的实施案例

学生在虚拟制造实训平台内，先选择相应的职业岗位，阅读岗位职责，初步了解工作步骤。进入虚拟空间后，根据职责完成目标岗位的全部工作步骤。如无法完成某工作步骤，可以打开视频窗口学习，如需进一步学习相关知识可以打开知识导航，引导你学习相关的技术资料。在虚拟制造实训平台内学生边工作边学习，无需教师在场，就可以通过自己的努力完成各项工作任务，并充分利用实训平台的导航、自测与自评的助学功能，达到岗位职责的要求，实现职业教育与工作岗位的无界化。

下面以数控操作工的虚拟实训为例，第一步是熟悉工作环境和工作内容。学生可以在机械加工车间参观漫游，具体能够实现：指定路径的漫游动画显示、不同视点的3D模型观察、机床设备、刀具、工装、零件等模型的整体和局部观察等。如图3所示。

第二步是生产准备阶段，包括：①领用图纸、工艺卡；②根据工单任务领料；③工装库借本道工序夹具、刀具；④上夹具调试。以上几步都是严格按照机械制造企业数控机床操作工的真实工作准备步骤来编排，学生能学习到去什么部门领取相关工作资料、工具，需办理什么手续，也能学到零件加工前怎么调试工装夹具等。如图4所示。

第三步是生产阶段，包括：①互检，检测上一道工序半成品的精度是否符合要求；②首件加工；③首件加工后的首检，包括自检、班组长、检验员检，检验合格后可以正式开始生产；④“三按”生产，即严格按图纸、按标准、按工艺的要求正式生产；⑤自检、互检，发现问题向班组长及时报告并注意工件防护、现场6S、设备维护、安全操作规定等，批量生产完成后需办理转序手续，在工序流程卡上登记记录。

零件加工仿真模块界面如图5所示，动画区主要分为工件区和机床设备区，分别仿真刀路和机床动作。系统菜单主要有文件、视图、分析等，设计适当的快捷按钮。制作典型零件加工仿真，包括毛坯定义、材料定义、工装定义、刀具定义和机床选择。

第四步是生产结束阶段，包括零件入库、交回工艺和图纸、清扫场地、润滑机床并完成“三保”中的“一保”。

五、结束语

基于虚拟现实技术的虚拟实训与传统的校内外实训模式相比有着自身的优势和特点。它能全真模拟职业工种的工作环境、工作步骤和工作内容，学生通过完全沉浸式的职业角色扮演，真实地体验各个职业岗位，熟悉了工作步骤、工作内容，并能学习训练相关工作技能。虚拟现实技术在机械制造实训教学中的应用,不但提升了本专业实践教学的现代化水平,大大改善了教学条件，也为实现职业教育与工作岗位“零对接”提供了有力的保障。☉

[1]王艳戎,张远辉.高职机械基础实践教学中心建设探索[J].职业教育研究,2011（7）:154-155.

[2]黄敏玲.高职院校校内实训教学存在的问题及对策探讨[J].高教论坛,2011（10）:127-128.

[3]易洪雷.基于校企合作联盟模式的校外实习基地建设[J].实验技术与管理，2011（4）：140-142.

[4]徐富亮.虚拟车间的研究、设计与实现[D].武汉理工大学硕士学位论文,2009.

[5]郝理想.基于虚拟仿真的生产车间布局设计方法研究[D].合肥工业大学硕士学位论文,2006.

[6]许丹.虚拟实验室平台相关技术的研究与实现[D].国防科技大学硕士学位论文,2007.

（编辑：金冉）

G434

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1673-8454（2012）09-0046-03

浙江省科技计划项目，项目编号：2010R30037；浙江省教科规划课题，项目编号：SCG493；浙江省教育厅新世纪教改项目，项目编号：YB09124。