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關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在水力機(jī)械制造工藝課程中的應(yīng)用
論文關(guān)鍵詞：水力 制造工藝 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
論文摘要：水力機(jī)械制造工藝是水力機(jī)械及工程專業(yè)方向?qū)W生的一門重要的專業(yè)必修課。由于該課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，在教學(xué)過程中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就具有十分重要的意義。水力機(jī)械制造工藝課程教學(xué)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)再現(xiàn)了真實(shí)的零件結(jié)構(gòu)、零部件的裝配過程和典型零件的數(shù)控加 工過程，對改進(jìn)教學(xué)效果起到 了一定的作用。同時(shí)，本文提出了今后在課程建設(shè) 中完善的方向。對其它同類課程的教學(xué)具有一定的參考價(jià)值。
水力機(jī)械制造工藝是熱能與動(dòng)力工程專業(yè)水力機(jī)械及工程方向?qū)W生的一門重要的專業(yè)必修課。根據(jù)該專業(yè)本科培養(yǎng)目標(biāo)，要求學(xué)生具有寬廣的理論基礎(chǔ)、較強(qiáng)創(chuàng)新能力和適應(yīng)能力，能在流體機(jī)械及工程等部門從事開發(fā)、研究、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、現(xiàn)代 、科學(xué)研究、教學(xué)等方面的工作。事實(shí)上，近三年該專業(yè)的畢業(yè)生就業(yè)率均保持了較高水平，水力機(jī)械及工程專業(yè)方向的學(xué)生到專業(yè)對口部門的占到了 70％ 以上，而這些畢業(yè)生所從事的主要工作就是水力機(jī)械的設(shè)計(jì)與制造。由此可以看出，學(xué)生如果能在在校期間掌握好流體機(jī)械特別是水力機(jī)械制造工藝的相關(guān)知識，將對他們今后的工作大有裨益，這將促進(jìn)他們將理論知識 和生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合以增強(qiáng)他們工作崗位的適應(yīng)能力。
水力機(jī)械制造工藝是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，所涉及的相關(guān)基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)知識也相當(dāng)廣泛。根據(jù)教學(xué)大綱的安排，該門課程應(yīng)在學(xué)生學(xué)習(xí)完流體力學(xué)、工程、機(jī)械工程基礎(chǔ)、流體機(jī)械原理、流體機(jī)械結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度等課程的基礎(chǔ)上開設(shè)。在教學(xué)過程中最好能夠在學(xué)習(xí)該門理論課程的同時(shí)到水力機(jī)械制造廠參觀，這將有助于學(xué)生建立起對加工設(shè)備、加工零件、加工的感性認(rèn)識，提高教學(xué)效果。但是實(shí)際教學(xué)過程中，沒有條件能夠達(dá)到這樣的要求。況且大中型的水輪機(jī)零部件尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造工藝涉及的問題較多，即使是到專業(yè)的水力機(jī)械生產(chǎn)廠的加工現(xiàn)場也很難對其結(jié)構(gòu)和加工過程有全面深人的了解。因此，按照傳統(tǒng)的教學(xué)方法和手段，讓學(xué)生通過書本上的插圖對所學(xué)的對象，如零件、加工設(shè)備、設(shè)備等進(jìn)行了解，學(xué)生很難有深刻的認(rèn)識 ，況且部分插圖書中沒有附上，結(jié)果制造工藝課程學(xué)完了，部分學(xué)生到了工廠還是會(huì)把車床誤認(rèn)為銑床，一些專業(yè)典型零件也看似很陌生，由此可見傳統(tǒng)的教學(xué)手段取得的效果并不理想，學(xué)生并不能將課堂所學(xué)與實(shí)際有機(jī)聯(lián)系起來。為此，我們將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到水力機(jī)械制造工藝的教學(xué)中，將抽象的零件和加工過程形象化，以幫助學(xué)生直觀地觀察零件結(jié)構(gòu)，理清零部件的裝配關(guān)系，進(jìn)一步理解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工工藝的關(guān)系，并將加工過程中所涉及工裝夾具、機(jī)床、刀具等素材通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入到教學(xué)課件中，從而縮短理論與實(shí)際的距離。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是近年來發(fā)展起來的新興技術(shù) ，在各個(gè)領(lǐng)域逐步得以開發(fā)應(yīng)用。根據(jù)沉浸程度的不同，可將虛擬現(xiàn)實(shí)分為桌面式、大屏幕式、沉浸式和艙室仿真器四種類型…。其中桌面虛擬現(xiàn)實(shí)是一種初級的虛擬現(xiàn)實(shí)，它的沉浸度差，但最為簡單，制作低，易于普及和實(shí)現(xiàn)。本課程教學(xué)中使用的仿真系統(tǒng)就是采用 VRML (VirtuaI RealityModeling Language，虛擬現(xiàn)實(shí)建模)開發(fā)的桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)，以配有高性能的圖形加速卡的 Pc機(jī)為開發(fā)平臺，其性能能夠滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在最近十幾年得到了飛速的發(fā)展，由于其特有的仿真特性，如沉浸感、時(shí)實(shí)交互性、想象力和三維圖形等，它正在成為解決工程問題 的一種重要方法，也是實(shí)現(xiàn)輔助教學(xué) 的重要 手段。
在水力機(jī)械制造工藝課程教學(xué)中，為了真實(shí)地再現(xiàn)水力機(jī)械典型零部件的結(jié)構(gòu)，我們采用了功能強(qiáng)大的 CAD／cAM一體化軟件 unigraphics 進(jìn)行零件的三維建模，以 word的格式輸出，再利用 VRML對各零件的顯示顏色、材質(zhì)、光照等進(jìn)行渲染 ，這樣就可以利用安裝了 Cortona插件的 IE瀏覽器進(jìn)行零件的瀏覽了，從而脫離了復(fù)雜的 UG軟件環(huán)境。在瀏覽器里可以通過插件上的控件對三維模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移、放大等操作，幫助學(xué)生全方位 的了解課程中所討論的對象，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識。圖 1、2分別為水輪機(jī)座環(huán)和水輪機(jī)頂蓋的三維模型，在講解到此類典型環(huán)形類零件的加工時(shí)，就可以通過旋轉(zhuǎn)放大等操作全方位地瀏覽三維模型，比較它們結(jié)構(gòu)上的異同，深入理解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性和合理性，認(rèn)清關(guān)鍵加工部位，為擬訂高效合理的加工工藝方案奠定基礎(chǔ)。
水力機(jī)組裝配與一般的產(chǎn)品相比有其特殊性，即在制造廠僅能完成重要部件的預(yù)裝配，而整臺機(jī)組的裝配是在水電站完成的。對于大型電站，安裝周期較長，水輪機(jī)的許多零部件被安裝在機(jī)坑里，對于在校學(xué)生來說很難有機(jī)會(huì)全面地看清楚其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各零部件的空間位置關(guān)系。為此，我們采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和仿真技術(shù)相結(jié)合開發(fā)了水輪發(fā)電機(jī)組檢修仿真系統(tǒng) ，幫助學(xué)生從不同的角度觀察各零部件的三維實(shí)體模型及零部件之間的空間位置關(guān)系、聯(lián)接關(guān)系等 (如圖 3所示)，了解水力機(jī)組安裝過程中零件的安裝先后順序和相關(guān)的技術(shù)要求，有利于學(xué)生了解和制定合理高效的裝配方案，將理論與實(shí)際有機(jī)的結(jié)合起來。利用 Java編程實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)交互功能。圖 4為水輪機(jī)水導(dǎo)軸承動(dòng)態(tài)仿真裝配過程截取圖，在進(jìn)入裝配場景后，點(diǎn)擊啟停按鈕，動(dòng)態(tài)裝配過程即呈現(xiàn)在窗 口中，視圖左邊顯示的是水導(dǎo)軸承安裝步驟，這樣學(xué)生不用到水電站或制造廠裝配現(xiàn)場就能較直觀地學(xué)習(xí)水輪發(fā)電機(jī)組各部件的裝配工藝規(guī)范，有利于提高教學(xué)效果。
隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，水力機(jī)械的制造也沿著數(shù)字化的方向不斷發(fā)展 ，水力機(jī)械許多曲面類零件均采用數(shù)控方法加工。在實(shí)際教學(xué)中，我們采用專業(yè)的加工仿真軟件 Vericut 逼真地再現(xiàn)了實(shí)際加工工件、加工機(jī)床和加工 ，對加工過程中可能存在的問題進(jìn)行檢測 ，讓學(xué)生在課堂上就能對加工制造過程有全面的認(rèn)識。Vedcut 采用了先進(jìn)的三維顯示及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對數(shù)控加工過程的模擬達(dá)到了極其逼真的程度。特別是在葉片類曲面加工過程中，如何確定合理的加工參數(shù) (刀具形狀與尺寸 、刀具相對加工表面的姿態(tài)、走刀路線、主軸速度、切削深度和進(jìn)給速度等)以適應(yīng)加工過程中葉片曲面形狀的變化對提高加工精度變得非常重要，這些都可以通過加工仿真軟件在教學(xué)過程中形象生動(dòng)地展現(xiàn)在學(xué)生面前 (如圖5所示)。但是目前這部分的工作還處于起步階段，只能在課堂上做部分演示，有待進(jìn)一步完善。今后在條件允許的時(shí)候，可以在理論教學(xué)完成以后，讓學(xué)生自行建立零件 、機(jī)床的三維模型，模擬水力機(jī)械典型零件的加工 ，從而幫助學(xué)生將課堂中所學(xué)的理論知識轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)實(shí)踐。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)現(xiàn)已延伸到許多領(lǐng)域，它的發(fā)展不僅僅依賴于相關(guān)軟硬件的發(fā)展，而是更多地取決于該技術(shù)為實(shí)際問題提供低高效率的解決方案的能力。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到水力機(jī)械制造工藝課程的教學(xué)中，逼真生動(dòng)地再現(xiàn)了真實(shí)的零件結(jié)構(gòu)、零部件的裝配過程和典型零件的數(shù)控加工過程，學(xué)生通過這些虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境就能夠從形象化的角度理解零件從設(shè)計(jì)、毛坯形式、安裝定位、加工、裝配、質(zhì)量檢查等各個(gè)環(huán)節(jié)，提高了學(xué)生的學(xué) 習(xí)興趣 ，從而強(qiáng)化了理論知識的學(xué)習(xí)，對提高教學(xué)效果起到了重要作用。
參考文獻(xiàn)：
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[2]王桃，劉小兵，賴喜德，等．寶珠寺水電廠水輪發(fā)電機(jī)組檢修多媒體仿真系統(tǒng)的研制[J]．大電機(jī)技術(shù)，2005(7)：45—47．
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