虚拟装配实训软件开发流程范文

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职业院校机械装配与维修专业设置的目标是培养出具有机械设备装配技能（包括检测与维修技能）的一线高级工人，他们的素质和能力将直接影响我国装备制造业的整体水平，“没有一流的工人就没有一流的产品”。装配与维修的职业技能必须通过大量的实际操作训练来掌握，但长期以来大多数职业院校因实训设备投入不足、现有设备过时或磨损、某些操作带有一定的危险性等原因，无法满足学生实际操作训练的要求。随着信息技术在教育领域，尤其是在职业教育领域的普及发展，运用以虚拟现实技术为代表的现代信息化手段实现日常教学和实训成为职业教育的必然趋势，但传统的CAI多媒体课件已不能满足专业操作训练的计算机辅助教学要求。目前，针对专业实训教学的仿真软件已经开始在部分专业使用，如数控车床操作仿真软件等，但机械维修专业的仿真实训软件受制于三维实体运算量大、交互实现复杂等技术原因一直没有得到发展和应用。随着虚拟现实技术的发展和开发引擎工具的丰富，开发虚拟实训软件已成为解决此问题的主要方法。将虚拟现实软件引入职业学校的实训教学，不仅可以解决培训需要投入大量实体数控机床设备、培训费用高、投资大等突出矛盾，还能解决学员实际操作容易出现失误，导致机器磨损，产生大量维护维修费用，造成经济损失等问题，所以虚拟实训是一个投入少、见效快的教学方法。本文研究的虚拟装备实训软件就是基于本专业师生这一客户群体需求所开发的特定设备虚拟装配软件，包括数控车床、普通车床、立式钻床和铣床等一系列机床的拆装、维修实训软件。

1虚拟装配软件及开发概述

德国Bielefedl大学的BernhardJung等将虚拟装配描述为在虚拟环境中采用虚拟现实交互方式（如直接操作和自然语言命令）构建的虚拟产品原型。虚拟现实技术（VirtualReality，VR）允许人沉浸到计算机产生的虚拟环境中，并通过视觉、触觉、味觉、听觉等多种感知模式与虚拟环境进行实时交互，使人产生身临其境的感觉［1］。通过建立一个文字、声音、视频、图形、图像、动画等不同信息为一体的人机交互系统，创建出一个内容丰富、色彩缤纷、图文并茂、动静相融的虚拟情景，促使人的脑、眼、手、口等多种器官接受感知，使人能产生一种“真实”的感觉。利用虚拟现实技术，可以验证设备装配设计和拆卸装配操作的正确性，及早发现设计中存在的问题，对产品的模型进行修改，并通过可视化技术显示拆卸装配的全过程。与传统CAD的装配相比，虚拟装配的重点在于人机交互直观，通过直接操作零部件和自然语言命令直接完成装配操作。技术平台的先进性与产品最终开发结果以及实际应用效果存在一定的距离，本软件的开发是建立在深入了解用户需求的基础上，利用合理的样机和知识点分布突出专业性整体框架，满足人机工程及心理交互需求，大大提升可操作性，融入大量务实的辅助素材强化了实际操作的理论依据，加上严谨友好的考核环节，推动了本软件实际应用的持续性。

2虚拟装配软件开发流程

2.1需求分析及软件功能

2.1.1需求分析软件开发的起点是需求分析，了解用户的使用模式和工作流程模式后，才能创建包括信息交互和行为交互的领域模型和用户模型。本软件定位明确，即培养装配制造企业亟需的数控机床维护维修技能人才，以从业人员应有的装配、调试、检测、维修、试运行等能力及机电连调的职业能力为培养目标。该软件与其他虚拟装配软件的不同之处在于其具有教学功能及面向学生的客户功能。

2.1.2功能描述软件总体设计思路的确定，参考了“辽宁省职业教育数字化虚拟仿真实训基地规划方案”，并结合我校现行实训教学现状，基本功能包含了传统教学与自主学习两种基本模式。在传统教学模式下有教师演示，自主练习及自评考核等环节。软件按照机床结构来组织内容和操作点，并单独开设对技能综合训练和考量的教学内容等。其他技术要求有B/S结构、工作台+工具柜+工具的三维虚拟环境、采用任务引领的项目教学法组织、支持单机模式和网络模式、便于互联网访问等。

2.2软件整体框架及界面

2.2.1软件整体框架（1）开发一个适用的虚拟实训软件必须有一个需求明确的整体设计，从我校机修专业培养目标入手，明晰各项职业能力完成标准，即这个软件完成的最终任务，因此要注重顶层设计。（2）在设计中要进行样机及操作点的科学筛选，坚持通用性、适用性兼顾的原则。各项能力完成目标对应的操作和知识点是构成这门实训课程网线上的节点，教学样机的选取既要考虑适用性强的企业产品，同时还要兼顾通用性强的典型机床。为了覆盖更多的专业知识，避免相似结构、相似种类、同等复杂程度的教学样机重复建设，不同种类样机要突出不同知识体系，如突出机床传动结构、精度检测、机床整体功能等。教学产品作为样机平台，既要考虑通用性也要兼顾适用性，从通用性出发，最典型的机床为CA6140型车床，其结构、传动部件等均作为典型零部件学习过；从实用角度出发，与我校合作的辽宁某数控设备生产企业的SL208型卧式车床就是目前流行数控车床的代表，而且我校还与这家企业有合作培养学生的伙伴关系。另外经过专业咨询，铣床和钻床的维修人员目前在鞍山市及周边地区的需求也非常大，所以我们又选择了具有典型结构、典型传动的钻床和铣床作为拆装训练样机，确定了包含机床品种多样性、结构复杂层次完整性、实训技能全面性的一组样机。（3）在开发软件中，要突出虚拟实训的重要特征，因此要细化交互点，深化“做中学、做中教”。装配、检测、调试、试运行、维修虽然都是操作，但背后的知识原理分属不同课程，操作涵盖钳工、数控、电工等不同工种，将所有相关知识点穿插到合理的交互点不仅需要大量的准备工作，还需要在应用中不断改进和完善。（4）设计虚拟软件还要与传统课程建设和实际操作教学做到无缝对接。加强传统教材编制，拓展虚拟实训的理论知识范围，为虚拟操作打下坚实基础；创新校企合作的实际操作训练模式既是虚拟实训对操作技能的固化，也是对虚拟评价体系的有效确认。基于以上分析，虚拟软件的设计框架如图1所示。每个部件都是独立的实现单元，都包含拆装过程、测量与诊断，以及维修与维护三大核心内容，在教师演示、自学训练或考核评价模式下，对学生的学习都有逐级升高及深化的要求和作用。本课程规定需要学生学习掌握的部分专业知识点包含其中，主要集中在微观层面和操作层面，对本工种或职业能力宏观要求以及理论知识点则是存放在装配知识库中，通过提示交互或考核系统调用达到教授目标。人机交互界面是虚拟现实软件的重点，无论是软件界面，还是虚拟操作交互、提示交互等等，都是将隐形内容显性化，从而达到指导训练的教学目的。

2.2.2界面设计人机界面设计的优劣与设计者的经验有直接关系，一般是从可交互性、信息、显示、数据输入等方面考虑，本软件除了基本技术要求外，对装配场景的形象展示能让学生有良好的浸入感，从而加强实训作为实际工作前期准备的作用。界面显示如图2所示。

2.3实训交互与提示设计

2.3.1实训交互设计在使用菜单与键盘命令条件下，拆装过程、测量与诊断，以及维修与维护三块内容包含的具体操作点有近百个，每个操作点的交互过程各不相同，有徒手操作，有借助操作工具操作，还有的借助测量工具和操作工具共同操作，课程对各个操作点的完成要求也不尽相同，这就需要根据具体要求作不同程度的细化。对徒手或简单工具拆装操作，交互过程完成拆装顺序、拆装方向、零件位置，以及运动路径等要求即可，多采用高亮提示、箭头引导、撞击音效及文字等方式。对于较复杂的连测带装操作点，测量仪器的使用多为教学大纲要求的重点，交互需求较高，包括定位原理、读数、判断分析等，除了必要的文字和图像之外既要有求助或教程插入引导方式，还要考虑避错警告，使学生不需浪费大量训练时间试错，这时可采用有限选择提示或排他提示；对于维护类操作采用操作演示，视频、动画、图片文字均可。作为国家技能要求的技能点，各种尺寸和误差的测量方法、各种形位误差的测量方法等，必须在软件的使用中体现。如正确使用工具类的游标卡尺、千分尺，指示表类的千分表和内径表，其他工具如水平仪、量规塞规等；形位误差中的直线度、圆柱度、平行度、同轴度等测量操作则通过轴类、盖类、支架类和箱体类典型零件的测量、调整和维修过程训练学生，以达到掌握这些技能的目的。

2.3.2提示系统设计提示信息是对操作输入信息的及时反馈，可以保证操作能够沿着正确的既定方向进行，提示信息可以是肯定鼓励，大多则是引导或纠错。提示系统采用菜单选择、命令输入、数据显示或其他方式。应保证提示信息显示方式与数据输入方式的协调一致，尽量减少用户输入的动作，隐藏当前状态下不可选用的命令，允许用户自选输入方式，能够删除无现实意义的输入，允许用户控制交互过程。用户求助作为提示系统的补充，可以被用户激活，宜采用集成式，避免叠加式系统导致用户求助某项指南而不得不浏览大量的无关信息。

2.4考核系统设计考核系统是软件教育性体现的重要方面，也是完成教学内容的必需环节。

2.4.1明确本专业职业基本技能、岗位技能和拓展技能考核目标这是所有学习和训练过程的目标，将国家高级钳工、装配钳工、维修调试工等相近工种的技能要求作为参考融入培养目标点，从而得到技能考核组成框架。这些技能可以按照重要性分等级编号，在虚拟实训软件实现时按照重要等级顺序考虑实现。

2.4.2与企业技术人员和实训指导老师磨合考核操作要点现行企业操作规程是操作要点的蓝本。操作要点的选择首先要考虑企业的实际需要，但企业要求的技能操作点有可能是片面的，没有考虑学生综合素质的提高，不利于学生的长期发展，所以需要兼顾学生分析及解决问题能力的提高、理论与实际相结合水平的提高，以及职业素养和未来技术水平的提高等操作要点。例如在SL208数控车床的虚拟实训项目中，我们提出不仅要训练学生正确规范的拆装操作，还要进行测量调试环节的操作，因此重点设计了Z轴丝杠部件的装调操作，其中，对驱动端和支撑端两个轴承座的装配需要预装配，然后使用千分表检测验棒轴线跳动，根据跳动的误差种类和大小，采用合理的刮研方式进行修配，从而达到精度要求。企业技术人员只给出粗放的经验式操作步骤，我们则在操作过程中加入了更多知识点原理的讲解和自由操作交互，训练学生自主探索轴线误差与刮研方式正确性的关联，经过训练，学生能够掌握区分修配驱动端或支撑端轴承座前底面还是后底面的必要条件，而不是简单的尝试操作。

2.4.3考核评价实训的考核评价模式有传统式的百分扣分制和当今许多游戏采取的累计积分分级制两种模式，为了更好地调动学生学习的积极性，激发学生的学习热情，顺应学生操作一般游戏软件的习惯，最终决定采用累计积分分级制模式。

2.4.4脚本开发详细设计阶段就是制定开发方案、编制场景和操作程序脚本，进行代码编写。开发方案最基础的内容是开发平台，经过调研和比较选择目前主流的虚拟场景开发工具UNITY3D，参照《辽宁省职业教育数字教学资源建设指南》确定各项技术参数。开发过程分为两个阶段，第一阶段是拆卸与测绘建模阶段，机修专业的学生需全程参与这个环节；第二阶段将涵盖知识点、操作要点的操作程序转化为实训场景和交互，这就需要编制脚本，脚本开发见表1。

2.5收集素材，完善课程软件开发后，还需进一步收集教学资源素材，将互动软件进阶成为一门课程。本虚拟实训软件设有教学和自主训练两个模式，选择自主训练模式时是学生自学过程，需要必要的知识讲解，我们设计在关键操作步骤间或新知识点出现时，添加教学课件或其他教学资源，真正让学生做到在“做中学、做中教”。允许学生犯错也是自学模式下必须满足的条件之一，这就需要软件具有识错纠错功能。考核环节中也有传统的判断或选择题，建立可扩充的试题库以备调用，将考核体系完善为理论和操作结合在一起的综合考核体系。采用虚拟实训软件后，尤其是将基础教学素材加入软件后，课程配套的教材、课程标准也应做必要的调整，根据项目教学法的实际需要，将教材设计为以工作册页为主线的软件操作辅助文本教程，学生通过各种方式，包括从软件自学途径完成工作册页的填写，从而强化教学内容。软件的设计开发不是一成不变的，要随着教学环境及教学要求的变化，不断地进行完善和改进，做到精益求精。例如，用于高精度测量的激光干涉仪教具的虚拟操作使用，即是我校购置了一台激光干涉仪后增加进来的新内容。因此，只有不断地满足用户的需求、教学要求，不断地完善和改进虚拟实训软件，才能更好地为教学服务。

3结束语

作为我校探索开发的虚拟化实训软件，在开发完成后已经在相关专业开始使用，并取得了很好的教学效果，学生使用的热情高，学习兴趣浓，对课程内容的掌握程度也比以前有了大幅提高。由于该软件开发的重点大多集中在专业领域上，对于软件本身的技术细节（如界面等）还需要在今后的升级中不断完善。

作者：任新刚 单位：鞍山技师学院机械系