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關(guān)于虛擬現實(shí)技術(shù)在水力機械制造工藝課程中的應用
論文關(guān)鍵詞：水力 制造工藝 虛擬現實(shí)技術(shù)
論文摘要：水力機械制造工藝是水力機械及工程專(zhuān)業(yè)方向學(xué)生的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)必修課。由于該課程實(shí)踐性強的特點(diǎn)，在教學(xué)過(guò)程中引入虛擬現實(shí)技術(shù)就具有十分重要的意義。水力機械制造工藝課程教學(xué)中應用虛擬現實(shí)技術(shù)再現了真實(shí)的零件結構、零部件的裝配過(guò)程和典型零件的數控加 工過(guò)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 中完善的方向。對其它同類(lèi)課程的教學(xué)具有一定的參考價(jià)值。
水力機械制造工藝是熱能與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)水力機械及工程方向學(xué)生的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)必修課。根據該專(zhuān)業(yè)本科培養目標，要求學(xué)生具有寬廣的理論基礎、較強創(chuàng )新能力和適應能力，能在流體機械及工程等部門(mén)從事開(kāi)發(fā)、研究、設計、運行、現代 、科學(xué)研究、教學(xué)等方面的工作。事實(shí)上，近三年該專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)生就業(yè)率均保持了較高水平，水力機械及工程專(zhuān)業(yè)方向的學(xué)生到專(zhuān)業(yè)對口部門(mén)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械的設計與制造。由此可以看出，學(xué)生如果能在在校期間掌握好流體機械特別是水力機械制造工藝的相關(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)際相結合以增強他們工作崗位的適應能力。
水力機械制造工藝是一門(mén)實(shí)踐性很強的課程，所涉及的相關(guān)基礎理論、基礎知識也相當廣泛。根據教學(xué)大綱的安排，該門(mén)課程應在學(xué)生學(xué)習完流體力學(xué)、工程、機械工程基礎、流體機械原理、流體機械結構及強度等課程的基礎上開(kāi)設。在教學(xué)過(guò)程中最好能夠在學(xué)習該門(mén)理論課程的同時(shí)到水力機械制造廠(chǎng)參觀(guān)，這將有助于學(xué)生建立起對加工設備、加工零件、加工的感性認識，提高教學(xué)效果。但是實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，沒(méi)有條件能夠達到這樣的要求。況且大中型的水輪機零部件尺寸較大、結構復雜，加工制造工藝涉及的問(wèn)題較多，即使是到專(zhuān)業(yè)的水力機械生產(chǎn)廠(chǎng)的加工現場(chǎng)也很難對其結構和加工過(guò)程有全面深人的了解。因此，按照傳統的教學(xué)方法和手段，讓學(xué)生通過(guò)書(shū)本上的插圖對所學(xué)的對象，如零件、加工設備、設備等進(jìn)行了解，學(xué)生很難有深刻的認識 ，況且部分插圖書(shū)中沒(méi)有附上，結果制造工藝課程學(xué)完了，部分學(xué)生到了工廠(chǎng)還是會(huì )把車(chē)床誤認為銑床，一些專(zhuān)業(yè)典型零件也看似很陌生，由此可見(jiàn)傳統的教學(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)際有機聯(lián)系起來(lái)。為此，我們將虛擬現實(shí)技術(shù)引入到水力機械制造工藝的教學(xué)中，將抽象的零件和加工過(guò)程形象化，以幫助學(xué)生直觀(guān)地觀(guān)察零件結構，理清零部件的裝配關(guān)系，進(jìn)一步理解結構設計與加工工藝的關(guān)系，并將加工過(guò)程中所涉及工裝夾具、機床、刀具等素材通過(guò)虛擬現實(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。
虛擬現實(shí)技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù) ，在各個(gè)領(lǐng)域逐步得以開(kāi)發(fā)應用。根據沉浸程度的不同，可將虛擬現實(shí)分為桌面式、大屏幕式、沉浸式和艙室仿真器四種類(lèi)型…。其中桌面虛擬現實(shí)是一種初級的虛擬現實(shí)，它的沉浸度差，但最為簡(jiǎn)單，制作低，易于普及和實(shí)現。本課程教學(xué)中使用的仿真系統就是采用 VRML (VirtuaI RealityModeling Language，虛擬現實(shí)建模)開(kāi)發(fā)的桌面式虛擬現實(shí)仿真系統，以配有高性能的圖形加速卡的 Pc機為開(kāi)發(fā)平臺，其性能能夠滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)性的要求。虛擬現實(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(wèn)題 的一種重要方法，也是實(shí)現輔助教學(xué) 的重要 手段。
在水力機械制造工藝課程教學(xué)中，為了真實(shí)地再現水力機械典型零部件的結構，我們采用了功能強大的 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，從而脫離了復雜的 UG軟件環(huán)境。在瀏覽器里可以通過(guò)插件上的控件對三維模型進(jìn)行旋轉、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，增強學(xué)生的感性認識。圖 1、2分別為水輪機座環(huán)和水輪機頂蓋的三維模型，在講解到此類(lèi)典型環(huán)形類(lèi)零件的加工時(shí)，就可以通過(guò)旋轉放大等操作全方位地瀏覽三維模型，比較它們結構上的異同，深入理解結構設計的正確性和合理性，認清關(guān)鍵加工部位，為擬訂高效合理的加工工藝方案奠定基礎。
水力機組裝配與一般的產(chǎn)品相比有其特殊性，即在制造廠(chǎng)僅能完成重要部件的預裝配，而整臺機組的裝配是在水電站完成的。對于大型電站，安裝周期較長(cháng)，水輪機的許多零部件被安裝在機坑里，對于在校學(xué)生來(lái)說(shuō)很難有機會(huì )全面地看清楚其內部結構及各零部件的空間位置關(guān)系。為此，我們采用虛擬現實(shí)技術(shù)和仿真技術(shù)相結合開(kāi)發(fā)了水輪發(fā)電機組檢修仿真系統 ，幫助學(xué)生從不同的角度觀(guān)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)，了解水力機組安裝過(guò)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)際有機的結合起來(lái)。利用 Java編程實(shí)現簡(jiǎn)單的人機交互功能。圖 4為水輪機水導軸承動(dòng)態(tài)仿真裝配過(guò)程截取圖，在進(jìn)入裝配場(chǎng)景后，點(diǎn)擊啟停按鈕，動(dòng)態(tài)裝配過(guò)程即呈現在窗 口中，視圖左邊顯示的是水導軸承安裝步驟，這樣學(xué)生不用到水電站或制造廠(chǎng)裝配現場(chǎng)就能較直觀(guān)地學(xué)習水輪發(fā)電機組各部件的裝配工藝規范，有利于提高教學(xué)效果。
隨著(zhù)生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，水力機械的制造也沿著(zhù)數字化的方向不斷發(fā)展 ，水力機械許多曲面類(lèi)零件均采用數控方法加工。在實(shí)際教學(xué)中，我們采用專(zhuān)業(yè)的加工仿真軟件 Vericut 逼真地再現了實(shí)際加工工件、加工機床和加工 ，對加工過(guò)程中可能存在的問(wèn)題進(jìn)行檢測 ，讓學(xué)生在課堂上就能對加工制造過(guò)程有全面的認識。Vedcut 采用了先進(jìn)的三維顯示及虛擬現實(shí)技術(shù)，對數控加工過(guò)程的模擬達到了極其逼真的程度。特別是在葉片類(lèi)曲面加工過(guò)程中，如何確定合理的加工參數 (刀具形狀與尺寸 、刀具相對加工表面的姿態(tài)、走刀路線(xiàn)、主軸速度、切削深度和進(jìn)給速度等)以適應加工過(guò)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(guò)加工仿真軟件在教學(xué)過(guò)程中形象生動(dòng)地展現在學(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 、機床的三維模型，模擬水力機械典型零件的加工 ，從而幫助學(xué)生將課堂中所學(xué)的理論知識轉化為生產(chǎn)實(shí)踐。
虛擬現實(shí)技術(shù)現已延伸到許多領(lǐng)域，它的發(fā)展不僅僅依賴(lài)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(wèn)題提供低高效率的解決方案的能力。虛擬現實(shí)技術(shù)應用到水力機械制造工藝課程的教學(xué)中，逼真生動(dòng)地再現了真實(shí)的零件結構、零部件的裝配過(guò)程和典型零件的數控加工過(guò)程，學(xué)生通過(guò)這些虛擬現實(shí)環(huán)境就能夠從形象化的角度理解零件從設計、毛坯形式、安裝定位、加工、裝配、質(zhì)量檢查等各個(gè)環(huán)節，提高了學(xué)生的學(xué) 習興趣 ，從而強化了理論知識的學(xué)習，對提高教學(xué)效果起到了重要作用。
參考文獻：
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