关于虚拟现实技术在水力机械制造工艺课程中的应用

黄豆豆

　　论文关键词：水力  制造工艺  虚拟现实技术

　　论文摘要：水力机械制造工艺是水力机械及工程专业方向学生的一门重要的专业必修课。由于该课程实践性强的特点，在教学过程中引入虚拟现实技术就具有十分重要的意义。水力机械制造工艺课程教学中应用虚拟现实技术再现了真实的零件结构、零部件的装配过程和典型零件的数控加 工过程，对改进教学效果起到 了一定的作用。同时，本文提出了今后在课程建设 中完善的方向。对其它同类课程的教学具有一定的参考价值。

　　水力机械制造工艺是热能与动力工程专业水力机械及工程方向学生的一门重要的专业必修课。根据该专业本科培养目标，要求学生具有宽广的理论基础、较强创新能力和适应能力，能在流体机械及工程等部门从事开发、研究、设计、运行、现代 、科学研究、教学等方面的工作。事实上，近三年该专业的毕业生就业率均保持了较高水平，水力机械及工程专业方向的学生到专业对口部门的占到了 70％ 以上，而这些毕业生所从事的主要工作就是水力机械的设计与制造。由此可以看出，学生如果能在在校期间掌握好流体机械特别是水力机械制造工艺的相关知识，将对他们今后的工作大有裨益，这将促进他们将理论知识 和生产实际相结合以增强他们工作岗位的适应能力。

　　水力机械制造工艺是一门实践性很强的课程，所涉及的相关基础理论、基础知识也相当广泛。根据教学大纲的安排，该门课程应在学生学习完流体力学、工程、机械工程基础、流体机械原理、流体机械结构及强度等课程的基础上开设。在教学过程中最好能够在学习该门理论课程的同时到水力机械制造厂参观，这将有助于学生建立起对加工设备、加工零件、加工的感性认识，提高教学效果。但是实际教学过程中，没有条件能够达到这样的要求。况且大中型的水轮机零部件尺寸较大、结构复杂，加工制造工艺涉及的问题较多，即使是到专业的水力机械生产厂的加工现场也很难对其结构和加工过程有全面深人的了解。因此，按照传统的教学方法和手段，让学生通过书本上的插图对所学的对象，如零件、加工设备、设备等进行了解，学生很难有深刻的认识 ，况且部分插图书中没有附上，结果制造工艺课程学完了，部分学生到了工厂还是会把车床误认为铣床，一些专业典型零件也看似很陌生，由此可见传统的教学手段取得的效果并不理想，学生并不能将课堂所学与实际有机联系起来。为此，我们将虚拟现实技术引入到水力机械制造工艺的教学中，将抽象的零件和加工过程形象化，以帮助学生直观地观察零件结构，理清零部件的装配关系，进一步理解结构设计与加工工艺的关系，并将加工过程中所涉及工装夹具、机床、刀具等素材通过虚拟现实技术融入到教学课件中，从而缩短理论与实际的距离。

　　虚拟现实技术是近年来发展起来的新兴技术 ，在各个领域逐步得以开发应用。根据沉浸程度的不同，可将虚拟现实分为桌面式、大屏幕式、沉浸式和舱室仿真器四种类型…。其中桌面虚拟现实是一种初级的虚拟现实，它的沉浸度差，但最为简单，制作低，易于普及和实现。本课程教学中使用的仿真系统就是采用 VRML (VirtuaI RealityModeling Language，虚拟现实建模)开发的桌面式虚拟现实仿真系统，以配有高性能的图形加速卡的 Pc机为开发平台，其性能能够满足系统实时性的要求。虚拟现实技术在最近十几年得到了飞速的发展，由于其特有的仿真特性，如沉浸感、时实交互性、想象力和三维图形等，它正在成为解决工程问题 的一种重要方法，也是实现辅助教学 的重要 手段。

　　在水力机械制造工艺课程教学中，为了真实地再现水力机械典型零部件的结构，我们采用了功能强大的 CAD／cAM一体化软件 unigraphics 进行零件的三维建模，以 word的格式输出，再利用 VRML对各零件的显示颜色、材质、光照等进行渲染 ，这样就可以利用安装了 Cortona插件的 IE浏览器进行零件的浏览了，从而脱离了复杂的 UG软件环境。在浏览器里可以通过插件上的控件对三维模型进行旋转、平移、放大等操作，帮助学生全方位 的了解课程中所讨论的对象，增强学生的感性认识。图 1、2分别为水轮机座环和水轮机顶盖的三维模型，在讲解到此类典型环形类零件的加工时，就可以通过旋转放大等操作全方位地浏览三维模型，比较它们结构上的异同，深入理解结构设计的正确性和合理性，认清关键加工部位，为拟订高效合理的加工工艺方案奠定基础。

　　水力机组装配与一般的产品相比有其特殊性，即在制造厂仅能完成重要部件的预装配，而整台机组的装配是在水电站完成的。对于大型电站，安装周期较长，水轮机的许多零部件被安装在机坑里，对于在校学生来说很难有机会全面地看清楚其内部结构及各零部件的空间位置关系。为此，我们采用虚拟现实技术和仿真技术相结合开发了水轮发电机组检修仿真系统  ，帮助学生从不同的角度观察各零部件的三维实体模型及零部件之间的空间位置关系、联接关系等 (如图 3所示)，了解水力机组安装过程中零件的安装先后顺序和相关的技术要求，有利于学生了解和制定合理高效的装配方案，将理论与实际有机的结合起来。利用 Java编程实现简单的人机交互功能。图 4为水轮机水导轴承动态仿真装配过程截取图，在进入装配场景后，点击启停按钮，动态装配过程即呈现在窗 口中，视图左边显示的是水导轴承安装步骤，这样学生不用到水电站或制造厂装配现场就能较直观地学习水轮发电机组各部件的装配工艺规范，有利于提高教学效果。

　　

　　随着生产技术的不断发展，水力机械的制造也沿着数字化的方向不断发展 ，水力机械许多曲面类零件均采用数控方法加工。在实际教学中，我们采用专业的加工仿真软件 Vericut 逼真地再现了实际加工工件、加工机床和加工  ，对加工过程中可能存在的问题进行检测 ，让学生在课堂上就能对加工制造过程有全面的认识。Vedcut 采用了先进的三维显示及虚拟现实技术，对数控加工过程的模拟达到了极其逼真的程度。特别是在叶片类曲面加工过程中，如何确定合理的加工参数 (刀具形状与尺寸 、刀具相对加工表面的姿态、走刀路线、主轴速度、切削深度和进给速度等)以适应加工过程中叶片曲面形状的变化对提高加工精度变得非常重要，这些都可以通过加工仿真软件在教学过程中形象生动地展现在学生面前 (如图5所示)。但是目前这部分的工作还处于起步阶段，只能在课堂上做部分演示，有待进一步完善。今后在条件允许的时候，可以在理论教学完成以后，让学生自行建立零件 、机床的三维模型，模拟水力机械典型零件的加工 ，从而帮助学生将课堂中所学的理论知识转化为生产实践。

　　

　　虚拟现实技术现已延伸到许多领域，它的发展不仅仅依赖于相关软硬件的发展，而是更多地取决于该技术为实际问题提供低高效率的解决方案的能力。虚拟现实技术应用到水力机械制造工艺课程的教学中，逼真生动地再现了真实的零件结构、零部件的装配过程和典型零件的数控加工过程，学生通过这些虚拟现实环境就能够从形象化的角度理解零件从设计、毛坯形式、安装定位、加工、装配、质量检查等各个环节，提高了学生的学 习兴趣 ，从而强化了理论知识的学习，对提高教学效果起到了重要作用。

　　参考文献：

　　[1]王桃，赖喜德，刘小兵，等．基于虚拟现实技术的水轮发电机组检修多媒体仿真系统[J]．兵工自动化，2003，22(6)：19—20．

　　[2]王桃，刘小兵，赖喜德，等．宝珠寺水电厂水轮发电机组检修多媒体仿真系统的研制[J]．大电机技术，2005(7)：45—47．

　　[3]李云龙，曹岩．数控机床加工仿真系统 VERIcuT[M]．西安：西安大学出版社，2005．