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關于虛擬現實技術在水力機械制造工藝課程中的應用
論文關鍵詞：水力 制造工藝 虛擬現實技術
論文摘要：水力機械制造工藝是水力機械及工程專業方向學生的一門重要的專業必修課。由于該課程實踐性強的特點，在教學過程中引入虛擬現實技術就具有十分重要的意義。水力機械制造工藝課程教學中應用虛擬現實技術再現了真實的零件結構、零部件的裝配過程和典型零件的數控加 工過程，對改進教學效果起到 了一定的作用。同時，本文提出了今后在課程建設 中完善的方向。對其它同類課程的教學具有一定的參考價值。
水力機械制造工藝是熱能與動力工程專業水力機械及工程方向學生的一門重要的專業必修課。根據該專業本科培養目標，要求學生具有寬廣的理論基礎、較強創新能力和適應能力，能在流體機械及工程等部門從事開發、研究、設計、運行、現代 、科學研究、教學等方面的工作。事實上，近三年該專業的畢業生就業率均保持了較高水平，水力機械及工程專業方向的學生到專業對口部門的占到了 70％ 以上，而這些畢業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知識，將對他們今后的工作大有裨益，這將促進他們將理論知識 和生產實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實踐性很強的課程，所涉及的相關基礎理論、基礎知識也相當廣泛。根據教學大綱的安排，該門課程應在學生學習完流體力學、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設。在教學過程中最好能夠在學習該門理論課程的同時到水力機械制造廠參觀，這將有助于學生建立起對加工設備、加工零件、加工的感性認識，提高教學效果。但是實際教學過程中，沒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題較多，即使是到專業的水力機械生產廠的加工現場也很難對其結構和加工過程有全面深人的了解。因此，按照傳統的教學方法和手段，讓學生通過書本上的插圖對所學的對象，如零件、加工設備、設備等進行了解，學生很難有深刻的認識 ，況且部分插圖書中沒有附上，結果制造工藝課程學完了，部分學生到了工廠還是會把車床誤認為銑床，一些專業典型零件也看似很陌生，由此可見傳統的教學手段取得的效果并不理想，學生并不能將課堂所學與實際有機聯系起來。為此，我們將虛擬現實技術引入到水力機械制造工藝的教學中，將抽象的零件和加工過程形象化，以幫助學生直觀地觀察零件結構，理清零部件的裝配關系，進一步理解結構設計與加工工藝的關系，并將加工過程中所涉及工裝夾具、機床、刀具等素材通過虛擬現實技術融入到教學課件中，從而縮短理論與實際的距離。
虛擬現實技術是近年來發展起來的新興技術 ，在各個領域逐步得以開發應用。根據沉浸程度的不同，可將虛擬現實分為桌面式、大屏幕式、沉浸式和艙室仿真器四種類型…。其中桌面虛擬現實是一種初級的虛擬現實，它的沉浸度差，但最為簡單，制作低，易于普及和實現。本課程教學中使用的仿真系統就是采用 VRML (VirtuaI RealityModeling Language，虛擬現實建模)開發的桌面式虛擬現實仿真系統，以配有高性能的圖形加速卡的 Pc機為開發平臺，其性能能夠滿足系統實時性的要求。虛擬現實技術在最近十幾年得到了飛速的發展，由于其特有的仿真特性，如沉浸感、時實交互性、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，也是實現輔助教學 的重要 手段。
在水力機械制造工藝課程教學中，為了真實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、光照等進行渲染 ，這樣就可以利用安裝了 Cortona插件的 IE瀏覽器進行零件的瀏覽了，從而脫離了復雜的 UG軟件環境。在瀏覽器里可以通過插件上的控件對三維模型進行旋轉、平移、放大等操作，幫助學生全方位 的了解課程中所討論的對象，增強學生的感性認識。圖 1、2分別為水輪機座環和水輪機頂蓋的三維模型，在講解到此類典型環形類零件的加工時，就可以通過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品相比有其特殊性，即在制造廠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，水輪機的許多零部件被安裝在機坑里，對于在校學生來說很難有機會全面地看清楚其內部結構及各零部件的空間位置關系。為此，我們采用虛擬現實技術和仿真技術相結合開發了水輪發電機組檢修仿真系統 ，幫助學生從不同的角度觀察各零部件的三維實體模型及零部件之間的空間位置關系、聯接關系等 (如圖 3所示)，了解水力機組安裝過程中零件的安裝先后順序和相關的技術要求，有利于學生了解和制定合理高效的裝配方案，將理論與實際有機的結合起來。利用 Java編程實現簡單的人機交互功能。圖 4為水輪機水導軸承動態仿真裝配過程截取圖，在進入裝配場景后，點擊啟停按鈕，動態裝配過程即呈現在窗 口中，視圖左邊顯示的是水導軸承安裝步驟，這樣學生不用到水電站或制造廠裝配現場就能較直觀地學習水輪發電機組各部件的裝配工藝規范，有利于提高教學效果。
隨著生產技術的不斷發展，水力機械的制造也沿著數字化的方向不斷發展 ，水力機械許多曲面類零件均采用數控方法加工。在實際教學中，我們采用專業的加工仿真軟件 Vericut 逼真地再現了實際加工工件、加工機床和加工 ，對加工過程中可能存在的問題進行檢測 ，讓學生在課堂上就能對加工制造過程有全面的認識。Vedcut 采用了先進的三維顯示及虛擬現實技術，對數控加工過程的模擬達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 (刀具形狀與尺寸 、刀具相對加工表面的姿態、走刀路線、主軸速度、切削深度和進給速度等)以適應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過程中形象生動地展現在學生面前 (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，有待進一步完善。今后在條件允許的時候，可以在理論教學完成以后，讓學生自行建立零件 、機床的三維模型，模擬水力機械典型零件的加工 ，從而幫助學生將課堂中所學的理論知識轉化為生產實踐。
虛擬現實技術現已延伸到許多領域，它的發展不僅僅依賴于相關軟硬件的發展，而是更多地取決于該技術為實際問題提供低高效率的解決方案的能力。虛擬現實技術應用到水力機械制造工藝課程的教學中，逼真生動地再現了真實的零件結構、零部件的裝配過程和典型零件的數控加工過程，學生通過這些虛擬現實環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、質量檢查等各個環節，提高了學生的學 習興趣 ，從而強化了理論知識的學習，對提高教學效果起到了重要作用。
參考文獻：
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