产品制造工艺虚拟仿真教学平台的研究

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摘要：为辅助设计专业学生学习产品制造工艺知识，以仿真教学形式提高该类知识的易学性。分析了现有产品制造工艺仿真教学研究的不足，总结了以功能框架为导向的仿真教学平台设计方法以及交互功能实现流程，以木家具制造工艺教学课程为例，分析了该课程的知识教学体系，设计了该课程的三大功能教学模块，采用Unity3D引擎与Playmaker可视化编程插件设计实现了该仿真教学平台的原型。开发实现了教学仿真平台。该方法与开发流程可为产品制造工艺教学仿真平台研发提供参考。

关键词：设计方法 虚拟仿真教学 家具制造工艺 交互设计

中图分类号：TP391.9

文献标识码：A

文章编号：1003-0069 （2019） 06-0080-03

引言

在产品制造工艺教学中，由于学校资金投入的限制，难以满足学生现场学习所需要的设备或生产环境，学生的学习只能停留在理论知识上。随着虚拟现实技术的普及，虚拟仿真教学成为了解决当前受资金限制教学的新方法，并能取得较好的教学效果。近年来，国内关于产品制造工艺仿真教学的研究有很多。文献[1]使用Unity3D结合C#编程语言开发了船舶制造的虚拟仿真教学平台，阐述了平台的开发流程以及建模的相关规范。文献[2]结合教育学理论和VR教学理念开发了机械产品制造的教学案例，可实现理论与实践相结合的学习效果。文献[3]运用模块设计的思想开发了汽车发动机的加工工艺虚拟仿真平台，具有多功能模块，可实现Web環境下的浏览学习。文献[4]采用3DMax和VR-Platform平台搭建了化工虚拟仿真综合实训系统，可满足多专业、多人、多角色的训练。文献[5]利用Virtools可视化程序开发软件搭建了服装工艺教学与实训仿真平台，阐述了该平台的组织结构与内容。文献[6]针对锻造工艺的要求与流程设计了虚拟锻造工艺系统的交互模式，并采用Unity3D与JavaScript语言开发了自由锻造虚拟过程实例。文献[7]提出了虚拟仿真在生物工艺学的应用，阐述了虚拟仿真工艺的授课方式。文献[8]提出了钻探工艺仿真平台的建设目标与技术实现，为学生与教师设计了相应的功能模块。文献[9]结合车辆工程专业主干课程开发了车辆工程虚拟仿真实验教学平台。文献[10]在虚拟仿真工艺及虚拟仿真工程教学回顾中提到了前期国外对于虚拟仿真工艺教学中的研究主要在于利用不同平台及不同程度的技术，在特定工程学科教育背景下的仿真平台开发研究。

总的来说，国内外在虚拟仿真教学方面都取得了一些进展，但这些研究主要存在以下局限性：没有形成一套适用于产品制造工艺教学通用的平台建设体系;大多平台基于基础语言开发的，开发难度大、周期长，不适用于没编程技能的设计师进行平台的设计。本文提出了一种以功能框架为导向的产品制造工艺虚拟仿真教学平台的设计方法。基于Unity3D平台的可视化编程插件Playmaker给出了交互功能的实现流程，使设计师能简易完成仿真平台的原型设计。

一、平台的总体设计

产品制造工艺课程是一门综合性的实用技术学科，其具有工艺理论多、实践性很强的特点，所以在教学中单纯的以口头或多媒体授课在某些教学内容中难以传达和吸引学生。依据产品制造工艺的教学需求，结合可视化编程插件的特点，提出一种产品制造工艺虚拟仿真教学平台通用设计框架，并给出可视化编程实现交互功能的整体思路。

（一）平台的功能框架设计。本文中产品制造工艺虚拟仿真教学平台由五个应用层次组成，其中平台的功能框架层由其余四个层次以针对性的需求进行设置，从而形成一个分层次、有针对性的虚拟仿真教学平台功能体系，如图1所示。

用户对象层需要根据平台使用的不同用户对象设置相应的用户通道。每个学生的知识背景都有差异，以学生的学习需求为中心，设计针对性的学习资源。教师通道的设计为方便授课教师制定教学步骤、布置教学任务等，是学生与教师在平台上相互交流的有效手段。而管理员通道是管理员对学生与教师基本信息进行管理以及对平台维护。

在确定了教学对象后，利用虚拟现实的优势进行教学内容的虚拟设计，并对实践教学虚拟再现。虚拟仿真教学是以系统为中心的教学设计模式，在平台设计过程中需要考虑每个教学环节的内容设定，以虚拟环境的视角寻找解决教学问题的正确逻辑，避免以技术套教学内容的情况。

虚拟仿真教学依托VR技术、多媒体技术、人机交互技术以及数据库等，以构建起高度仿真的产品制造工艺环境，为达到教学目的往往需要结合教学内容，选择应用不同的技术以更好让学生对教学内容的认知与吸收。

底层数据层支撑起平台的各个功能模块，而教学内容依靠底层数据作为载体。设计师需要根据技术的应用选择表达教学内容的素材，并以虚拟仿真呈现的特点，设计出能有效传达内容知识的教学功能，满足教学的需求。

（二）交互功能实现思路。Unity3D中提供大量的第三方插件辅助虚拟仿真教学平台的开发，其中Playmaker是一款可视化编程插件，也是一个分层逻辑框架，设计师或程序员只需通过Playmaker中简单的状态机FSM便能高效率完成交互动作原型[11]。FSM可以将对象的复杂行为特征归纳为有限个不同的“状态”，然后为每个状态分别指定一些列“行为”让处于该状态的对象来执行，同时设置一些“条件”，当这些条件被满足时，对象便从当前状态跳转到另一个状态，由此带来其“行为”的改变。

整体交互实现流程可以归纳为，如图2所示，当用户通过输入设备向物体发送信息时（如鼠标按键的按下、滚轮波动等信息被输入），计算机接收指令并进行指令的逻辑判断，触发指定Events并通过该Events实现物体的状态改变。每个物体可以有多种状态，而每种状态都可以添加自己特殊的行为Action。Playmaker为开发者枚举了常用的所有行为，无需编写代码就能制作完整的平台交互功能，方便了设计师与程序员的沟通。

通过上述框架设计和功能实现思路，最终能为产品制造工艺虚拟仿真教学平台实现三方面基础功能：（1）加工产品的交互展示;（2）产品制造流程的动画展示;（3）加工设备的模拟操作。对三大模块功能的学习有助于学生对产品制造工艺概念的理解和制造工艺的掌握。

二、木家具制造工艺虚拟仿真教学平台的实现

本平台的目标是构建一个辅助学生学习木质家具的结构、部件加工工艺过程及装配练习的虚拟环境。目前国内有利用虚拟仿真技术检验木家具产品的可装配性研究，但主要面对的是家具生产行业的使用[12]。本虚拟仿真教学平台结合教学内容实际需要，设计了相应的功能模块，并阐述了平台交互功能实现的流程。

（一）功能模块设计。木家具制造工艺学是家具设计专业的一门基础核心课程，它是研究木家具生产制造过程中的材料、结构、零部件加工工艺及装配等主要内容，需要各种机械设备进行现场教学，一般学校由于资金投入的限制，教学只能停留在理论知识上[13-14]。本案例结合功能框架体系，设计了虚拟仿真教学平台的功能模块，如图3所示。

1.结构虚拟展示模块。木家具是由若干个零部件和配件按一定的结构形式通过一定的拼合方式组装而成的。该模块主要包含对木家具五个典型结构类型以及接合方式的学习，利于刚入门该课程的学生先了解不同的结构形式的家具。学生通过鼠标点击合并或拆装按钮查看结构的拼装动画，也可以结合鼠标对家具模型全视度交互，从而清晰查看结构与纹理细节，如图4所示。

2.加工工艺虚拟仿真模块。此模块是针对已入门基础的学生，利用三维可视化技术帮助他们深入一线了解木家具的制作流程，掌握木家具每个零部件从粗糙木材变成新颖家具的奇妙过程，从动画中学习生产工艺的基本原理，从而可以应对万变的加工工艺条件。该模块含有设备模型库，学生可以认识不同设备的名称、型号、性能和特点以及不同设备对应哪种加工工艺，如图5所示。

3.虚拟装配训练模块。在掌握加工工艺后，还需培养学生的识图能力和空间想象能力。该模块在于通过阅读图纸进一步分析研究家具的造型形态、比例尺寸、材料结构等特点，然后进行不同木家具结构的装配。学生以鼠标拖拽形式观察及拼接产品的零部件，在学习到课程知识之余还能真正体会到家具结构的魅力与文化，如图6所示。

（二）平台交互功能实现。本平台主要包括四个功能交互实现。首先，采用Playmaker状态机控制家具模型360度旋转的交互功能基本思路为：1.系统启动进入获取鼠标输入状态;2.当鼠标左键有按下并处于拖拽行为时发送Mouse Drag系统事件过渡到物体旋转状态;3.添加MouseLook动作并每帧监测鼠标行为事件;4.当鼠标释放便发送Mouse Up系统事件过渡回到获取鼠标状态。

鼠标滑轮控制物体大小变化的功能可以通过控制摄像机与物体距离来实现，基本思路归纳为：1.系统启动进入获取鼠标滑轮状态，得到滑轮轴的变化参数并存储于全局变量中;2.设置摄像机初始状态与变焦初始值;3.过渡到滑轮参数对比状态，判断滑轮滑动方向;4.计算摄像机变焦参数并移动到相应位置。状态机流程，如图7所示。

鼠标控制物体移动完成零部件装配原型设计整体思路为：1.获取鼠标按下事件，并发送事件至检查物体状态，存储鼠标所选择物体;2.获取鼠标再次按下的坐标位置，并发送事件至位置设置状态;3.将所选物体移动至存储的目标坐标位置，状态机整体流程，如图8所示。

木家具结构的拆装动画以及加工工艺动画采用GUI按钮控制播放。Playmaker为开发者提供了大量的动画Action，本平台采用的控制动画Action包括动画播放行为Play animation、回播行为Rewind Animation和停播行为Stop Animation。

三、木家具制造工艺虚拟仿真教学平台的教学实践

平台以16级工业设计专业本科生为评测载体，在家具设计课堂教学中让学生对教学平台进行现场实践，实践后将完成调查问卷并给出口头反馈。大部分学生对这次实践给予了较高评价，受到学生的欢迎。较多学生反馈平台生动形象的动画和有趣的操作过程相比书本和老师平时的讲授更清晰易懂，如木材的加工过程和一些复杂的家具结构都能“亲临现场”观看和拆装了"而部分学生对教学平台有不足的反馈也将记录以日后继续完善和修正。

结论

本文为产品制造虚拟仿真教学平台提出了通用的功能框架设计体系以及交互功能实现流程。在开发时，设计师可以借助Unity3D的Playmaker可视化编程插件，避免了基于基础语言开发的复杂编程过程。本文以木家具制造工艺虚拟仿真教学平台为案例开发，介绍了其设计过程及开发流程，以大三工业设计专业本科生为测评载体，对教学平台进行实践和反馈，大部分学生给出了较高评价，以验证了本研究提出的设计方法的可行性。.

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