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虚拟现实课程

论文关键词：水力机械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、现代管理、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。

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，制作成本低，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(VirtuaIRealityModelingLanguage，虚

拟现实建模语言)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，也是实现计算机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unigraphic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机械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计算机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

床和加工环境，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