基于VR的针刺机虚拟仿真实验教学系统
崔江红1，吴孔燃1，张海城2，杜虹1，张素香1，裴少婧1，赵成浩2，钟奇2
（1.中原工学院，郑州450007；2.珠海格力电器股份有限公司，广东珠海519070）
摘要：研发设计了一套能满足教学、实验用的虚拟仿真实验系统。用户可以在该虚拟仿真系统交互式完成针刺机机械结构拆装及针刺工艺实验，可以作为《机械设计》《互换性与测量技术基础》《机械制造技术》等课程直观展示的教学案例，也可做为教师、研究生及本科生的科研平台，在人机交互下有效开展针刺机工艺参数设定、非织造材料产品实现工艺研究等。关键词：虚拟仿真实验；实验教学系统；针刺机虚拟仿真；虚拟仿真技术（VR技术）
中图分类号:：G642.0文献标志码:A文章编号：1002-2333（2021）03-0026-04 Virtual Simulation Experiment Teaching System of Needle Machine Based on VR CUI Jianghong1,WU Kongran1,ZHANG Haicheng2,DU Hong1,ZHANG Suxiang1,PEI Shaojing1,
ZHAO Chenghao2,ZHONG Qi2
（1.Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou450007,China;2.Zhuhai Gree Electric Appliance Co.,Ltd.,Zhuhai519070,China）Abstract:A set of virtual simulation experiment system that can satisfy tea
ching and experiment is developed and designed.Users can interactively complete the mechanical structure disassembly and needle process experiments of the
needle machine in this virtual simulation system,which can be used as a visual demonstration of courses such as" Mechanical Design","Interchangeability and Measurement Technology Fundamentals","Machinery Manufacturing Technology",etc.The teaching case can also be used as a scientific research platform for teachers,graduate students and undergraduates.Under the human-computer interaction,it can effectively carry out the process parameter setting of needle machine and the realization process research of non-woven material products.
Keywords:virtual simulation experiment;experimental teaching system;virtual simulation of needle machine;VR technology
0引言
多年来的传统教学模式，让大多数学生对所学知识的认识仅仅拘泥于课堂与书本，不能掌握自己所学的东西，更别说对其产生兴趣。随着计算机、网络技术的飞速发展，以网络为基础实现理论联系实际、提高学生动手能力和创新思维的虚拟仿真教学方式已成为当今教学的主流趋势。
非织造材料也叫“无纺布”，是纺织行业的“朝阳产业”。随着非织造材料在各行各业中越来越广泛的应用，人们对高质量的非织造材料需求量也越来越大。在非织造布机械中，用针刺法得到非织造材料的方法，占到非织造机械的40%。为凸显纺织机械特，以研制的教学科研打小样用针刺机实物模型为基础，在实验室引进的虚拟仿真实验室平台上，研发、设计一个打通机自、机电、车辆等机械类专业学生从机械基础课到机械专业课乃至机械设计、毕业设计等理论与实践的教学环节，以及能为教师提供科研平台的基于虚拟仿真设计的针刺机教学系统，有效提升学生实践动手能力，让科研实验课堂教学变得更加高效，同时也可以为教师科研制作少量新纤维非织造材料提供保障。1现状分析
1.1纺织机械类课程教学现状
纺织工业是我国国民经济的传统产业也是重要的民生产业，在国际竞争中优势明显。随着非织材料的快速发展，我国非织造材料机械制造企业的技术水平也有了较大的提升，缩短了与国外先进水平的差距。目前，我国已能生产大部分非织造材料生产用的单机和生产线。
从当前针刺机的发展现状分析，在生产中大都以大型工业针刺机为主，不仅机器幅宽大、速度高，而且一般是多台单元机组成的流水生产线，占地面积大，避免飞针伤人等设备不仅不便于学生实验，更不便于手动拆卸，因此在当今纺织机械教学过程中，学生最多在指导老师讲解下进行或有的仅仅是走马观花地到企业现场参观一下，对纺织机械的学习主要还是通过课堂教师讲授及书本了解，对纺织机械内部结构认识肤浅，学生实验动手能力及学习积极性难以提高。
1.2虚拟仿真技术现状
虚拟仿真技术（VR技术）又称为虚拟现实技术或模拟技术，这项技术是从20世纪80年代开始发展的综合集成技术，它包含计算机图像学、人机交互技术、传感技术、人工智能等先进技术，近些年来VR技术在我国得到了快速的发展，在2016年VR技术被正式列为我国《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录（2016版）》。经过近些年
基金项目:2019年度河南省虚拟仿真实验项目（教办高〔2019〕369号）
图3
针刺机三维模型图
的发展，在控制成本的前提下，VR 硬件技术日趋成熟，VR 技术人才也不断涌现，VR 市场正呈现着一片欣欣向荣的景象。目前，VR 技术因其特有的沉浸性、交互性、虚幻性、逼真性等特性，被广泛应用于游戏、影视、房地产等领域，同时，VR 技术在如建筑、机械等工科性较强的学科中也有着质的突破。
随着信息技术、网络技术及高科技技术的发展，虚拟仿真技术已逐步开始运用到生活和行业的各个方面，目前市场对该项技术需求广泛。虚拟仿真技术的出现使建立基于VR 的虚实结合的实验教学平台，
实现学生沉浸式、交互式实验教学模式的创新，实现高等教育实验教学模式的智能化、网络化成为可能。2设计方案
为将针刺机搬进课堂教学与科研实验中，利用虚拟仿真技术（VR 技术）打造出针刺机虚拟仿真实验平台。通过对国内知名网站虚拟仿真实验的调研和学习，发现将三维模型有机导入该平台并通过VC++编程可以建立与VR 技术的无缝链接，通过设定和改变针刺工艺参数，不仅可以完成科研工作，还能辅助教师、学生直观教学演示和了解针刺机机构及装配。实验过程可采用线上IP 网址fzzc.zut.edu:900/ZYGXY/index.html （谷歌浏览器）进行开放式线上网络化的教学模式，同时，利用VR 实验室线下现场教学两种模式达到资源共享、节能环保的目
流程如图1针刺机模针刺机主由3个部分刺主机构、与主轴相连从而把动力传递给主轴并使主轴转动。主轴上有偏心轮，偏心轮与连杆相连，把主轴的旋转运动变成了连杆的往复直线运动。同时连杆又通过针梁与针板相连，针板上带有一定植针密度的刺针，从而实现针板刺针的往复直线运动。纤维网放在针刺主机构的拨网板和托网板之间，通过喂入输出机构，送入针刺机的针刺区，通过针刺主机构带动针板往复运动，使刺针在杂乱无章的纤维中反复穿插对纤网进行固结而形成了具有一定针密及强力的非织造材料或非织造布。3.1
纤维喂入、输出机构设计
无纺布是一种不需要纺纱织布而形成的织物，只需将纺织短纤维（或长丝）进行定向或随机撑列，形成纤网结构，然后采用机械、热粘或化学等方法加固而成。设计通
过链传动带动的喂入、输出辊子，将梳理好的纤维网喂入针刺结构，有效起到收拢纤维的作用，通过输出机构将针刺后的纤维网输出，通过变频器可以实现喂入、输出纤维速度的调节。由于不同非织造材料产品的植针密度及强力等要求不同，通过合理配置针刺频率和喂入、输出速度等工艺参数，就可以得到不同的非织造材料。3.2
针刺机主机构设计
该针刺机主轴采用直轴式结构，通过主轴转动，带动针板针梁完成上下穿刺运动。在靠近主轴的位置安装有平衡轮，用来平衡主轴在运转中所产生的额外的不平衡力。并在平衡轮的一侧设计两个螺钉孔，起到在误差允许的范围内通过增加或减少配重对主轴的动平衡进行微调的作用。在平衡轮的左右两端设计一对偏心轮，通过偏心轮的偏心量决定针刺机动程。在偏心轮上安装滚针轴承，使滚针轴承外圈与连杆相连。而导杆的一端与连杆连接，另一端与针梁相连，刺针的刺柄安装在针梁和针板之间，用于固定刺针，在导杆的中间部分装有中间板，用来保持针梁针板部分稳定的上下运动，如图2所示。利用SolidWorks 软件完成针刺机模型的建模，建模结果如图3
根据以上结构，借助工业针刺机的设计经验，设计出一台实用型小型教学针刺机。该针刺机构主要部件
由主
图1
针刺机虚拟仿真实验平台设计流程图图2
针刺主机构设计
设备调研
SolidWorks 三维模型制作
Photoshop 模型贴图
VC++编程
ideaVR 开发
组界添加动画制作场景制作交互设计学习编程的单机游戏
图7针刺机虚拟仿真实验平台系统功能结构
针刺机虚拟仿真实验平台功能登录功
能模块实验功能模块数据记录模块考核功能模块
学生登录教师登录实验介绍模型拆卸实验演示数据采集曲线绘制
试题测试
成绩记录
轴、偏心轮、针梁、针板、刺针、剥网板和托网板组成，主轴上装有偏心轮和平衡机构，主轴转动带动偏心轮转动，针梁针板做上下往复运动，针板上的刺针反复穿刺纤维网，
纤维网得到加固。根据要求，设计出针刺宽度为300mm 、喂入量为0.6~15.0m/min 、针刺
频率为0~500r/min 、针密
为
300
枚/cm 2的针刺机实物
模型，如图4所示。
该小型针刺机适用于高校或科研院所量少的新纤维非织造材料试样试制，以及非织造工艺与设备课程的实验教学。形成的机械工程图样已打印并装订成册，已经作为互换性与测量技术基础课程、机械设计、机械制造技术相关课程的辅助实验教具，直观、真实、可视。该机已经作为科研实验平台投入使用，已经培养针刺机技术相关研究生2名、导师制本科生16名，并服务于教师、研究生针刺机及针刺非织造材料相关项目研究，下一步将逐步开展小幅面、脆性非织造材料的针刺工艺研究，以科研促进教学，教学相长。
4针刺机虚拟仿真实验教学系统设计4.1系统开发过程
将用SolidWorks 建好的针刺机模型导入ideaVR 软件中，通过ideaVR 软件完成针刺机材质的赋予及虚拟空间的建模。利用ideaVR 的材质编译器对针刺机模型赋予材料性质，通过对材质的修改，能实现模型质地、透明度、反射、泽、纹理等物理性质的表现，使模型更加逼真。同时利用ideaVR 虚拟空间的建模功能，通过对针刺机模型的测量，确立模型及工作台位置，模拟现实的灯光，彩及场景布置，对模型进行较为真实的渲染，结果如图利用ideaVR 软件中的动画编译器，对针刺机模型的安装与拆卸过程进行编译，完成模型的拆装动画并为交
互操作提供资源。同时利用动画编译器，制作针刺机运行时的动画，使学生对其工作过程有一个更直观
的了解。
在模型建立、场景渲染及动画制作等资源完成后，便可在ideaVR 中进行组件添加、第一视角漫游设置、数据库引用、脚本编写、UI 设计等交互方式，通过设置控制板，连接模型与控制手柄，使模型成为项目的对象，通过手柄可以控制实验中的一系列操作。4.2
系统结构设计
基于对国内外针刺机的调研与总结，针对现有针刺机体积庞大、成本高昂、无法与教学相结合的现状，运用虚拟仿真的技术打造一个成本低、可无限装拆的针刺机虚拟仿真实验室；采取人机交互方式辅助教师演示针刺机三维装配，帮助学生直观、感性了解机械结构设计方法；通过针刺频率、出布速度、步进量等针刺工艺参数的设置和改变，开展针刺机工艺实验研究及对针刺机的动态特性进行研究，系统结构如图6所示。4.3系统
功能设计
根据预期实验
课程内容，结合虚拟现实教学特点，确定针刺机虚拟仿真系统功能，如图7所示。将系统功能分为4个模块，具体内容如下：
1）用户登录模块。通过录入用户姓名、学号信息完成登陆，主要用于教师后期统计学生成绩，便于管理。2）实验功能模块。本模块涵盖了实验介绍、实验原理展示、模型拆卸、工艺参数调整等实验内容。
3）数据记录模块。主要实现实验数据测试及采集，根据实验数据绘制曲线特性图，分析曲线特点。
4）考核功能模块。针对实验知识点在系统中进行试
图4
针刺机实物图
图5
针刺机虚拟仿真实验教学平台效果图
图6针刺机虚拟仿真实验平台系统结构图
针刺机虚拟仿真实验平台
针
刺机拆卸实验
针刺机动态分析实验
针刺机工艺设置实验
题测验，试题由选择和判断组成，用户完成测验后根据登录信息生成记录成绩的本地文本文件。4.4
系统设计特性
该设计具有较强的人机交互性。虚拟实验平台具有操作简单、效果真实、图像清晰、不受时间空间的限制、结果直观、节约时间等特点，操作者可身临其境地进行实验操作，打破课堂以往狭窄地域性的限制，在虚拟环境中能不限时间、次数地进行实验，得到更加真实可靠的结果。同时，通过设置的考核功能模块，操作者可以反馈自己的学习情况，检验自己的学习成果。
该设计具有较强的沉浸感。通过虚拟仿真实验室，学生不再是一个观察者，而是一个虚拟世界中的“主人公”。在拆装实验中，学生利用手柄对针刺机进行拆卸和装配，能够清晰地观察到针刺机各个部分的结构，从而更好地理解针刺机的运行原理；在动态分析实验中，学生可以亲手改变参数，观测不同的结果，分析针刺机工艺。身临其境的操作方式能提升学生们的理解力与创造力，也会让学生对纺织机械不再枯燥乏味，提高学生的学习兴趣。5结语
为改变当今高校学生动手能力差的现象及培养创新型复合型人才，在研制成功一台窄幅、小型教学科研实验用针刺机实物样机基础上，利用虚拟仿真技术，在虚拟仿真实验室平台上研制出可沉浸、交互式的可拆卸针刺机机构，完成针刺机工艺实验并有实验报告及实验考核方式的针刺机虚拟仿真实验教学平台，通过线上、线下两种模式，可以实现轻松教学，夯实学生基础知识，打造纺织机械教学智能一体化。同时，掌握了物联网交互式实验技术及创新设计思维和理念，还可以移植到其他产品中，有效提高学生的设计和工程实践能力。
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（编辑邵明涛）
作者简介：崔江红（1967—），女，教授，硕士生导师，主要研究方向为纺
织机械及先进制造技术；
吴孔燃（1999—），男，本科生，机械设计制造及自动化专业。
收稿日期:2020-08-12
图4演化博弈复制动态和
稳定情况
ⅣⅠ
ⅡⅢ1
x
*
1x 系统主体质量和比例构不断优化并维
生态系统平稳健
结论
本文针对云制平台中供需主体
演化博弈问题进
为了分析参
与主体在云制造生态系统中的交互情况及博弈演化状态，对激励政策的执行和供需主体的行为进行了探讨。以演化博弈理论和主体行为为基础，分析了云制造生态系统主体类型及属性职责，建立了供需主体行为演化博弈模型，在此基础之上进行稳定策略分析，最后根据稳定策略分析结果给出了相关建议。
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（编辑
邵明涛）
作者简介：王蕾（1995—），女，硕士研究生，研究方向为云制造服务生
态系统；
董元发（1988—），男，博士，副教授，研究方向为虚拟设计与智能制造、人机共融等；
彭巍（1986—），男，博士，讲师，研究方向为云制造与智能制造。
收稿日期：2020-12-18
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