周乐 罗威 董文锋
摘 要：针对目前光电设备教学中存在的实物设备少、培训时间紧、训练内容难度大以及学员对于新型光电设备不熟悉、不敢用、不会用等问题，该文提出采用虚拟三维建模技术来辅助教学，分析了该技术在教学中的应用需求并介绍设计开发实现流程，最后采用该技术实现光电设备故障处理及维护模拟训练。
关键词：三维建模 教学 光电设备 模拟训练
中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）01（c）-0144-03
Abstract： With virtual three dimension modeling technique， this paper aim to solve the conflict of limited teaching device and training time in the course of optoelectronic device teaching which is considerably difficult for junior cadet. Application requirements of this technique and process of designing and developing are introduced. Finally， this technique is used to simulate trouble shooting training of optoelectronic device.
Key Words： Three dimension modeling； Teaching； Optoelectronic device； Simulation training
随着装备信息化程度的不断提高，基于前沿探测技术和干扰技术的光电设备越来越多地得到应用。光电设备具有功能模块单元多、光路结构精密以及装配连接复杂等特点，因而对光电设备的教学训练提出了更高的要求。
目前士官技师作为装备和技术保障的一线人才，存在着专业领域较窄、知识面不够宽广、前沿技术了解不够等突出问题。由于光电设备对光电技术原理基础要求较高，士官技师对于新型光电装备普遍不熟悉、不敢用、不会用，因而光电设备相关的院校教学和任职培训面临任务紧、需求大的现实要求。针对上述矛盾需求，该文提出采用虚拟三维建模技术来解决光电设备教学中所面临的现实难题。
1 虚拟三维建模技术在光电设备教学中的应用需求分析
目前对于光电设备教学培训面临着较大困难，主要表现在如下几个方面。
（1）目前使用的光电设备普遍价格昂贵，配发供教学使用的数量有限，学员在校学习期间安排的操作使用课时较少。在岗技师的装备学习往往仅凭借设备技术说明书和相关培训文档，在没有系统教学和指导的条件下，在岗位工作中重新学习认识设备单元及其器件，降低了学员培养的效益。
（2）光电设备属精密仪器设备，其中的光路和光学器件精密复杂，且一般需要密封安装，难以进行实物拆开单元讲解。而从事技术保障岗位的士官技师，对于设备实物特别是内部单元结构认识较浅，难以判断故障及其成因，因而无法对设备进行修理和有效维护。
（3）教学参考资料往往是机械设计二维平面图纸，对于复杂结构的光电设备没有空间可视性，教学使用不直观，也不便于空间想象力差的学员理解。而任职培训课时紧、信息量大，难以在有限的课堂教学时间内，达到使学员深入透彻理解前沿技术和设备的教学效果。
（4）教学训练缺乏对抗性和实战情景。通过虚拟技术虚拟对抗目标和对抗手段，可以设置交互性较强的对抗训练内容；立体维度包含声光视觉效果的情景能够有效地模拟实战环境，促进学员实战环境的认知和适应性。
随着虚拟现实、三维建模和仿真交互等技术的不断发展与应用，在传统课堂的演讲式教学方法基础上，辅以各种形式的现代教育技术，正逐步形成新的教学手段。采用计算机虚拟三维建模技术可以克服目前教学实装少、缺口大的问题，同时三维模型使得教学的内容更直观、更具启发性，虚拟现实技术还可以有效地帮助学员进行操作维护训练和对抗训练，因而可以有效地提高教学授课的效率与操作训练的质量。
2 光电设备虚拟三维模型设计开发与实现
这里以光电设备配电箱为例，介绍虚拟三维模型教学库的设计开发与实现过程：采用SolidWorks和CAD等建模软件建立设备单元与环境单元模型库（包括该配电箱的按钮、液晶屏显示、空气开关、拨动开关单元等），根据该设备结构以及训练科目要求采用虚拟现实软件3D-quest建立原型模型，然后添加设备运行数据以及环境和视觉合成数据到虚拟引擎中（如按钮和空气开关的拨动以及屏幕的数码显示等），最后采用桌面式虚拟现实集成系统来模拟设备工作状态，通过系统调试后，将不同的训练科目以及相关的数据进行存储归档便于后续的开发和应用，即可完成光电设备教学三维模型库的开发，如图1所示。
根据该开发流程进行光电设备配电箱的设计开发效果如图2所示。基于该模型即可以直观地进行该配电箱结构和功能模块以及操作流程的讲解，并可以结合3D-quest等虚拟现实软件引擎进行开关机流程及运行操作训练，使学员在虚拟模拟器上熟练掌握装备的操作要领。
3 模拟训练光电设备内部故障维修
采用虚拟三维模型技术并结合虚拟引擎可实现设备故障及维护维修训练。通过在光电设备各个单元的数据库中建立较为典型和常见的故障现象，在虚拟环境下利用动画视频、声音合成、仪表指示、对话框提示等方式来模拟操作维护及其效果，通过反复自主训练使学员能够掌握光电设备故障现象和排除方法的一般规律和特点。
光路传输装置一般结构复杂精密，表面密封，难以进行拆卸练习。图3为光路传输装置的虚拟三维模型，通过虚拟三维模型来模拟其详细的内部结构，使学员通过模型熟练掌握设备单元的内部结构及其主要特点，可模拟其中光电器件单元装配和维护的顺序、方法以及注意事项，通过反复自主的训练使学员掌握拆卸方法、器件特点以及维护要领。
如图4所示，可对其中的电机及轴连接部件设置故障现象并进行分析排故训练，通过模拟训练，可以熟练掌握设备各功能单元的常见故障现象及处理方法，从而能有效判断故障成因并进行针对性的修理和日常维护。
4 结语
针对目前光电设备教学中存在的教学条件限制与岗位任职能力要求之间的矛盾问题，提出了采用虚拟三维模型技术来进行光电设备的教学和模拟训练，有效提升了教学质量和学员岗位任职能力，为培养学生成为光电设备保障和维护技师打下良好基础。
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