虛擬現(xiàn)實技術(shù)在奔馳M274發(fā)動機(jī)氣缸蓋拆裝中的應(yīng)用

北京汽車技師學(xué)院 楊遠(yuǎn)滿，梁海鴿，鄭華磊

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）技術(shù)因其具有多感知性、沉浸感、交互性、想象性等特性而被廣泛應(yīng)用于科研、軍事、航天、醫(yī)學(xué)、教育、工程技術(shù)、影視娛樂等眾多領(lǐng)域。

在教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有廣泛的作用和影響力?；谔摂M現(xiàn)實技術(shù)所帶來的嶄新的教育模式，我們的教育理念和教育方法也在隨之變革，授課內(nèi)容通過大量詳實、生動、直觀的虛擬情節(jié)來表現(xiàn)，寓教于樂。本文以虛擬現(xiàn)實技術(shù)在奔馳M274發(fā)動機(jī)氣缸蓋拆裝中的應(yīng)用為例，以期拓展虛擬現(xiàn)實技術(shù)在職業(yè)教育中的應(yīng)用思路。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念及在汽車實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是在計算機(jī)硬件發(fā)展的基礎(chǔ)上，結(jié)合了計算機(jī)軟件資源和傳感器技術(shù)等形成的計算機(jī)仿真系統(tǒng)，具有仿真能力強(qiáng)、多傳感交互性等特點。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以生成一個具有逼真的視覺、聽覺、觸覺及嗅覺等的虛擬現(xiàn)實環(huán)境。人們可以通過在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的交互體驗，獲得與真實環(huán)境中相類似的體驗結(jié)果。

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在汽車實訓(xùn)教學(xué)中，能將學(xué)習(xí)內(nèi)容可視化、立體化、體驗化，可以讓學(xué)生體驗到目前的平面視頻所無法感受到的教學(xué)過程，適用于汽車發(fā)動機(jī)拆裝，變速器拆裝等汽車實訓(xùn)內(nèi)容。

在技工類院?；蛑懈呗氃盒Ｖ校l(fā)動機(jī)拆裝實訓(xùn)是汽車維修專業(yè)或汽車制造與裝配專業(yè)等汽車類相關(guān)專業(yè)的必修課。發(fā)動機(jī)拆裝實訓(xùn)使用的多是汽油發(fā)動機(jī)，具有零件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點。為了保證汽油發(fā)動機(jī)的正常工作，在零件的拆卸和安裝過程中有很多需要注意的特殊要求。例如，在拆卸氣缸蓋的過程中，拆卸氣缸蓋固定螺栓就需要按照規(guī)定的順序，由兩邊到中間，交叉著分2次～3次拆卸，以保證拆卸過程中發(fā)生的形變在允許范圍內(nèi)；氣缸蓋的固定螺栓在裝配時也需要按規(guī)定順序，由中間到兩邊，交叉著分2次～3次裝配，以保證裝配過程中發(fā)生的形變在允許范圍內(nèi)。在汽油發(fā)動機(jī)拆裝實訓(xùn)前，教師會跟學(xué)生詳細(xì)講解拆裝順序和拆裝注意事項，并提供拆裝任務(wù)工單，讓學(xué)生嚴(yán)格按要求拆裝，但在實際拆裝過程中仍會出現(xiàn)學(xué)生不按正確順序拆裝而損壞工具或螺栓的情況。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)根據(jù)氣缸蓋拆裝過程建立一個虛擬的拆裝系統(tǒng)可以有效幫助學(xué)生掌握氣缸蓋拆裝的重點和難點。學(xué)生可以通過該系統(tǒng)反復(fù)學(xué)習(xí)和演練拆裝過程，熟悉拆裝步驟后再對真實的發(fā)動機(jī)等設(shè)備進(jìn)行拆裝。

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)領(lǐng)域，是對教學(xué)模式的一種改革，不僅可以提升教學(xué)質(zhì)量，還可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，降低事故隱患。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在奔馳M274發(fā)動機(jī)氣缸蓋拆裝中的應(yīng)用

我們以奔馳M274發(fā)動機(jī)氣缸蓋拆裝為例，闡述在發(fā)動機(jī)拆裝實訓(xùn)中引入VR技術(shù)的特點和優(yōu)勢。

2.1 VR技術(shù)下奔馳M274發(fā)動機(jī)氣缸蓋拆卸

2.1.1 虛擬環(huán)境下奔馳M274發(fā)動機(jī)氣缸蓋拆卸說明

學(xué)生帶上VR眼鏡，手持VR手柄，點擊奔馳M274發(fā)動機(jī)拆裝軟件后進(jìn)入發(fā)動機(jī)拆裝虛擬環(huán)境。該虛擬環(huán)境的設(shè)計采用了我院實訓(xùn)車間的布局和奔馳4S店的環(huán)境因素，使學(xué)生在虛擬操作的過程中熟悉實訓(xùn)環(huán)境和未來的工作環(huán)境。

在虛擬環(huán)境下，待拆裝的發(fā)動機(jī)旁有一塊提示板（圖1），提示板上有拆裝步驟和使用工具提示，可以幫助初學(xué)者學(xué)習(xí)怎樣正確選擇和使用工具（圖2）。根據(jù)提示板的提示可知，拆裝奔馳M274發(fā)動機(jī)氣缸蓋固定螺栓需要用到扭力扳手、加長桿、E14號套筒、大轉(zhuǎn)中套筒等工具。由于氣缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜（裝有進(jìn)排氣氣門座、氣門導(dǎo)管孔、火花塞安裝孔等），要承受很大的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，對平面度的要求很高，為保證拆卸過程中發(fā)生的形變在允許范圍內(nèi)，在拆卸氣缸蓋固定螺栓時需要按特定順序進(jìn)行（按標(biāo)識從兩邊到中間以對角線順序拆卸氣缸蓋上的10顆固定螺栓）。2.1.2 虛擬環(huán)境下奔馳M274發(fā)動機(jī)氣缸蓋拆卸步驟

圖1 虛擬環(huán)境中的提示板

（1）在工具箱中選擇合適的工具后，操作手柄靠近氣缸蓋上橙黃色的固定螺栓，則可以旋出該螺栓（圖3、圖4），按下手柄兩側(cè)的按鈕可以取出螺栓，操作手柄移動到發(fā)動機(jī)旁邊的桌面旁，再次按下手柄兩側(cè)的按鈕，將螺栓放置在桌面上。按軟件設(shè)定的順序依次旋出氣缸蓋上的10顆固定螺栓，然后再旋出缸蓋旁的2顆固定螺栓，并將旋出的螺栓整齊擺放在發(fā)動機(jī)旁的桌面上。

圖3 可旋出的橙黃色螺栓

圖4 將手柄靠近橙色螺栓并按下手柄按鍵取下螺栓

（2）拆卸完氣缸蓋固定螺栓后，將手柄靠近氣缸蓋，氣缸蓋整體呈橙黃色（圖5），同時按下手柄兩側(cè)的按鈕，可取下氣缸蓋（圖6）。轉(zhuǎn)動手柄觀察氣缸蓋各個面的結(jié)構(gòu)（圖7、圖8），包括進(jìn)排氣門，火花塞孔等，然后將氣缸蓋擺放到桌面的適當(dāng)位置。

圖5 氣缸蓋變成橙黃色

圖6 操作手柄抓取氣缸蓋

圖7 氣缸蓋水平面

圖8 氣缸蓋側(cè)面

（3）為防止旋出的螺栓丟失，應(yīng)按照提示將旋出的螺栓全部裝回原位。桌面上拆下的12顆螺栓中有一顆顏色會變藍(lán)（圖9），同時在氣缸蓋上有一個栓孔會變藍(lán)，用手柄靠近變藍(lán)的螺栓，然后按下手柄兩側(cè)的按鈕拾起螺栓，并將螺栓對準(zhǔn)氣缸蓋上藍(lán)色的栓孔，輕輕甩動手柄，螺栓就會被安裝到栓孔內(nèi)（圖10）。運用同樣的方法，依次裝回12顆螺栓，以免裝錯。

圖9 需按順序裝回的螺栓變成藍(lán)色

圖10 甩動手柄將螺栓裝回

（4）將手柄靠近氣缸墊，氣缸墊會呈橙黃色（圖11），同時按下手柄兩側(cè)的按鈕，取下氣缸墊（圖12）。轉(zhuǎn)動手柄觀察氣缸墊正反面的結(jié)構(gòu)，然后將其擺放到桌面的適當(dāng)位置。

（5）至此，氣缸蓋拆卸完成（圖13）。

圖11 手柄靠近氣缸墊時氣缸墊變橙黃色

圖12 取下氣缸墊

圖13 氣缸蓋拆卸完成

2.2 VR技術(shù)下奔馳M274發(fā)動機(jī)氣缸蓋的裝配

2.2.1 虛擬環(huán)境下奔馳M274發(fā)動機(jī)氣缸蓋裝配說明

在虛擬環(huán)境下，待拆裝的發(fā)動機(jī)旁有一塊提示板，提示學(xué)生已進(jìn)入氣缸蓋裝配情境。此時安裝氣缸墊的位置呈現(xiàn)出藍(lán)色的氣缸墊輪廓（圖14），提示學(xué)生安裝氣缸墊。同樣的，提示板上也會出現(xiàn)怎樣正確安裝氣缸蓋的提示（圖15），怎樣對氣缸蓋上的固定螺栓施加扭力，扭力標(biāo)準(zhǔn)是什么，以及安裝氣缸蓋所用到的工具等提示信息。

圖14 氣缸墊安裝位置

2.2.2 虛擬環(huán)境下奔馳M274發(fā)動機(jī)氣缸蓋安裝步驟

（1）將手柄靠近桌面上的氣缸墊，當(dāng)氣缸墊變成橙黃色時，按下手柄按鈕拿起氣缸墊，將氣缸墊正面朝上對準(zhǔn)缸體上的氣缸墊輪廓，輕輕甩動手柄，缸墊即被安裝到正確位置。

圖15 氣缸蓋安裝位置提示

（2）將手柄靠近桌面上的氣缸蓋，當(dāng)氣缸蓋變成橙黃色時，按下手柄兩側(cè)按鈕拿起氣缸蓋。將氣缸蓋的正面朝上對準(zhǔn)缸體上的氣缸蓋輪廓，輕輕甩動手柄，將氣缸蓋裝回原位。

（3）按提示板的提示，使用扭力扳手、加長桿、E14號套筒、大轉(zhuǎn)中套筒，按從中間到兩邊的順序交叉給氣缸蓋固定螺栓施加扭力。

（4）氣缸蓋安裝完成。

3 總結(jié)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在發(fā)動機(jī)相關(guān)部件拆裝教學(xué)中的應(yīng)用，給學(xué)生帶來了全新的體驗感，激發(fā)了學(xué)生的好奇心和求知欲，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率；能夠幫助學(xué)生把理論知識與實際操作結(jié)合在一起，提升學(xué)生的實踐動手能力，有效提升實訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量。

在VR環(huán)境下進(jìn)行氣缸蓋的拆裝，拆裝環(huán)境中有發(fā)動機(jī)，有拆裝工具，有工作平臺，有提示板，氣缸蓋上固定螺栓的正確拆裝順序是預(yù)先設(shè)定好的，學(xué)生只能按照提示步驟進(jìn)行拆裝，如果打亂順序，操作將無法繼續(xù)進(jìn)行，這樣就會強(qiáng)化學(xué)生記憶，使學(xué)生在潛移默化中掌握正確的操作規(guī)程。學(xué)生能夠針對自己的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行訓(xùn)練，真正體現(xiàn)了學(xué)生的主體地位，從而提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。學(xué)生通過VR實訓(xùn)后，掌握了正確的拆裝方法和拆裝注意事項，再進(jìn)行發(fā)動機(jī)氣缸蓋實體拆裝時，會顯著減少因沒有掌握拆裝要領(lǐng)而導(dǎo)致實訓(xùn)設(shè)備損壞情況，提高學(xué)習(xí)效率和實訓(xùn)設(shè)備的使用效率。此外，軟件資源具有可復(fù)制性，可重復(fù)使用，還可完善升級，相對于購置昂貴的奔馳發(fā)動機(jī)，教學(xué)成本大幅降低。因此，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與職業(yè)教育相結(jié)合具有劃時代的意義。