基于 VR技术的数控加工人员职业能力训练系统设计与实现

2021-08-20李红强

机电工程技术 2021年11期

摘要：为解决数控加工人员的职业能力提升难题，设计了一种基于 VR技术的职业能力训练系统。选取 COMET职业能力模型作为系统构建的理论依据，运用3Dmax进行三维虚拟人物和工作环境建模，通过 unity3D平台打包 Android的 APK实现与 Pico VR外部交互设备兼容，通过 Pico操作手柄、3D视觉头显设备与系统搭建的三维虚拟车间进行互动操作，实现真实工作场所、人物及工作任务的计算机仿真过程。学习者沉浸到虚拟工作场景中参与工作，通过人机互动方式能直观地了解企业实际工作情况，从而提高学习者的从业经验。

关键词：职业能力;数控加工;虚拟现实;unity3D引擎;人机交互

中图分类号：TP311.5;G718.1文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）11-0199-05

Design and Implementation of Professional Competence Training System for NCMachining Workers Based on VR Technology

Li Hongqiang

（Guangzhou Electromechanical Technician College， Guangzhou， Guangdong 510435， China）

Abstract： In order to solve the problem of improving the professional ability of NC machining personnel， a professional ability training system based on VR technology was designed. COMET professional ability model was selected as the theoretical basis for system construction.3DMAX was used to model three-dimensional virtual characters and working environment. Android APK was packaged through unity3d platform to realize compatibility with Pico VR external interactive equipment. Through Pico operation handle and 3D visual head display equipment， interactive operation was carried out with the 3D virtual workshop built by the system， realized the computer simulation process of realworkplace，peopleandworktasks. Learnersimmersethemselvesinthevirtualworksceneandparticipateinwork. Through human-computer interaction， can intuitively understand the actual work situation of the enterprise， so as to improve learners′ professional experience.

Key words： professional competence; CNC machining; VR; unity 3D engine; human-machine interaction

0 引言

數控加工是先进制造业中一个重要的环节和基础，企业对生产过程的质量管控要求越来越严格，对从业人员的职业能力要求也日趋全面。笔者通过参与人社部职业能力测评课题研究发现数控加工专业学生普遍对企业的生产流程不熟悉，而对岗位操作规范性和条理性、安全意识、质量意识、成本意识等职业习惯则存在更大的问题[1]。究其原因主要是目前职业院校的技能人才培养培训过程缺乏科学的训练理论作指导，而学生又缺乏对职业流程的规范培训和真实工作环境的体验，造成学生普遍对企业的生产流程不熟悉，缺乏适应生产岗位应有的职业能力。

为解决数控加工行业人才培养中遇到上述困境，本文结合参与人社部职业能力测评研究课题所积累的经验，把 COMET职业能力模型作为解决问题的底层理论依据，运用计算机技术、三维建模技术、虚拟现实技术（ VR 技术）设计了一种基于 VR 技术的数控加工人员职业能力训练系统[2]。该系统通过人机互动方式，让学生体验完成生产企业中的各类岗位任务，能够评价学生体验过程的规范性及职业能力等次，并能实现职业能力的重复训练直至达到岗位需求标准;同时该系统借鉴学生普遍喜爱的游戏操作界面，能够激发学生的学习兴趣，进而破解职业院校在技能人才培养中职业素养训练不足，以及职业能力培训缺乏真实性的难题。

1 相关理论依据和关键技术的选择

1.1 职业能力测评的模型选择

职业能力测评需要基于一个职业能力模型来制定测评的具体方案。而职业能力模型能够系统化表述职业能力的内容及其结构，它描述了学习者应具备的认识条件。在实际的职业训练中，职业能力模型能够解释学习者应具备什么样的认知条件，以及如何才能完成职业的典型工作任务。因此是否能够选择到合适的职业能力模型和测评模型将直接影响职业能力测评的有效性[3]。

以德国不莱梅大学费力克斯·劳耐尔（Felix Raun- er）教授为首，由中国、南非、瑞士等国家科研人员组成的研究团队开发并建立了 COMET职业能力模型，并利用先进的测评技术，对模型进行了验证。由于 COMET职业能力模型和测评模型具有开放的评价内容与标准、过程化的评价方式以及多元化的评价主体等特点。运用 COMET职业能力模型的职业能力测评，能客观地分析出职业教育课程设置的合理性以及教学改革的实际效果，同时学生通过职业能力测评能够自我检查学习效果。因此学生在基于 COMET职业能力模型和测评模型构建开发的训练平台上经常反复训练，能够很好地提升自身职业能力[1]。为此把 COMET职业能力模型作为系统构建的理论依据是一个理想选择。

1.2 系统实现关键技术

通过对数控加工人员职业能力进行分析，确定了系统开发的理论基础，接下来就是系统实现关键技术的确定。VR 技术、3ds Max技术、NPC人物以及辅助物品建模等是确保系统开发能否解决职业能力训练难题的关键技术[4]。

VR 技术其逼真性和实时交互性为系统仿真技术提供有力的支撑。3ds Max技术具有非常好的性能价格比，一般的硬件配置就可以满足使用要求。数控加工人员职业能力训练系统的所有岗位工作任务与系统考核都需要通过与 NPC的互动操作完成。同时 NPC人物的身份实际上就是数控企业的员工，因此系统场景中的 NPC人物和辅助物品建模是系统模型的重要组成部分[5]。

2 数控加工人员职业能力训练系统需求分析

2.1 系统流程分析

系统流程的设计必须贴合实际企业工作过程，为此系统将设置多个生产订单任务。同时为贴近企业的规模和生产环境，系统对不同规模的企业设置贴近企业岗位的职业流程。系统整体流程设计如图1所示。

2.2 系统三维建模需求分析

按照基于 VR 技術的数控加工人员职业能力训练系统的构建需求分析，系统三维虚拟场景建模需要用到 CAD 、PS 、3DMax软件对场景进行建模与贴图制作。根据系统整体设计在 VR 平台上的要求，企业外景、楼房车间模型、道路绿化规划模型等加工车间场景都应该按照真实比例建模并且贴图[8]。根据游戏化技能面板设计的要求，系统任务面板需显示出当前的任务名称、任务等级、任务条件、操作流程、完成奖励等基本任务信息。同时系统的岗位角色的技能需参照游戏操作面板风格设计，并按照不同的职业归类，每个技能要有自己的图标、等级和对应的说明。

2.3 系统仿真交互需求分析

基于 VR 技术的数控加工人员职业能力训练系统的开发，首先就要认真考虑 VR 外设必须满足显示效果清晰、眩晕感较低、交互操作方便等要求[6]。虚拟现实仿真交互技术（ VR 技术）是用户通过 VR 外部设备对复杂数据进行可视化操作以及交互的一种全新方式，本系统的 VR 仿真交互功能需要满足交互的浸没感以及交互的操作性两方面的要求。

3 数控加工人员职业能力训练系统设计

3.1 系统模块设计

根据系统需求分析及系统功能使用要求，系统工作流程设计如图2所示。系统工作流程的模块划分为用户登录、创建角色以及小组选择、厂区选择、岗位选择、生产安全教育、岗位任务介绍、三维场景浏览、场景内交互操作、岗位生产任务流程、系统信息反馈与储存等11个功能模块。其中场景浏览和场景内交互操作功能模块需要用户在前面厂区选择、职业选择后，才可以根据用户所选择的场景实时构建出虚拟厂区，以供用户在场景内进行操作。

3.2 系统三维模型设计

通过对中型企业与小型企业实地考察，系统中的三维仿真场景按照实地拍摄的企业车间布局，运用3DMax 软件建模，做出1：1的实景模型，包含企业室外厂区建模、企业室内车间建模、以及相关数控设备建模。由于真实企业室外厂区较大，模型面数会影响系统的流畅性，因此对于车间外墙纹理、地面地砖等重复性大的物体，将采用贴图材质表现。对于车间的数控设备则进行实体建模，配上贴图和材质渲染，就能够真实地将三维数控设备呈现在用户面前。

3.3 系统数据库设计

（1）系统 E-R 建模

建立 E-R 模型是理清、完善系统功能属性之间关系和联系不可或缺的工作，如图3所示。学生作为实体在系统中具有姓名、学号、学校、班级4个属性。学生在系统中可以选择入职小型企业或者中型企业。在小型企业中系统设置了学徒与操作工两个岗位，分别具有任务进度与考核成绩两个属性。通过这两个属性可以评估学生在当前岗位的训练效果与考核作答成绩。同时学徒与操作工之间有晋升关系，学徒可通过岗位考核晋升为操作工，而此连接具有不可逆的逻辑性。而中型企业则设置了学徒、操作工、调机员、物料管理员、品检员、组长6个岗位。学徒可晋升为操作工，而操作工、调机员、物料管理员、品检员4个岗位均可晋升为组长，且晋升过程不可逆。系统的 E-R 模型能清晰指出各个实体之间的联系及属性，为系统的整体逻辑开发奠定基础[10]。

（2）系统主要数据表设计

在建立了 E-R 模型的基础上，必须根据 E-R 模型创建数据库的列表，方便后期系统开发数据储存[10-12]。但是受限于本论文的篇幅，本文将只选取系统考核功能数据列表进行分析。

系统考核功能设计的数据表是一个比较重要的数据表，如表1所示。在后台考核系统中，教师可通过试卷模版，导入考核试题。学生在系统中想要完成岗位晋升时，需通过考核系统，对试题进行作答方可晋升。考核系统Topicmark中，Student ID用于储存用户学号，Task- name 、Type是试卷名称与类型，用于区分不同的试卷; School与ClassName是学校与班级名称; Question是用于储存题目内容，当学生进入考核系统后，系统会根据当前所需的试卷类型，将 Question内的内容读取出来，放置在文本框内作为题目;Trueanswer是存储题目的正确答案，而Stuanswer则是用户作答的答案，系统会在用户作答完成后，对Trueanswer与Stuanswer的存储结果做对比，得出该题目用户是否答对;TopicScore是该题目的分数，在汇总成绩时系统会将TopicScore的分数值做累加，得出用户考核的总分。ChooseA、ChooseB、Choos- eC、ChooseD分别存储选项A ～ D 的选项内容，该4项只有当题目为单选题时才会用于存储，如果题目是简答题或判断题时，则数据为空。

4 数控加工人员职业能力训练系统实现

4.1 系统VR设备选择

本系统的VR 外设采用 Pico G2（3K超清屏幕，90 Hz 刷新率，3DoF手部体感操控）。该 VR 外设的屏幕清晰度，不产生晕眩感，具有3DOF方位操控。系统可以利用 Pico 手柄的方位操控，实现对三维场景物体的交互操作，如拆装刀具、翻看工件图纸等[6]。

4.2 系统开发平台选择

本开发系统是搭建在 unity3D引擎上，可以完美运行在不同的硬件环境上。同时 unity 与 Pico VR 外设兼容，能便捷地打包 Android 的APK 导入 Pico 外设中安装。用户在使用时可通过 Pico 手柄的操作，与系统搭建的三维虚拟车间进行互动操作，并完成数控加工人员相关岗位的工作任务[7]。

4.3 三维模型建模与实现

（1）三维模型贴图

本系统的三维场景建模必须要基于现实数控加工企业的生产环境搭建。相关模型外形建好后，就需要给三维模型进行贴图与材质的制作，以表现出模型的真实感。模型的贴图以及材质制作，需要用到3ds MAX软件的分解 UV 功能[9]。其中贴图后的车间室内效果如图4所示。

（2）三维场景实现

本系统选取了典型的机械加工企业作为研究对象并进行实地调研，收集包括企业的厂房平面图纸、企业建筑实拍照片、车间环境实拍照片、数控设备标识实拍照片等资料。通过对图纸和照片的分析后，运用3ds MAX 软件对建筑以及企业环境进行建模。在所有模型建模完成后，需要将3ds MAX里面完成的模型导出FBX 格式模型文件连同模型所用的贴图一并，放在 Unity项目中就可以查看模型的效果。而模型放入场景后，最后一个步骤就是对主要建筑物添加照明效果。Unity引擎提供了很多类型的光源设置，经过合理的光源排布，实现对场景模型的照明效果。如图5所示。

4.4 系统主要设计模块的实现

根据系统工作流程，系统的模块划分为用户登录、创建角色以及小组选择、厂区选择、岗位选择、生产安全教育、岗位任务介绍、三维场景浏览、场景内交互操作、岗位生产任务流程、系统信息反馈与存储等11个功能模块。受篇幅限制，在此只重点分析系统登录模块、岗位生产任务流程、系统信息反馈与存储等几个模块的实现过程。

（1）系统登录模块

用户想要登录系统，必须先通过登录界面的用户验证。在登录界面上设计了用于输入用户账号的账号输入框，设计了用于接收用户输入密码的输入框，用户输入完登录信息后，系统会把用户的输入信息与数据库存储的信息进行对比。如果用户输入信息错误，则弹出错误信息提示。如果信息输入正确，则进一步检测用户的账号状态。系统对用户划分为试用账号和普通账号。用户账号为试用账号的时候，系统会自动检查用户的试用账号是否过期，如过期则禁止用户进入下一步操作。而如果用户是普通账号，则免去对账号是否过期的检测。无论用户是试用账号或者普通账号，系统都会检测用户是否创建角色，当用户已经创建过角色以后，再次登录系统会帮用户自动绕过创建角色的步骤。系统登录的流程如图6所示。

用户登录系统后，基于 VR 技术的数控加工人员职业能力训练系统首先显示用户登录界面，在用户输入账号信息和账号密码后，点击登陆按钮，系统内部会将用户输入的用户名以及密码传输到数据库上，与数据库上的用户列表进行比对，如果用户合法，则系统跳至下一级界面，可使用系统的各种功能服务以及选择所需要做的项目。如果用户没有系统的账号又想注册体验时，可以通过登陆界面上的注册账号，注册一个试用账号进入系统。用户登录的界面如图7所示。

（2）岗位生产任务流程的实现

系统中的岗位生产任务流程的实现是本系统开发的核心内容和难点所在。在系统架构中，系统设置了小型加工企业与中型加工企业。在小型加工企业中，设计了学徒和操作工两个岗位。而在中型加工企业中，设计了学徒、操作工、物料管理员、调机员、质检员、组长等岗位。无论是小型企业还是中型企业，系统都涵盖了数控加工行业从初级学徒到高级技工绝大部分的工作岗位，每个岗位在系统中都设计了其岗位相对应的生产任务流程，学生能够在系统中体验未来就业可能从事的工作岗位的大部分岗位任务。一般情况下，中型企业操作工的任务流程分为早班会、加工生产、上下班交接3个环节。本文只选取中型企业操作工的任务流程中早班会环节作为示例，介绍流程的实现过程。

早班会环节的实现过程：玩家用户要模拟操作工来到加工车间参加早班会，玩家用户在此环节要核对好生产信息。具体过程设计的细节是：玩家在加工车间与王组长（NPC人物）對话，获得《生产计划单》《数控工艺卡》和2D 图纸;任务开始;玩家审核判定《生产计划单》《数控工艺卡》和2D 图纸（本系统在此环节中重点要考查玩家对2D加工图纸的正确性如何判别）;判断正确后，玩家与王组长对话，提交任务等待判定;玩家到仓库找仓库员对话，开始新任务。其具体任务流程如图8所示。

（3）系统信息反馈与存储的实现

为了获取和查询用户当前的任务进度以及相关考核信息，了解学生的职业能力训练情况，系统配备了可以运行在教师 PC端的后台管理平台，方便教师对学生的训练情况进行查看。同时在管理平台中，老师随时可编辑、导入新的考核试题供学生在训练系统中体验作答。通过管理平台的数据分析功能工具，可以快速生成所选班级学生在系统考核中的分数统计图，可以更直观地将数据信息呈现在教师面前[1]。通过本系统的后台管理平台，整个教学过程可以实现玩、学、练、考、评五位一体的训练模式。相关数据分析统计图例如图9～10所示。

5 结束语

本文所介绍的基于 VR 技术的数控加工人员职业能力训练系统已经开发完毕，并在笔者的工作单位开始使用。本系统不仅具有一定市场应用前景，而且为提升我国数控加工从业人员的素质和技能提供了一种有效解决方案，有力地解决数控加工专业人才教学过程中难以科学有效地测量学生职业能力的难题。同时本系统的开发思路也可以为职业院校从事职业能力研究的教育工作者提供参考和借鉴，未来可以开发模具制造、工业机器人等专业的实训考核软件平台。

参考文献：

[1] 李红强，辜东莲.数控加工专业（数控车方向）一体化课改与学生职业能力测评的实证分析[J].职业，2013（20）：24-27.

[2] 陈焱鹏.探析虚拟现实技术（VR）的发展现状及应用展望[J].数字通信世界，2017（11）：125.

[3] 宋剑祥.中外职业能力测评工具的分析与选择[J].昆明冶金高等专科学校学报，2014，30（6）：17-24.

[4] 祝新军，柴科技，裘升东. VR技术在职业教育实训装备市场的应用问题研究[J]. 中国市场， 2017（18）：129-130.

[5] 陈春铁.基于人机交互的虚拟现实仿真教学系统平台开发[J].电子技术与软件工程，2018（5）：48-49.

[6] 蔡雅婷.用VR技术体验《头号玩家》的乐趣 Pico Neo 六自由度VR一体机体验评测[J].消费电子，2018（5）：70-72.

[7] 刘桂元，曾志远，杨书新.基于Unity3d引擎的教育类游戏设计与实现[J].软件导刊，2017，16（1）：50-53.

[8] 孙瑞祺，连懿，王子悦，等.大型建筑物室内外三维模型构建[J].无线互联科技，2018，15（11）：100-103.

[9] 祁甲民，冯兰芳，陈艳雷，等.逆向工程中三维建模模型纹理贴图方法探究[J].制造业自动化，2018，40（5）：112-114.

[10] 杨中书，刘臣宇.基于E-R模型的关系数据库设计方法[J].价值工程，2014，33（30）：242-243.

[11] 温杰.数据库设计中E-R模型设计的探究[J].无线互联科技，2014（8）：167-168.