VR/AR的曲面貼合技術(shù)

張永潔

（深圳市承熹機(jī)電設(shè)備有限公司，廣東深圳 518000）

多年來，機(jī)械加工制造業(yè)在我國現(xiàn)代工業(yè)建設(shè)中發(fā)揮著重要的基礎(chǔ)作用，結(jié)構(gòu)龐大、零件多的大型機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用越來越受歡迎，同時(shí)也對(duì)精密復(fù)雜零件的制造加工提出了更高的要求。曲面貼合技術(shù)的應(yīng)用在很大程度上解決了對(duì)高質(zhì)量復(fù)雜零件制造加工的迫切需求。文中在簡要概述VR/AR 技術(shù)的基礎(chǔ)上，討論了曲面貼合技術(shù)在機(jī)械復(fù)雜零件加工中的應(yīng)用。

1 VR/AR技術(shù)概述

AR 技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。該技術(shù)結(jié)合了現(xiàn)有的三維建模、多媒體、實(shí)時(shí)跟蹤等多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一種新的人機(jī)交互方式。AR 技術(shù)可以將現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界的信息結(jié)合起來，同時(shí)展現(xiàn)出來，使得多方面的信息實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充和疊加。VR 是一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，該技術(shù)采用了最先進(jìn)的三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、廣角立體顯示技術(shù)等。經(jīng)過計(jì)算機(jī)仿真后，生成實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)且非常接近真實(shí)的三維場景，使用虛擬顯示技術(shù)可以非常逼真地模擬視覺感知，此外還可以模擬聽覺、觸覺和嗅覺。當(dāng)前VR 技術(shù)最常見的應(yīng)用就是頭戴顯示器，如通過頭戴顯示器來觀看VR 影片，使得觀看效果達(dá)到最佳。虛擬現(xiàn)實(shí)的概念和理論早在20世紀(jì)90年代就出現(xiàn)了。20世紀(jì)90年代以后，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的理論開始逐步完善。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)首先應(yīng)用于游戲和娛樂行業(yè)，隨后索尼、任天堂相繼推出VR 技術(shù)頭盔。正是VR 技術(shù)頭盔的繁榮，使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正式從研究階段過渡到應(yīng)用階段。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于科研、航空、軍事等領(lǐng)域。許多施工企業(yè)在應(yīng)用VR 技術(shù)和AR 技術(shù)時(shí)，往往被動(dòng)地完成投標(biāo)要求或業(yè)主的要求，未能從根本上認(rèn)識(shí)到VR 技術(shù)和AR 技術(shù)的應(yīng)用是工業(yè)革命的開端。因此，VR 技術(shù)和AR 技術(shù)的應(yīng)用是非常被動(dòng)的，未能充分發(fā)揮其有效性。

從AR 技術(shù)的發(fā)展、實(shí)現(xiàn)和利用水平來看，國內(nèi)對(duì)其的重視程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。與許多西方發(fā)達(dá)國家相比，我國對(duì)AR 技術(shù)的了解和利用還有很大的發(fā)展空間，在精度和物質(zhì)資源方面的投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他發(fā)達(dá)國家。要想真正地利用好AR 技術(shù)，就必須有一套系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)施方案，真正了解AR 能給人們的生產(chǎn)生活帶來什么樣的體驗(yàn)。就近年來VR 在我國的普及程度而言，基于VR 技術(shù)的AR 技術(shù)也將有很大的發(fā)展空間。因此，加大對(duì)AR 技術(shù)的投入，充分利用AR 技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，也將給人們的生產(chǎn)生活帶來巨大的變化，并且也將會(huì)滲透到人們生活的各個(gè)方面。

2 曲面貼合技術(shù)概述

曲面貼合技術(shù)是指計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，是數(shù)控技術(shù)的核心部分。在具體的應(yīng)用中，必須借助一定曲面貼合技術(shù)來完成被加工零件的設(shè)計(jì)和編程。目前主流的凸輪數(shù)控技術(shù)便是曲面貼合技術(shù)，具有編程自動(dòng)化、操作簡單、硬件要求寬松等特點(diǎn)。它已應(yīng)用于許多工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，如軍事、航空航天、汽車制造等機(jī)械復(fù)雜零件的加工。從軟件功能上看，曲面貼合技術(shù)涵蓋了從被加工對(duì)象的幾何設(shè)計(jì)到具體制造生產(chǎn)的諸多環(huán)節(jié)。技術(shù)人員僅通過構(gòu)建加工對(duì)象的線框結(jié)構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械復(fù)雜零件進(jìn)行特定的加工制造過程，本軟件還同時(shí)提供了建模和加工制造的功能。只要電腦設(shè)置刀具軌跡和工藝參數(shù)等的安排合理，便可自動(dòng)生成可進(jìn)行物理模擬的軟件，以完成加工，無論多么復(fù)雜的零件被制造出來，均不需要人工進(jìn)行，大大縮短了零部件的制造周期，具有傳統(tǒng)手工編程無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

3 機(jī)械復(fù)雜零件加工精度有效分析

機(jī)械復(fù)雜零件的加工工藝具有高效率、高精度的特點(diǎn)，它是對(duì)傳統(tǒng)手工加工方式的突破。在當(dāng)前數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用和設(shè)計(jì)過程中，數(shù)控機(jī)床技術(shù)的應(yīng)用也實(shí)現(xiàn)了零件加工的綜合應(yīng)用管理和控制。但是在機(jī)械復(fù)雜零件的實(shí)際加工過程中，也會(huì)受到相關(guān)因素的影響，導(dǎo)致加工精度下降。

（1）在機(jī)械復(fù)雜零件的加工會(huì)受到內(nèi)部因素的干擾，導(dǎo)致加工精度下降。主要包括加工工藝流程、加工設(shè)備故障、加工人員操作技術(shù)、加工時(shí)間等因素。一旦在整個(gè)加工過程中出現(xiàn)加工問題，就會(huì)直接影響機(jī)械復(fù)雜零件的加工效果。保證機(jī)械加工的更加合理，需最大程度地提高機(jī)械復(fù)雜零件的加工質(zhì)量。

（2）在機(jī)械復(fù)雜零件的加工還會(huì)受到外界因素的干擾。在機(jī)械復(fù)雜零件的實(shí)際加工過程中，外部的加工溫度和加工外部的振動(dòng)會(huì)直接影響加工精度，不利于對(duì)加工精度的控制。因此，在實(shí)際加工過程中，需要對(duì)加工進(jìn)行全面的控制，以保證加工精度更加合理地進(jìn)行。

4 VR/AR的曲面貼合技術(shù)在復(fù)雜零件加工中的應(yīng)用分析

目前，我國機(jī)械制造業(yè)對(duì)VR/ AR 的曲面貼合技術(shù)的應(yīng)用，是在技術(shù)人員的聯(lián)合合作和計(jì)算機(jī)交互中完成的。以加工復(fù)雜零件為內(nèi)容，目前的應(yīng)用可分為以下幾個(gè)部分。

4.1 分析零件的特點(diǎn)，確定零件的加工工藝

對(duì)復(fù)雜零件進(jìn)行加工，編程技術(shù)人員首先需要對(duì)復(fù)雜零件的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，從而確定與零件特征匹配的加工工藝。確定要采用的加工工藝后，需規(guī)劃零件的加工順序。在設(shè)計(jì)需注意盡量減少更換刀具的次數(shù)。任何復(fù)雜零件的制造加工都有一定的精度要求，技術(shù)人員應(yīng)熟悉要制造加工的復(fù)雜零件的不同的精度要求。根據(jù)粗加工與精加工相結(jié)合的原理，先對(duì)零件表面進(jìn)行粗加工，然后對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行精加工。

4.2 繪制復(fù)雜零件的幾何模型

幾何建模是采用VR/AR 的曲面貼合技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜零件加工的基礎(chǔ)。如果說其他的與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的零件加工工藝幾何建模需要利用UG、AutoCAD等繪圖軟件，而且需要在繪圖之后轉(zhuǎn)化為圖形文件，那么VR AR 的曲面貼合技術(shù)則可以以線框結(jié)構(gòu)來構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)零件的二維和三維設(shè)計(jì)，體現(xiàn)著較強(qiáng)的便捷性。

4.3 確定加工復(fù)雜零件的刀具路徑

在設(shè)計(jì)出復(fù)雜零件的圖紙后，技術(shù)人員可以對(duì)其進(jìn)行分析，在幾何造型的基礎(chǔ)上設(shè)定刀具軌跡，選擇加工步驟。其中，要注意復(fù)雜零件粗加工和精加工要求的不同，對(duì)不同零件加工選擇有針對(duì)性的刀具。VR/AR 的曲面貼合技術(shù)能夠自動(dòng)完成復(fù)雜零件加工中刀具軌跡數(shù)據(jù)的生成和分析，具有節(jié)省人力和技術(shù)人員精力的優(yōu)點(diǎn)。

4.4 復(fù)雜零件的仿真切削和刀具路徑模擬

在刀具軌跡選擇和確定之后，有必要對(duì)VR AR的曲面貼合技術(shù)進(jìn)行仿真加工。此時(shí)技術(shù)人員必須檢查所設(shè)置的工藝參數(shù)，確定刀軌設(shè)置的合理性，提前仿真驗(yàn)證加工的可靠性，然后在此前提下開展對(duì)復(fù)雜零件的仿真切削與刀具路徑模擬。這樣，就可以把傳統(tǒng)復(fù)雜零件加工制造過程中的試切這一環(huán)節(jié)省略，既縮短了零件生產(chǎn)周期，減少了零件制造原材料的浪費(fèi)，又使復(fù)雜零件成品在計(jì)算機(jī)模擬之下快速直觀地顯示出來，有助于提高加工效率。

4.5 生成NC數(shù)控代碼，利用數(shù)控設(shè)備開展加工

在這一階段的應(yīng)用中，技術(shù)人員需要將VR/AR的曲面貼合技術(shù)的幾何圖形文件和刀具路徑文件轉(zhuǎn)換成特定數(shù)控機(jī)床可接受的NC 代碼。同時(shí)，需要將轉(zhuǎn)換后的NC 代碼轉(zhuǎn)移到NC 設(shè)備上。由于流行的數(shù)控設(shè)備種類繁多，不同的設(shè)備有不同的后處理程序。因此，根據(jù)硬件設(shè)備的特點(diǎn)，選擇合適的程序?qū)邮盏降腘C 代碼進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并對(duì)零件進(jìn)行實(shí)際加工。圖1為曲面貼合機(jī)。

圖1 曲面貼合機(jī)

5 VR/AR的曲面貼合技術(shù)在復(fù)雜零件加工中的應(yīng)用技術(shù)形式

5.1 仿真數(shù)控加工

（1）構(gòu)造復(fù)雜零件的三維幾何結(jié)構(gòu)?？梢哉f，大多數(shù)VR/AR 的曲面貼合技術(shù)的制造過程都是在建模工作完成之后進(jìn)行的。對(duì)于復(fù)雜零件進(jìn)行的建模，技術(shù)人員可以選擇其他專門的繪圖軟件對(duì)要加工的復(fù)雜零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后通過文件格式的轉(zhuǎn)換輸入到CAM 軟件中，從而達(dá)到幾何組成建模的目的。也可以直接使用線框繪圖功能，使用凸輪軟件本身對(duì)復(fù)雜零件進(jìn)行建模。

（2）數(shù)控加工工藝的仿真與選擇。復(fù)雜零件通常包括不同的外觀和結(jié)構(gòu)特征，并可能有孔、表面和凹槽等多種形狀要求。這就要求技術(shù)人員掌握凸輪數(shù)控軟件的刀具路徑，選擇不同的仿真工具進(jìn)行開槽、加工曲面零件。

5.2 VR/AR的曲面貼合仿真技術(shù)

VR/AR 的曲面貼合技術(shù)提供了一種非常接近真實(shí)加工過程的仿真技術(shù)，可以極大地節(jié)約時(shí)間成本和材料試驗(yàn)和錯(cuò)誤損失，把原本需要實(shí)地開展的復(fù)雜零件加工程序在很短的時(shí)間內(nèi)得以模擬完成，短時(shí)間將復(fù)雜零件的成品展現(xiàn)在技術(shù)人員眼前，直觀性鮮明。同時(shí)，它還有能夠仿真反饋顯示具體加工中刀具與零件加工材料的觸碰情況，便于技術(shù)人員對(duì)復(fù)雜零件的加工精度的把握。VR/AR 的曲面貼合技術(shù)的實(shí)際效果取決于自動(dòng)編程和技術(shù)人員設(shè)計(jì)和規(guī)劃的加工工藝，以及刀具軌跡的運(yùn)動(dòng)。這就要求技術(shù)人員加深對(duì)VR/ AR 的曲面貼合技術(shù)的了解，結(jié)合復(fù)雜零件的制造理論和經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)合理地設(shè)置工藝方法和刀具路徑。

5.3 VR/AR的曲面貼合技術(shù)的后處理技術(shù)

建模后的復(fù)雜零件制造的處理和模擬處理過程中，技術(shù)人員需要分析復(fù)雜零件的成品由數(shù)控凸輪軟件來確定模擬成品圖形是否滿足設(shè)計(jì)圖紙的規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)，以及批量生產(chǎn)的要求。在此基礎(chǔ)上，需要確定數(shù)控加工程序。此時(shí)，VR/AR 的曲面貼合技術(shù)后處理技術(shù)尤為重要?？梢詫?duì)VR AR 的曲面貼合技術(shù)生成的加工數(shù)據(jù)代碼進(jìn)行分析和處理，并將其轉(zhuǎn)換為特定的文件格式。技術(shù)人員借助該技術(shù)，可以對(duì)零件的數(shù)控加工文件進(jìn)行進(jìn)一步的修改和編輯，也可以對(duì)數(shù)控加工文件的質(zhì)量進(jìn)行反復(fù)檢查，從而保證復(fù)雜零件設(shè)計(jì)兼顧成品的整體質(zhì)量。

6 結(jié)束語

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)也得到了迅速的提高。目前，人類社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入到了科技時(shí)代，科技也引領(lǐng)著各行各業(yè)的快速變革，這為人類社會(huì)未來的發(fā)展提供了非常有利的條件。國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開工業(yè)的支持，所以工業(yè)要加快現(xiàn)代化建設(shè)。VR技術(shù)和AR 技術(shù)都有其獨(dú)特的內(nèi)在優(yōu)勢，將VR 技術(shù)和AR 技術(shù)結(jié)合在曲面設(shè)計(jì)技術(shù)中，可以大大提高工作效率，保證工作質(zhì)量，盡可能縮短施工周期。雖然VR 技術(shù)和AR 技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問題，但相信在不久的將來，隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，VR 技術(shù)和AR 技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用將有更大、更廣泛的發(fā)展空間。