基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的車床仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)

摘 要：虛擬現(xiàn)實技術(shù)在車床仿真方面的應(yīng)用已逐漸成為研究熱點，針對目前車床仿真系統(tǒng)的不足之處，例如精度不高、交互性差等問題，對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基礎(chǔ)內(nèi)容進行了介紹，提出車床仿真系統(tǒng)的設(shè)計方案，包括功能需求分析、基本架構(gòu)設(shè)計等方面的內(nèi)容，在設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，利用三維建模技術(shù)和VR等技術(shù)進行具體的系統(tǒng)實現(xiàn)。旨在實現(xiàn)對車床加工過程的高精度仿真和提升用戶體驗的目標，為車床加工行業(yè)的發(fā)展提供有力的支撐。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)；車床仿真系統(tǒng)；研究；開發(fā)

1 前言

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控車床已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)中不可或缺的一部分。然而，由于傳統(tǒng)的數(shù)控機床教學(xué)方式單一，難以滿足現(xiàn)代制造業(yè)對于高質(zhì)量、高效率的生產(chǎn)需求。因此，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的車床仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)已成為當前的熱點問題。目前，國內(nèi)外對于車床仿真系統(tǒng)的研究已經(jīng)取得了一定的進展。例如，胡兆勇利用Visual C++集成平臺，構(gòu)建了集文本、動畫、視頻、仿真交互等形式為主的虛擬仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了機床傳動機構(gòu)的可視化仿真；何福本等人則借助增強現(xiàn)實技術(shù)對普通車床的車削加工進行了虛擬仿真，以三維注冊技術(shù)、區(qū)域識別方法為技術(shù)支持的APP的形式，實現(xiàn)虛擬教學(xué)的交互、知識講解。然而，以上研究只從某一或幾個方面對普通車床進行演示、仿真，無法全面涵蓋車床的知識點。本文將基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，設(shè)計并開發(fā)一款具備真實車床操作環(huán)境的仿真系統(tǒng)，有效地降低風(fēng)險和安全隱患，幫助增強車床操作員的安全意識和保證生產(chǎn)安全，為推進工程教育和工業(yè)自動化領(lǐng)域的發(fā)展做出重要貢獻。

2虛擬現(xiàn)實技術(shù)介紹

2.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展歷程

虛擬現(xiàn)實技術(shù)起源于20世紀60年代，最初不是作為娛樂或游戲媒介，而是為了軍事培訓(xùn)和航天模擬等領(lǐng)域而研發(fā)。20世紀90年代初，虛擬現(xiàn)實加速發(fā)展，出現(xiàn)了頭戴式顯示器、手柄操控等設(shè)備，同時也出現(xiàn)了第一個商業(yè)化虛擬現(xiàn)實游戲《虛擬戰(zhàn)爭》。然而由于技術(shù)上的限制以及商業(yè)現(xiàn)實，虛擬現(xiàn)實在20世紀90年代末期經(jīng)歷了瓶頸期，知名VR公司陸續(xù)倒閉。2010年后，隨著技術(shù)的不斷進步，VR產(chǎn)業(yè)再次迎來昌盛發(fā)展，包括Oculus、HTC等大廠都陸續(xù)推出虛擬現(xiàn)實頭戴設(shè)備，并推出多款優(yōu)秀游戲，VR技術(shù)也逐漸走向大眾化。

2.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)原理

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實現(xiàn)與計算機圖形學(xué)、人機交互技術(shù)、數(shù)字信號處理和物理仿真等的技術(shù)密切相關(guān)。VR技術(shù)通過將計算機生成的三維視圖投射到使用者頭戴式設(shè)備的顯示器上，使用者可以看到虛擬現(xiàn)實場景，并對其進行交互。這樣的交互方式通常涉及具有位置跟蹤能力的跟蹤器、操縱桿或手柄等設(shè)備。

2.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)在車床仿真領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.3.1產(chǎn)品設(shè)計模擬

虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以模擬出汽車零部件的三維模型，通過視覺和觸覺的反饋，使設(shè)計師可以更加貼近實際，更快地進行設(shè)計和測試，從而提高設(shè)計效率和準確度。

2.3.2工藝規(guī)劃模擬

虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以模擬出零部件加工的整個流程，包括車床的設(shè)置、加工刀具的選擇和零部件的卡緊方式等，可以為工藝規(guī)劃提供重要的參考。

2.3.3操作培訓(xùn)模擬

虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以模擬出實際操作車床的整個過程，包括操作方式和工具的使用方法等，可以為新員工培訓(xùn)提供強有力的幫助[1]。

2.3.4故障排除模擬

虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以模擬車床故障的情況，幫助技術(shù)人員快速定位故障，并做出相應(yīng)的維修措施。

3基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的車床仿真系統(tǒng)設(shè)計

3.1系統(tǒng)功能需求分析

3.1.1車床加工流程的可視化

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的車床仿真系統(tǒng)可以實現(xiàn)加工流程的數(shù)字化和可視化，將車床加工過程的每個階段都呈現(xiàn)出來，從而操作者可以更快、更容易地理解車床加工的流程。

3.1.2車床加工工序的模擬控制

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的車床仿真系統(tǒng)需要模擬加工過程中的一些機能控制。通過這種創(chuàng)新方式，操作員可以在虛擬環(huán)境中模擬流程，指導(dǎo)車床加工操作過程中的操作人員，使操作人員能夠更好地操作以及指導(dǎo)便攜，并提高生產(chǎn)效率[2]。

3.1.3使用多種不同的工藝參數(shù)來模擬加工過程

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的車床仿真系統(tǒng)可以支持不同的工藝參數(shù)和不同的車床加工設(shè)置。因此，操作員可以在不同的加工環(huán)境和工藝條件下進行加工操作，以實現(xiàn)對不同加工流程進行處理。

3.1.4提供復(fù)雜的數(shù)控編程信息

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的車床仿真系統(tǒng)需要支持復(fù)雜數(shù)控編程的信息，該系統(tǒng)將車床控制程序的操作步驟可視化，使操作員可以更有效地輸入數(shù)控程序信息。這種功能可以幫助操作員輕松輸入數(shù)據(jù)信息，防止出錯。

3.1.5提供加工過程中的實時監(jiān)控和分析

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的車床仿真系統(tǒng)需要監(jiān)測車床加工過程的各個階段的數(shù)據(jù)，并進行實時分析。例如，可以監(jiān)控加工過程中的溫度、工具磨損程度以及機床、工件和刀具等組件的狀況等。這種功能可以在加工過程中及時發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤，以避免對最終產(chǎn)品造成影響。

3.1.6在線維護支持

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的車床仿真系統(tǒng)需要支持在線維護服務(wù)功能。例如，通過遠程維修支持、在線更新和升級軟件等方式，使用戶能夠及時獲得新功能和其他支持服務(wù)。

3.1.7支持網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的車床仿真系統(tǒng)需要支持網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。這樣，在多個位置的車床加工操作員可以聯(lián)網(wǎng)并在虛擬環(huán)境中進行協(xié)作，從而進一步提高生產(chǎn)效率。

3.2系統(tǒng)基本架構(gòu)設(shè)計

在進行系統(tǒng)基本架構(gòu)設(shè)計時，需要考慮系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)、各個部分的技術(shù)細節(jié)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐栴}。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的高精度仿真和可視化，本系統(tǒng)使用了Unity 3D引擎，該引擎可以方便地創(chuàng)建基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的場景，同時也可以支持高精度仿真。因此，本系統(tǒng)的核心部分是基于Unity 3D的仿真引擎。對于車床加工的過程和狀態(tài)的可視化，系統(tǒng)采用的是頭戴式顯示設(shè)備，這種設(shè)備能夠使用戶感受到場景的沉浸感，從而方便地了解車床加工的過程和狀態(tài)。

在用戶和虛擬世界之間的交互方面，本系統(tǒng)采用了手柄設(shè)備，該設(shè)備可以通過手勢控制物品在虛擬現(xiàn)實世界中移動、旋轉(zhuǎn)或縮放。此外，系統(tǒng)還配備了鍵盤等額外的輸入設(shè)備，以實現(xiàn)更方便的操作。

系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)源是CAD模型，該模型可以方便地轉(zhuǎn)換為三維模型，并通過仿真引擎對車床的加工過程進行模擬。同時，系統(tǒng)還可以通過傳感器等外部設(shè)備收集車床的實時運行狀態(tài)，并進行實時觀測和監(jiān)控（如圖所示）[3]。

4基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的車床仿真系統(tǒng)應(yīng)用及評估

4.1系統(tǒng)在車床加工過程中的應(yīng)用

車床仿真系統(tǒng)主要應(yīng)用于數(shù)控車床的加工過程中，通過虛擬仿真的方式來模擬加工過程，并提供智能化的操作界面，讓操作者更好地掌握車床加工流程，提高加工效率，降低生產(chǎn)成本。

4.1.1模擬車床加工過程

車床仿真系統(tǒng)可以模擬車床的加工過程，包括選擇不同的工藝參數(shù)、不同的工具、設(shè)定不同的加工參數(shù)等等。通過計算機仿真技術(shù)，系統(tǒng)可以對加工過程進行預(yù)測，提前判斷加工過程中可能出現(xiàn)的問題，并提供相應(yīng)的解決方案，從而降低由于操作不當而引起的損失和浪費。

4.1.2操作界面智能化

車床仿真系統(tǒng)提供智能化的操作界面，通過人機交互的方式來控制車床的加工。在加工過程中，系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)定的參數(shù)來調(diào)整操作界面，減少操作員的疲勞程度，提高操作效率。同時，通過車床仿真系統(tǒng)，操作員還可獲得加工過程中的實時反饋信息，包括加工時間、加工速度、進給速度等等，進一步提高加工精度和效率。

4.2系統(tǒng)性能評估

4.2.1視覺效果方面的評估

車床仿真系統(tǒng)的視覺效果對于操作者的真實感和模擬體驗是十分重要的，可以通過以下幾個方面進行評估：

（1）成像清晰度：檢驗系統(tǒng)圖像的清晰度。

（2）色彩還原：評估系統(tǒng)對顏色的還原。

（3）模型真實性：判定模型是否逼真，與實物是否一致。

（4）燈光效果：檢驗車床仿真系統(tǒng)燈光效果的真實性，包括反光和陰影等效果是否逼真。

4.2.2虛擬體驗方面的評估

虛擬體驗是車床仿真系統(tǒng)的核心，是操作者能否了解和掌握加工過程的重要條件，可以通過以下幾個方面進行評估：

（1）人機交互操作方便性：檢驗系統(tǒng)的操作界面是否友好，操作是否方便。

（2）動態(tài)效果：可以檢驗加工過程的動態(tài)效果，包括車刀加工、銷齒加工等等。

（3）步驟流暢性：檢驗操作者進行操作是否流暢且具有連貫性。

4.2.3仿真效率方面的評估

仿真效率是車床仿真系統(tǒng)性能評估中的一個重要方面，可以通過以下幾個方面進行評估：

（1）程序的響應(yīng)時間：測試程序啟動和響應(yīng)時間。

（2）系統(tǒng)的穩(wěn)定性：測試系統(tǒng)是否穩(wěn)定，并能夠長時間運行。

（3）運行速度：檢測程序的運行速度和加工時間，以驗證系統(tǒng)的運行效率。

4.3系統(tǒng)優(yōu)化

由于車床仿真系統(tǒng)的重要性，如何將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到此領(lǐng)域中成為本文研究的重點。在已有的車床仿真系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)存在著一些問題，如系統(tǒng)操作繁瑣、圖形質(zhì)量不高等。以下提出幾點優(yōu)化方案：

4.3.1系統(tǒng)操作繁瑣

在目前的車床仿真系統(tǒng)中，用戶需要通過鍵盤或者鼠標等外設(shè)進行操作，但是這種方式的交互效果并不是很好，用戶需要進行復(fù)雜的操作才能完成一系列的操作。這種繁瑣的操作方式非常容易造成用戶的操作失誤，對于初學(xué)者來說，更是不夠友好。對于這種問題，可以采用基于手勢和語音控制的方式進行操作，這種方式可以使得操作者能夠更加方便地進行車床的模擬操作。基于手勢的操作可以直接在智能硬件上進行，而語音控制可以通過麥克風(fēng)把指令發(fā)出來即可。

4.3.2圖形質(zhì)量不高

在車床仿真系統(tǒng)中，需要保證圖形質(zhì)量的高度，由于圖形質(zhì)量的高低將直接影響到操作者的視覺感受，缺乏高質(zhì)量的圖形將會影響到操作者保持注意力、產(chǎn)生眼部疲勞等問題。對于圖形質(zhì)量不高的問題，可以采用更加強大的計算機來提供足夠的渲染能力，同時需要對系統(tǒng)中的光源配置進行優(yōu)化，可以采用更加逼真的光照模擬技術(shù)，提供更加真實的視覺體驗。

5結(jié)論

本論文通過對虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行了深入的研究，并針對車床加工領(lǐng)域的實際應(yīng)用需求，設(shè)計開發(fā)了一款基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的車床仿真系統(tǒng)。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，運用了三維建模技術(shù)、仿真運動技術(shù)、動態(tài)模擬技術(shù)等多種技術(shù)手段，實現(xiàn)了車床加工的全過程仿真。綜上所述，本文為虛擬現(xiàn)實技術(shù)在車床加工領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展提供了重要的參考和借鑒，也為相關(guān)領(lǐng)域的研究和實踐提供了有益的借鑒和啟示。同時，對于車床仿真系統(tǒng)的完善和優(yōu)化，以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也有一定的借鑒價值。

參考文獻

[1]馬仲依.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的車床模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的研究及開發(fā)[D].山東建筑大學(xué)，2016.

[2]蔡寶，石坤舉，朱文華.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的車床仿真系統(tǒng)[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2018，27（5）：5.

[3]王廣官.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的數(shù)控車床仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].浙江大學(xué)，2016.

作者簡介：林凱（1986.7－），男 ， 漢族，黑龍江哈爾濱人，研究生，講師，主要研究方向：機械加工，特種加工等。

課題：基于MR（混合現(xiàn)實技術(shù)）的車工虛擬仿真軟件的開發(fā)與應(yīng)用。 編號：HBKC217033。