蔡 寶,石坤舉,朱文華

(上海第二工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心,上海 201209)

普通車床是主要用車刀對旋轉(zhuǎn)的工件進(jìn)行車削加工的機(jī)床.主要由工人手工操作,生產(chǎn)效率低,適用于單件、小批生產(chǎn)和修配車間.目前國內(nèi)絕大多數(shù)高校將普通車床實(shí)訓(xùn)課程作為必須課程.

普通機(jī)床操作學(xué)習(xí)相比于數(shù)控機(jī)床具有一定的危險性[1],尤其在高校教學(xué)過程中,受到實(shí)訓(xùn)場地、實(shí)訓(xùn)設(shè)備和授課教師等諸多方面的限制,不能做到在保證每一位學(xué)生安全的同時又很好的掌握機(jī)床操作知識.隨著計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的高速發(fā)展,采用更為新穎的教學(xué)方式,已成為克服上述機(jī)床教學(xué)技術(shù)困難的一大重要手段,而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(virtual reality)的出現(xiàn)能有效解決傳統(tǒng)教學(xué)存在的諸多問題[2,3].

何福本[4]虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于普通車床加工工藝實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié),程松[5]結(jié)合Quest3D技術(shù)開發(fā)了虛擬車床教學(xué)系統(tǒng),庫祥臣[6]在 Visual Studio 2012 環(huán)境下,以三維開放圖形庫Open GL為工具,研究開發(fā)了異形螺桿車削動態(tài)仿真系統(tǒng),楊洋[7]開發(fā)了車床主軸箱虛擬拆裝系統(tǒng),唐亞平[8]通過3D虛擬技術(shù)與先進(jìn)電子電路對機(jī)床設(shè)備進(jìn)行虛擬仿真,丁科[9]闡述了仿真機(jī)床建立的過程和方法,王倩[10]利用Pro/E軟件及內(nèi)嵌eDrawings技術(shù)可視化展現(xiàn)了車床中主要部件的結(jié)構(gòu).目前國內(nèi)外大部分學(xué)者對車床的研究都是從性能角度考慮,鮮有從安全性能角度出發(fā)進(jìn)行研究,事實(shí)上普通車床安全操作至關(guān)重要,而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)車床安全操作的有效技術(shù)手段.

本文以普通車床(CA6132)為研究對象,把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與傳統(tǒng)的車床操作學(xué)習(xí)相結(jié)合,利用SolidWorks軟件建立模型、3DMAX軟件貼紋理和添加動畫、Unity3D引擎開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)車床結(jié)構(gòu)觀察、典型表面加工以及零件加工工序操作演示等模塊,采用國外虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備zSpace和zView開發(fā)出具有交互性和沉浸性等特點(diǎn)的立體顯示系統(tǒng).

1 總體研究思路

首先研究車床學(xué)習(xí)內(nèi)容和虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)方法,根據(jù)車床出廠CAD圖紙進(jìn)行三維建模,采用3DVIA數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)更改模型格式,運(yùn)用3DMAX軟件進(jìn)行模型貼圖或者渲染,將處理好的模型導(dǎo)入Unity3D開發(fā)引擎中進(jìn)行虛擬車床學(xué)系場景設(shè)計,最后應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備zSpace實(shí)現(xiàn)帶有VR功能的車床教學(xué)系統(tǒng),具體開發(fā)流程如圖1所示.

圖1 開發(fā)流程

2 基于 Unity3D 的虛擬車床開發(fā)

2.1 圖像立面分割技術(shù)

在對車床模型進(jìn)行貼紋理時,一般采集用于貼紋理的圖像都需要矯正,圖像矯正通常使用立面分割技術(shù)[11,12],它是通過水平和垂直分割,逐步分割出最小單位的圖像元素,水平和垂直分割線確定函數(shù)為:

式中I代表圖像強(qiáng)度intensity,是偏微分算子,是梯度算子,通常α=0.9,在位置y作水平分割線或在位置x作垂直分割線取決于如下兩個興趣函數(shù)值:

其中是高斯核,*是卷積操作,β是一個常量取值為0.1,ver或hor比較高的值就會積累垂直(水平)邊緣.基于這個興趣函數(shù),可以在局部極小值處提取一些潛在的位置{yi}或{xi}的集合,在這些集合處生成分割線,如果生成水平分割線,在位置y處,ver(y)達(dá)到局部最小,垂直分割線的存在就會減少,最后借助圖像高度 (0.3 m～0.5 m)的先驗(yàn)條件,窮舉搜索這些潛在位置{Yi}{yi}的最優(yōu)集合:

其中,‖·‖表示集合中的元素個數(shù),相同的,垂直分割線滿足以下最優(yōu)集合:

根據(jù)以上的函數(shù),可以確定最優(yōu)水平垂直分割線的位置,機(jī)床操作面板的立面分割效果如圖2.

2.2 虛擬車床主要功能實(shí)現(xiàn)過程

(1) 虛擬車床學(xué)習(xí)系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計是通過OnGUI函數(shù)實(shí)現(xiàn),包括車床的主軸的旋轉(zhuǎn)按鈕、溜板的運(yùn)動按鈕等均通過OnGUI函數(shù)實(shí)現(xiàn).

(2) 虛擬車床的旋轉(zhuǎn)縮放功能通過調(diào)用射線函數(shù)和Lerp函數(shù)實(shí)現(xiàn),函數(shù)調(diào)用語句如下:

圖2 立面分割

(3) 虛擬車床零部件的移動和旋轉(zhuǎn)通過Unity3D的iTween函數(shù)實(shí)現(xiàn),車床溜板沿導(dǎo)軌的移動程序如下:

(4) 虛擬車床刀具切削工件通過碰撞函數(shù)OnTrigger Enter實(shí)現(xiàn),當(dāng)?shù)毒吲龅焦ぜr進(jìn)行碰撞檢測,改變工件的標(biāo)簽屬性,當(dāng)?shù)毒邫z測到工件的標(biāo)簽名稱,則認(rèn)為工件與刀具發(fā)生碰撞,此時該時刻工件的切削狀態(tài)將會被隱藏,工件表現(xiàn)為下一時刻的切削狀態(tài),具體函數(shù)調(diào)用如下:

3 基于 zSpace 的虛擬車床開發(fā)

3.1 虛擬現(xiàn)實(shí)基本原理

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計算機(jī)仿真系統(tǒng),它利用計算機(jī)生成一種模擬環(huán)境,是一種多源信息融合的、交互式的三維動態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真使用戶沉浸到該環(huán)境中.

圖3[13]描述了zSpace立體顯示(圖4)的基本原理,假設(shè)眼睛自上而下視角的固定點(diǎn)F,通過固定點(diǎn)的雙目(Panum的融合區(qū)),存在對象X和對象Y,當(dāng)點(diǎn)F固定時,F圖像刺激兩個眼睛對應(yīng)的視網(wǎng)膜點(diǎn)并產(chǎn)生融合,對象X位于雙眼單視前產(chǎn)生交叉視差,對象X刺激視網(wǎng)膜差異點(diǎn)在雙眼融合,因?yàn)閄落Panum的融合區(qū)內(nèi),對象Y處于前面的兩眼視界,還帶有一個交叉視差,圖像從對象Y刺激兩只眼睛的視網(wǎng)膜差異點(diǎn)被視為雙,因?yàn)閅處在Panum融合區(qū)外.因?yàn)閅有兩個視網(wǎng)膜圖像且處在非常不同的視網(wǎng)膜區(qū)域,左眼的Y圖像可能刺激與右眼視野中的一個區(qū)域?qū)?yīng)的視網(wǎng)膜區(qū)域,該圖像來自視野中不同物體的Z圖像,從而導(dǎo)致雙眼競爭,形成立體顯示效果.

圖3 立體成像原理

圖4 zSpace

3.2 虛擬車床模型建立

Unity3D軟件本身并不具備建立模型功能,所以在開發(fā)前必須根據(jù)實(shí)物建立相應(yīng)的三維模型,圖5是教學(xué)中實(shí)際使用的車床模型.

3.3 虛擬車床學(xué)習(xí)場景開發(fā)

在Unity3D軟件中進(jìn)行虛擬學(xué)習(xí)場景的開發(fā),主要包括對虛擬車床結(jié)構(gòu)認(rèn)識和車床加工學(xué)習(xí)的場景開發(fā),下面對虛擬車床學(xué)習(xí)場景做簡要說明.

圖6為車床結(jié)構(gòu)認(rèn)識界面,將普通機(jī)床分解為十大部件,并可進(jìn)行拆解、觀測各部件結(jié)構(gòu)和名稱.

圖6 車床機(jī)構(gòu)認(rèn)識

圖7為車床加工切削界面,學(xué)習(xí)普通車床加工操作步驟,并設(shè)置多個視角觀測加工過程.

圖7 車床加工切削

3.4 系統(tǒng)開發(fā)特點(diǎn)

應(yīng)用zSpace進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā),相對于Unity3D開發(fā)的系統(tǒng),最重要的便是體現(xiàn)新系統(tǒng)自然的交互性、沉浸性的特點(diǎn).

3.4.1 系統(tǒng)交互性和沉浸性開發(fā)

基于Unity3D的開發(fā)交互設(shè)計是通過調(diào)用OnGUI()函數(shù)實(shí)現(xiàn),即通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊按鈕實(shí)現(xiàn),這樣雖然相比傳統(tǒng)的多媒體課件略有智能感,但是無論從交互成都和沉浸程度均不能讓學(xué)習(xí)者有身臨其境之感,本節(jié)則嘗試調(diào)用某些函數(shù)將實(shí)現(xiàn)物體對物體的交互方式.如圖8,當(dāng)工件(灰色)靠近毛坯件(白色)時測算模型間的距離,如果二者距離小于既定數(shù)值,則可實(shí)現(xiàn)場景間的交互功能,實(shí)現(xiàn)交互的關(guān)鍵程序?yàn)?

首先獲得測距物體的位置信息,而后調(diào)用距離函數(shù),如果物體間的距離小于0.035則可實(shí)現(xiàn)場景間的交互,此種切換場景的方法更為自然.

3.4.2 虛擬車床立體學(xué)習(xí)場景

按照實(shí)際車床的學(xué)習(xí)要求,本文開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備zSpace的完整虛擬車床立體學(xué)習(xí)系統(tǒng),包括了系統(tǒng)總界面、車床結(jié)構(gòu)界面、車床主要加工表面和實(shí)例加工學(xué)習(xí)界面,主界面如圖9所示.

圖9 系統(tǒng)總界面

3.5 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用

zSpace還具有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能,配合zSpace使用的zView設(shè)備能讓學(xué)生分享虛擬技術(shù)的學(xué)習(xí)體驗(yàn),zView以高清攝像頭作為硬件屏幕重疊技術(shù)作為軟件,將zSpace畫面進(jìn)行重疊處理,該技術(shù)的目的是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界并進(jìn)行互動.圖10為車床外部結(jié)構(gòu)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果,借助zView能讓機(jī)床虛擬模型“跑出”屏幕達(dá)到分享學(xué)習(xí)體驗(yàn)的目的.

圖10 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果

4 結(jié)束語

本文開發(fā)了普通車床虛擬仿真系統(tǒng),提出系統(tǒng)開發(fā)的一般流程,闡述立面分割技術(shù)的一般原理,應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備zSpace和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備zView開發(fā)了帶有交互性和沉浸性的虛擬車床學(xué)習(xí)系統(tǒng),改進(jìn)了機(jī)床操作的教學(xué)方式,實(shí)踐證明,虛擬教學(xué)軟件與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合能更改善教學(xué)效果,同時也可為虛擬仿真以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供指導(dǎo).

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