摘 要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在車床仿真方面的應(yīng)用已逐漸成為研究熱點(diǎn)，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(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)內(nèi)容進(jìn)行了介紹，提出車床仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，包括功能需求分析、基本架構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容，在設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，利用三維建模技術(shù)和VR等技術(shù)進(jìn)行具體的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。旨在實(shí)現(xiàn)對車床加工過程的高精度仿真和提升用戶體驗(yàn)的目標(biāo)，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(shí)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(jī)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(shí)技術(shù)的車床仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)已成為當(dāng)前的熱點(diǎn)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(jìn)展。例如，胡兆勇利用Visual C++集成平臺(tái)，構(gòu)建了集文本、動(dòng)畫、視頻、仿真交互等形式為主的虛擬仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的可視化仿真；何福本等人則借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對普通車床的車削加工進(jìn)行了虛擬仿真，以三維注冊技術(shù)、區(qū)域識(shí)別方法為技術(shù)支持的APP的形式，實(shí)現(xiàn)虛擬教學(xué)的交互、知識(shí)講解。然而，以上研究只從某一或幾個(gè)方面對普通車床進(jìn)行演示、仿真，無法全面涵蓋車床的知識(shí)點(diǎn)。本文將基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)并開發(fā)一款具備真實(shí)車床操作環(huán)境的仿真系統(tǒng)，有效地降低風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患，幫助增強(qiáng)車床操作員的安全意識(shí)和保證生產(chǎn)安全，為推進(jìn)工程教育和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)介紹

2.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展歷程

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)起源于20世紀(jì)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(jì)90年代初，虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)也出現(xiàn)了第一個(gè)商業(yè)化虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)在20世紀(jì)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(jìn)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(shí)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(shí)技術(shù)原理

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、數(shù)字信號(hào)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(jì)算機(jī)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(shí)場景，并對其進(jìn)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(shí)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(jì)模擬

虛擬現(xiàn)實(shí)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(jì)師可以更加貼近實(shí)際，更快地進(jìn)行設(shè)計(jì)和測試，從而提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確度。

2.3.2工藝規(guī)劃模擬

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以模擬出零部件加工的整個(gè)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(shí)技術(shù)可以模擬出實(shí)際操作車床的整個(gè)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(qiáng)有力的幫助[1]。

2.3.4故障排除模擬

虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)技術(shù)的車床仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shí)技術(shù)的車床仿真系統(tǒng)可以實(shí)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(gè)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(shí)技術(shù)的車床仿真系統(tǒng)需要模擬加工過程中的一些機(jī)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(shí)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(jìn)行加工操作，以實(shí)現(xiàn)對不同加工流程進(jìn)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(shí)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(cuò)。

3.1.5提供加工過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析

基于虛擬現(xiàn)實(shí)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(gè)階段的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)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(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤，以避免對最終產(chǎn)品造成影響。

3.1.6在線維護(hù)支持

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的車床仿真系統(tǒng)需要支持在線維護(hù)服務(wù)功能。例如，通過遠(yuǎn)程維修支持、在線更新和升級(jí)軟件等方式，使用戶能夠及時(shí)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(shí)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(gè)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(jìn)行協(xié)作，從而進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。

3.2系統(tǒng)基本架構(gòu)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行系統(tǒng)基本架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)、各個(gè)部分的技術(shù)細(xì)節(jié)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐栴}。為了實(shí)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(shí)技術(shù)的場景，同時(shí)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(shí)世界中移動(dòng)、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(shí)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(jìn)行模擬。同時(shí)，系統(tǒng)還可以通過傳感器等外部設(shè)備收集車床的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測和監(jiān)控（如圖所示）[3]。

4基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的車床仿真系統(tǒng)應(yīng)用及評(píng)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(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，系統(tǒng)可以對加工過程進(jìn)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(dāng)而引起的損失和浪費(fèi)。

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(jī)交互的方式來控制車床的加工。在加工過程中，系統(tǒng)會(huì)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(shí)，通過車床仿真系統(tǒng)，操作員還可獲得加工過程中的實(shí)時(shí)反饋信息，包括加工時(shí)間、加工速度、進(jìn)給速度等等，進(jìn)一步提高加工精度和效率。

4.2系統(tǒng)性能評(píng)估

4.2.1視覺效果方面的評(píng)估

車床仿真系統(tǒng)的視覺效果對于操作者的真實(shí)感和模擬體驗(yàn)是十分重要的，可以通過以下幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估：

（1）成像清晰度：檢驗(yàn)系統(tǒng)圖像的清晰度。

（2）色彩還原：評(píng)估系統(tǒng)對顏色的還原。

（3）模型真實(shí)性：判定模型是否逼真，與實(shí)物是否一致。

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

4.2.2虛擬體驗(yàn)方面的評(píng)估

虛擬體驗(yàn)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(gè)方面進(jìn)行評(píng)估：

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

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

（3）步驟流暢性：檢驗(yàn)操作者進(jìn)行操作是否流暢且具有連貫性。

4.2.3仿真效率方面的評(píng)估

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

（1）程序的響應(yīng)時(shí)間：測試程序啟動(dòng)和響應(yīng)時(shí)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(shí)間運(yùn)行。

（3）運(yùn)行速度：檢測程序的運(yùn)行速度和加工時(shí)間，以驗(yàn)證系統(tǒng)的運(yùn)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(shí)技術(shù)應(yīng)用到此領(lǐng)域中成為本文研究的重點(diǎn)。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(diǎn)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(biāo)等外設(shè)進(jìn)行操作，但是這種方式的交互效果并不是很好，用戶需要進(jìn)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(jìn)行操作，這種方式可以使得操作者能夠更加方便地進(jìn)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(jìn)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(huì)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(qiáng)大的計(jì)算機(jī)來提供足夠的渲染能力，同時(shí)需要對系統(tǒng)中的光源配置進(jìn)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(shí)的視覺體驗(yàn)。

5結(jié)論

本論文通過對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，并針對車床加工領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一款基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的車床仿真系統(tǒng)。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，運(yùn)用了三維建模技術(shù)、仿真運(yùn)動(dòng)技術(shù)、動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)等多種技術(shù)手段，實(shí)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(shí)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(shí)踐提供了有益的借鑒和啟示。同時(shí)，對于車床仿真系統(tǒng)的完善和優(yōu)化，以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也有一定的借鑒價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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

[3]王廣官.基于虛擬現(xiàn)實(shí)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(jī)械加工，特種加工等。

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