莊建軍, 張博凱, 劉 喆

(1.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 南京 210044; 2.南京信息工程大學(xué) 工程訓(xùn)練中心, 南京 210044)

機(jī)械加工是智能制造中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。為了更好地掌握該領(lǐng)域的技能和知識(shí),進(jìn)入車間實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行機(jī)械加工操作的學(xué)習(xí)過(guò)程是不可或缺的。目前高校學(xué)習(xí)機(jī)加工技術(shù)的主要途徑還是課堂理論知識(shí)與車間實(shí)訓(xùn)室實(shí)習(xí)相結(jié)合的方式。現(xiàn)實(shí)機(jī)加工車間對(duì)學(xué)生而言較為陌生,學(xué)習(xí)過(guò)程中意外事故時(shí)有發(fā)生。加工過(guò)程中,學(xué)生缺乏理論知識(shí),對(duì)繁多的操作步驟缺乏理解,而有限的教師和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備資源也難以滿足大量學(xué)生的學(xué)習(xí)需要。目前國(guó)內(nèi)多數(shù)高校的理工類課程都開(kāi)設(shè)了機(jī)械加工實(shí)訓(xùn)課程[1],實(shí)驗(yàn)設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)室中的固定設(shè)備,缺乏擴(kuò)展性和更新的可能,會(huì)隨著課程進(jìn)步與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)。學(xué)校通常只能配置有限數(shù)量的車床,距離滿足實(shí)際需求仍然具有一定差距[2]。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)技術(shù)的發(fā)展和硬件設(shè)備的提升,各行各業(yè)對(duì)VR技術(shù)的需求日益旺盛,VR技術(shù)也取得了巨大進(jìn)步,傳統(tǒng)的線下教學(xué)活動(dòng)已經(jīng)無(wú)法滿足高校師生專業(yè)學(xué)習(xí)的需求。為了突破現(xiàn)實(shí)硬件瓶頸限制,一些高校將虛擬仿真技術(shù)引入教學(xué)及實(shí)驗(yàn)。VR技術(shù)在機(jī)械加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用眾多。尚振國(guó)等[3]研究了組合夾具設(shè)計(jì)“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā),研發(fā)了一套標(biāo)準(zhǔn)化、可擴(kuò)展的機(jī)械元件庫(kù);蔡寶等[4]研究了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在銑削加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用。VR技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)等領(lǐng)域有著巨大的潛力,能使教學(xué)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程更加形象化[5],在提高學(xué)生的專注度及教學(xué)效率的同時(shí),也可助力“新工科”“工程教育專業(yè)認(rèn)證”等相關(guān)教育模式的研究與發(fā)展。

目前,高校教學(xué)方式發(fā)生了從線下到線上的重大轉(zhuǎn)換,為深化教育教學(xué)與信息技術(shù)深度融合、持續(xù)推進(jìn)線上線下混合式教學(xué)改革與學(xué)習(xí)革命提供了重大機(jī)遇。新冠肺炎疫情的爆發(fā)讓線下實(shí)訓(xùn)難以進(jìn)行,一些需要和工廠企業(yè)合作的培訓(xùn)項(xiàng)目更是受到防控的阻礙[6]?；谔摂M現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的機(jī)加工實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)為機(jī)械加工教學(xué)提供了新手段。該系統(tǒng)針對(duì)VR技術(shù)在機(jī)械加工領(lǐng)域的應(yīng)用,選取其中一部分進(jìn)行詳細(xì)功能設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)介紹,將實(shí)訓(xùn)過(guò)程搬到虛擬空間中,細(xì)化理論知識(shí),精講操作環(huán)節(jié),將機(jī)械加工知識(shí)有邏輯性地呈現(xiàn)在學(xué)習(xí)者面前。將基于VR技術(shù)的仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)引入到教學(xué)中可以讓學(xué)生自己動(dòng)手在虛擬空間中反復(fù)操作,豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程,促進(jìn)理論知識(shí)理解,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,提高實(shí)際操作效率,降低事故發(fā)生概率。

1 機(jī)加工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)加工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)針對(duì)普車加工,依托 Solidworks 和 3Ds Max 建模軟件完成車間地形環(huán)境和虛擬機(jī)床的建模,利用3Ds Max將實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為三角面模型降低數(shù)據(jù)處理量,完成模型優(yōu)化;利用 Unity 3D 引擎和 C# 腳本語(yǔ)言構(gòu)建多級(jí)交互系統(tǒng)。其開(kāi)發(fā)過(guò)程以實(shí)際需求為導(dǎo)向,融合實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)過(guò)程中多個(gè)學(xué)習(xí)操作環(huán)節(jié),設(shè)計(jì)了場(chǎng)景漫游、設(shè)備認(rèn)知、理論知識(shí)和操作模擬4大模塊單元(圖1),讓用戶在逼真的虛擬環(huán)境中沉浸式熟悉實(shí)訓(xùn)環(huán)境,認(rèn)識(shí)加工設(shè)備,理解加工原理,學(xué)習(xí)理論知識(shí),熟悉加工步驟。4大模塊設(shè)計(jì)概念如下。

圖1 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)方案

場(chǎng)景漫游模塊:場(chǎng)景漫游模塊設(shè)計(jì)了逼真的三維場(chǎng)景,模擬了現(xiàn)實(shí)中機(jī)械加工車間的布局,系統(tǒng)將用戶傳送到固定的起始漫游點(diǎn),用戶可通過(guò)鍵鼠操作控制漫游觀察三維場(chǎng)景。

設(shè)備認(rèn)知模塊:為了使用戶對(duì)車床設(shè)備有整體認(rèn)知,設(shè)備認(rèn)知模塊設(shè)計(jì)了各零部件實(shí)物認(rèn)知和各零部件功能介紹兩大模塊,用戶即使沒(méi)有接觸過(guò)真實(shí)車床設(shè)備也可以迅速建立對(duì)車床的了解。

理論知識(shí)模塊:為了考核新手在上手操作前對(duì)機(jī)加工理論知識(shí)的了解,系統(tǒng)設(shè)計(jì)了理論學(xué)習(xí)考核模塊,搭建了答題系統(tǒng)界面,界面讀取預(yù)存的題庫(kù)供用戶思考學(xué)習(xí),完成后系統(tǒng)自動(dòng)考核打分供教師評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。

操作模擬模塊:操作訓(xùn)練模塊中針對(duì)機(jī)加工車間中常見(jiàn)的加工操作設(shè)計(jì)了演示和實(shí)操流程,用戶可根據(jù)場(chǎng)景界面提示的步驟操作機(jī)床,依次對(duì)機(jī)械元件進(jìn)行加工,鍛煉使用者的操作能力。系統(tǒng)將現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)室虛擬化,擺脫現(xiàn)實(shí)儀器設(shè)備的限制。用戶僅需維護(hù)軟件系統(tǒng),無(wú)須架設(shè)機(jī)械加工設(shè)備。虛擬化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境具有可試錯(cuò)、高用戶量上限、教師實(shí)時(shí)測(cè)評(píng)方便、低維護(hù)成本的特點(diǎn)。

相較于現(xiàn)有的虛擬實(shí)訓(xùn)軟件,本文中所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)旨在模擬機(jī)械加工的車工學(xué)習(xí)全流程。其中,學(xué)習(xí)流程的全流程設(shè)計(jì)和新穎的答題考核方式增加了系統(tǒng)的學(xué)習(xí)流程完整性和可玩性。操作模擬模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了機(jī)床實(shí)操的虛擬化,即使沒(méi)有真實(shí)的機(jī)械加工設(shè)備,用戶也能在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練,從而擺脫了現(xiàn)實(shí)儀器設(shè)備的限制,充分發(fā)揮虛擬實(shí)訓(xùn)的優(yōu)勢(shì)。

2 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 整體實(shí)現(xiàn)邏輯

機(jī)加工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)實(shí)中車間的比例制作地形環(huán)境和機(jī)加工車床模型,借助Solidworks和3Ds Max三維建模軟件搭建模擬機(jī)床模型和虛擬車間地形的布局,創(chuàng)建虛擬元件資產(chǎn)庫(kù)。三維模型的準(zhǔn)備包含幾何形狀建模、貼圖建模、運(yùn)動(dòng)邏輯建模[3]。三維模型制作的流程主要包括以下幾部分:收集整理模型所需資料、三維建模、模型優(yōu)化、材質(zhì)貼圖、渲染烘焙、輸出文件[7]。幾何形狀建模依托Solidworks軟件搭建車間車床設(shè)備的基本幾何形狀白模,建模過(guò)程中考慮區(qū)分靜止部件和運(yùn)動(dòng)部件,方便后續(xù)編輯部件的運(yùn)動(dòng)邏輯。為了讓用戶體驗(yàn)更加真實(shí)的操作設(shè)備,貼圖建模使用Photoshop設(shè)計(jì)制作了符合實(shí)際效果的三維模型貼圖和交互界面樣式,經(jīng)過(guò)校正處理后作為幾何模型的貼圖素材[8]。將制作好的模型和界面導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D環(huán)境中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)建模,在Visual Studio中使用C#語(yǔ)言編寫(xiě)邏輯交互功能,通過(guò)部件的旋轉(zhuǎn)和平移模擬機(jī)械加工的切削過(guò)程。系統(tǒng)搭建的技術(shù)實(shí)現(xiàn)邏輯如圖2所示。

圖2 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)邏輯

2.2 環(huán)境和設(shè)備建模

Unity3D支持導(dǎo)入多種格式的模型和貼圖,將在Solidworks和3Ds Max中搭建的車床模型等數(shù)字資產(chǎn)導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D中[9],賦予材質(zhì)貼圖并設(shè)計(jì)相應(yīng)操作交互即可搭建逼真的虛擬實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景。由于 Solidworks 建立的模型為實(shí)體模型,直接導(dǎo)入 Unity 3D中會(huì)產(chǎn)生較大計(jì)算量降低系統(tǒng)演示性能,因此輸出STL格式并導(dǎo)入3Ds Max中,運(yùn)行軟件的面優(yōu)化命令,添加面平滑命令將實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為三角面模型,減少模型之間重疊或相交的多余面[10],降低 Unity 平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理量,完成模型優(yōu)化[11]。

2.3 UI交互設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)注重體現(xiàn)三維沉浸感的交互,最主要的方式是通過(guò)射線與碰撞實(shí)現(xiàn)用戶可以通過(guò)在三維空間中沿著一條無(wú)限長(zhǎng)的射線進(jìn)行選取和操作,響應(yīng)碰撞事件來(lái)完成相應(yīng)的交互。射線軌跡一旦與添加了碰撞器的物體發(fā)生碰撞,軟件會(huì)記錄碰撞,執(zhí)行操作(圖3)。系統(tǒng)中的射線可以實(shí)現(xiàn)如點(diǎn)擊懸浮在半空的用戶界面(UI)以及虛擬按鍵等目標(biāo)選擇操作[12]。為了模擬學(xué)生在機(jī)加工學(xué)習(xí)中的多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),針對(duì)設(shè)備認(rèn)知、理論知識(shí)和實(shí)際操作展開(kāi)教學(xué),場(chǎng)景中設(shè)計(jì)了手部菜單,方便用戶導(dǎo)航至不同功能場(chǎng)景操作學(xué)習(xí)。手部面板利用Unity中的 UI 面板進(jìn)行制作,利用Canvas組件搭建菜單面板,面板上各按鈕用Button 組件控制[13]。在實(shí)際操作過(guò)程中,通過(guò)不斷按下鼠標(biāo)中鍵可對(duì)手部菜單進(jìn)行顯示/隱藏切換,避免遮擋視線中進(jìn)行的操作。系統(tǒng)按照用戶學(xué)習(xí)的邏輯層級(jí)設(shè)計(jì)了兩級(jí)漸進(jìn)式菜單,用戶可以逐步點(diǎn)擊按鈕到達(dá)自己需要了解學(xué)習(xí)的部件信息。菜單以列表形式展示,有邏輯性,讓整個(gè)系統(tǒng)清晰易懂。交互界面友好,使學(xué)習(xí)者能夠直觀地操作和使用系統(tǒng)(圖4)。場(chǎng)景中添加了背景音樂(lè),輕松舒緩,使用戶在輕松愉快的氛圍里完成操作與學(xué)習(xí)。

圖3 碰撞檢測(cè)邏輯

圖4 手部菜單和設(shè)備認(rèn)知模塊展示

界面設(shè)計(jì)遵循置界面于用戶控制之下、減少用戶的記憶負(fù)擔(dān)、保持界面一致性等原則[14]。設(shè)備認(rèn)知模塊中設(shè)計(jì)了兩層級(jí)的菜單按鈕,可使用手柄上的指針與菜單按鈕進(jìn)行交互,點(diǎn)擊不同部件的按鈕彈出對(duì)應(yīng)部位文字介紹,同時(shí)對(duì)指定部分進(jìn)行藍(lán)色外發(fā)光提示。通過(guò)手部菜單的多層級(jí)操作,用戶可以了解車床的各個(gè)組成部分,通過(guò)各部分的介紹文字學(xué)習(xí)使用車床的規(guī)范操作。為了更好地展示文字效果,采用outline外發(fā)光處理各按鈕,上下偏移和左右偏移根據(jù)實(shí)際效果設(shè)置。顏色透明通道選擇合適的透明度,這樣可以讓文字顯得更有質(zhì)感。對(duì)于“主輪箱”“交換齒輪箱”“三爪卡盤(pán)”“刀架”“進(jìn)給箱”“絲杠”“光杠”“操作杠”8個(gè)不同的部件按鈕添加不同的按鈕監(jiān)聽(tīng),以便實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊不同按鈕時(shí)出現(xiàn)監(jiān)聽(tīng)內(nèi)容,包括外發(fā)光、按鈕文字提示以及介紹文字。

由于車床不同部位案例數(shù)量較多,設(shè)計(jì)中如何將它們方便、高效地展示是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。因?yàn)槊總€(gè)按鈕都對(duì)應(yīng)一個(gè)部位、一個(gè)介紹銘牌和一個(gè)介紹面板。所以統(tǒng)一格式劃分為一個(gè)類,命名為Buttons。外部分別將按鈕以及對(duì)應(yīng)部件,對(duì)應(yīng)介紹面板拖入buttons列表內(nèi),方便直接調(diào)用。外發(fā)光以及部位介紹面板顯示隱藏。

2.4 理論知識(shí)模塊和操作模擬模塊實(shí)現(xiàn)

為方便教師考核學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握情況,系統(tǒng)設(shè)計(jì)了理論知識(shí)考核模塊。將預(yù)編寫(xiě)的題庫(kù)寫(xiě)入Excel文檔,再通過(guò)FileStream函數(shù)對(duì)Excel里的數(shù)據(jù)按照規(guī)定的格式進(jìn)行讀取并調(diào)用。

記分系統(tǒng)針對(duì)答題對(duì)錯(cuò)進(jìn)行得分統(tǒng)計(jì),得出用戶成績(jī)通過(guò)點(diǎn)擊手部菜單上的“理論知識(shí)”按鈕,可直接瞬移到答題指定位置。手柄上的指針與UI進(jìn)行交互,選擇選項(xiàng)點(diǎn)擊確定即可完成答題。模塊根據(jù)每題得分累加,滿分為100分(圖5)。

圖5 理論知識(shí)模塊界面

2.5 操作模擬模塊實(shí)現(xiàn)

針對(duì)機(jī)床操作模擬,系統(tǒng)設(shè)計(jì)了用戶可定義的多個(gè)自由度,包含轉(zhuǎn)速控制、車刀架橫向運(yùn)動(dòng)、車刀架縱向運(yùn)動(dòng)等。Transform類是Unity中最為常用的應(yīng)用程序接口(API)之一,它被用于描述和控制物體的位置、旋轉(zhuǎn)、縮放屬性。通過(guò)使用Transform類,可以輕松地在三維世界中定位和操縱游戲?qū)ο骩15]。部件操作動(dòng)畫(huà)是根據(jù)用戶操作,調(diào)用相應(yīng)的Transform組件,控制車床各組成零部件的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的[16]。通過(guò)Unity3D的iTween函數(shù)靈活控制虛擬車床零部件的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn),腳本繼承VRTK_InteractableObject組件以進(jìn)行物體交互。系統(tǒng)在車床上方設(shè)計(jì)了懸浮的轉(zhuǎn)速控制滑塊,靈活控制卡盤(pán)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速并每隔0.5 s抓取顯示(圖6)。車刀包含橫向、縱向運(yùn)動(dòng)等多個(gè)操作自由度,用戶觸發(fā)相應(yīng)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)按鈕后,將手輪旋轉(zhuǎn)到正確的位置,此時(shí)絲杠或光杠開(kāi)始旋轉(zhuǎn),并帶動(dòng)溜板箱里的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)刀架的縱向或橫向平移運(yùn)動(dòng)[17]。在虛擬操作中,如果模型互相穿透重疊也就是產(chǎn)生“穿?！爆F(xiàn)象將會(huì)大大影響模擬效果。為了使三維物體接觸碰撞后不重疊,需要對(duì)組件中的 Constraints 屬性進(jìn)行設(shè)置,為物體添加剛體組件[18]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中強(qiáng)調(diào)安全生產(chǎn),用戶需抓取并戴上安全帽及手套才可繼續(xù)后續(xù)操作。

圖6 車刀座運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)速顯示

切削算法是實(shí)現(xiàn)機(jī)械切削效果的核心,在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)值模擬中有很多常用的算法。切削過(guò)程基于對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的積分解析,常見(jiàn)的積分算法包括歐拉前向法、歐拉后向法、Verlet積分等。各種積分算法各自有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。各種積分算法的基本邏輯是:確定時(shí)間步長(zhǎng)dt,然后根據(jù)這一刻的初始值計(jì)算延時(shí)dt的速度量和位移量,執(zhí)行切削操作。在模擬車刀切削過(guò)程中,各種數(shù)值積分算法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

具體仿真中,歐拉前向模擬物體運(yùn)動(dòng)效果的精度有限。因此,在使用歐拉前向法進(jìn)行切削模擬時(shí),需要根據(jù)具體需求進(jìn)行調(diào)整,縮短仿真的時(shí)間步長(zhǎng)或者加入更多的物理模型來(lái)優(yōu)化模擬效果。歐拉前向法簡(jiǎn)單易懂,易于實(shí)現(xiàn),但它的穩(wěn)定性不夠,并且誤差會(huì)隨著時(shí)間步長(zhǎng)的增加而增大,不夠精確,容易出現(xiàn)震蕩。因此,為了保證仿真加工過(guò)程的精度,仿真使用Verlet積分法。Verlet積分算法具有很好的保真度和穩(wěn)定性,而且計(jì)算精度比歐拉法高,不易出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。系統(tǒng)場(chǎng)景中,游戲物體由一系列的多邊形頂點(diǎn)組成。運(yùn)動(dòng)和加工過(guò)程中這些頂點(diǎn)的位置可以通過(guò)Verlet積分進(jìn)行更新。在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi),計(jì)算車刀和工件的運(yùn)動(dòng)和受力情況,并使用Verlet積分來(lái)更新頂點(diǎn)的位置。

根據(jù)速度和加速度計(jì)算物體的位置,并且使用平均速度來(lái)推導(dǎo)位置,然后用新位置重新計(jì)算加速度,模擬物體在給定時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng),由此更新物體的狀態(tài)。根據(jù)牛頓第二定律,可以計(jì)算出物體在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的加速度,然后使用以下公式來(lái)更新其位置和速度:

p(t+dt)=2p(t)-p(t-dt)+a(t)dt2

(1)

式中:p(t)為物體在時(shí)間t時(shí)的位置;a(t)為粒子在當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)受到的加速度(通常由牛頓第二定律計(jì)算得出);dt為時(shí)間步長(zhǎng)。Verlet積分算法的優(yōu)點(diǎn)是它是無(wú)條件穩(wěn)定的,而且在處理非線性問(wèn)題時(shí)具有很好的保真度。Verlet積分算法基于基本的牛頓運(yùn)動(dòng)定律,即力等于質(zhì)量乘以加速度。由于它只依賴上一時(shí)刻的位置和加速度信息,因此在實(shí)現(xiàn)時(shí)并不需要存儲(chǔ)過(guò)多的歷史數(shù)據(jù)。

車床的運(yùn)動(dòng)方向包含橫向、縱向運(yùn)動(dòng)維度。車床的車刀架是進(jìn)行切削的主要部件之一,它的運(yùn)動(dòng)方式?jīng)Q定了車削加工的效率和精度。車刀架主要有以下運(yùn)動(dòng)方式。

前后橫移:車刀架左右橫移是指車刀架沿著床身橫向移動(dòng),用于調(diào)整車刀與工件的距離和定位位置。車刀架前后橫移可以通過(guò)手動(dòng)操作或自動(dòng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn),自動(dòng)控制可以提高生產(chǎn)效率和加工精度。

垂直升降:車刀架垂直升降是指車刀架沿著床身豎直方向上下移動(dòng),用于調(diào)整車刀與工件的接觸壓力和切削深度。車刀架垂直升降可以通過(guò)手動(dòng)操作或自動(dòng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn),自動(dòng)控制可以根據(jù)加工工藝和工件形狀實(shí)時(shí)調(diào)整升降速度和位置,提高加工精度和表面質(zhì)量。

多種運(yùn)動(dòng)方式的組合和協(xié)調(diào),可以實(shí)現(xiàn)各種不同的車削加工操作,如粗車、精車、車削圓柱面、車削錐面、車削螺紋、退刀等。

車刀架運(yùn)動(dòng)腳本實(shí)現(xiàn)了車床操作的啟動(dòng)、前移、切削、退刀等功能。在進(jìn)入前移狀態(tài)后,程序會(huì)先將前移操作的互動(dòng)框高亮顯示,然后給互動(dòng)框綁定 clickRotate2.action 委托,在進(jìn)行前移操作后會(huì)使互動(dòng)框高亮取消,進(jìn)入切削狀態(tài)。

在進(jìn)入切削狀態(tài)后,程序會(huì)將切削操作的互動(dòng)框高亮,并給互動(dòng)框綁定 clickRotate.action 委托,在進(jìn)行切削操作后會(huì)使互動(dòng)框高亮取消,進(jìn)入退刀狀態(tài)。

為模擬車刀架運(yùn)動(dòng)物理交互,腳本需繼承VRTK_InteractableObject。

2.6 切削過(guò)程仿真實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化

針對(duì)車刀切削過(guò)程,本模塊采用Verlet積分方法模擬其物理過(guò)程。算法使用了協(xié)程和動(dòng)態(tài)時(shí)間步長(zhǎng)(Time.deltaTime)來(lái)優(yōu)化性能并保證切削過(guò)程在不同設(shè)備上具有一致的表現(xiàn)。

協(xié)程:協(xié)程是一種編程結(jié)構(gòu),允許腳本在多幀之間分配計(jì)算任務(wù),從而提高性能。在Unity中,協(xié)程是通過(guò)IEnumerator接口實(shí)現(xiàn)的,可以在執(zhí)行過(guò)程中暫停和恢復(fù)。在本腳本中,使用協(xié)程來(lái)執(zhí)行切削操作,每次迭代都執(zhí)行一次碰撞檢測(cè)和切削形狀更新。

動(dòng)態(tài)時(shí)間步長(zhǎng):由于模擬切削過(guò)程需要一定的運(yùn)算量,若設(shè)置固定的時(shí)間步長(zhǎng)(如0.01 s),系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中硬件配置和計(jì)算量會(huì)影響游戲過(guò)程的幀率,固定的時(shí)間步長(zhǎng)無(wú)法與實(shí)際幀率相匹配,因此需要根據(jù)實(shí)際幀率動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間步長(zhǎng)。為此,算法使用Time.deltaTime作為時(shí)間步長(zhǎng),它表示上一幀到當(dāng)前幀所用的時(shí)間。Time.deltaTime表示上一幀到當(dāng)前幀所用的時(shí)間,可以用作動(dòng)態(tài)時(shí)間步長(zhǎng)。這可以確保在不同設(shè)備上具有一致的表現(xiàn)。在本腳本中,使用Time.deltaTime來(lái)計(jì)算刀具的新位置。

Verlet積分算法是一種常用的數(shù)值積分算法,由于速度量基于隱式推導(dǎo),速度和位置的同步性較高。車刀切削腳本實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于Verlet積分算法的車床運(yùn)動(dòng)切削算法,并增加了碰撞檢測(cè)和切削形狀更新。在Start()方法中,首先獲取待加工物體的MeshFilter組件,并獲取其網(wǎng)格數(shù)據(jù)。初始化位置和加速度數(shù)組,其中oldPositions初始化為網(wǎng)格頂點(diǎn)數(shù)組,currentPositions和accelerations與其大小相同。開(kāi)始模擬,通過(guò)啟動(dòng)協(xié)程SimulationCoroutine()來(lái)進(jìn)行模擬。在SimulationCoroutine()方法中:

1)獲取待加工物體的MeshFilter組件和網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

2)獲取網(wǎng)格的法線數(shù)據(jù),用于計(jì)算切削力的方向。

3)遍歷質(zhì)點(diǎn)的當(dāng)前位置數(shù)組currentPositions。

4)計(jì)算受到的力,這里將切削力定義為切削力量基準(zhǔn)cutForce乘以切削深度cutDepth乘以前進(jìn)速度f(wàn)eedRate再乘以法線向量normals[i],表示力的方向與法線方向一致。

5)計(jì)算加速度,假設(shè)質(zhì)量為1,所以加速度等于力。

6)使用Verlet積分算法更新位置,根據(jù)式(1)來(lái)計(jì)算新的位置。

7)更新位置數(shù)組,將當(dāng)前位置保存到舊的位置數(shù)組,將新的位置保存到當(dāng)前位置數(shù)組。

8)更新網(wǎng)格的頂點(diǎn)數(shù)據(jù),將當(dāng)前位置數(shù)組賦值給網(wǎng)格的頂點(diǎn)數(shù)組,并重新計(jì)算網(wǎng)格的邊界和法線。

9)等待下一幀,通過(guò)yield return null來(lái)讓協(xié)程暫停,并在下一幀繼續(xù)執(zhí)行。

腳本為切削過(guò)程添加了切削參數(shù),包含切削深度、前進(jìn)速度等。通過(guò)添加了兩個(gè)切削參數(shù):切削深度(cutDepth)和前進(jìn)速度(feedRate),這兩個(gè)參數(shù)是以公有字段(public fields)的形式定義的,因此可以在Unity編輯器中直接設(shè)置。定義參數(shù)如下:

public float cutDepth = 0.1f; //切削深度;

public float feedRate = 0.01f; //前進(jìn)速度。

此外,為模擬真實(shí)切削過(guò)程,腳本實(shí)現(xiàn)了一個(gè)更真實(shí)的切削力模型,切削力會(huì)隨著切削深度、前進(jìn)速度等參數(shù)的變化而變化。車刀前進(jìn)的阻力應(yīng)與切削深度成正比。定義切削力參數(shù)如下:

Vector3 force = cutForce * cutDepth *

feedRate * normals[i]。

cutForce是切削力的基準(zhǔn)值,normals[i]是物體表面在頂點(diǎn)處的法線方向,切削力沿著法線方向作用。最后,腳本用切削力數(shù)值來(lái)計(jì)算加速度,將加速度導(dǎo)入Verlet積分法,根據(jù)記錄的每時(shí)刻位置計(jì)算下一時(shí)刻位置坐標(biāo),從而更新頂點(diǎn)位置、完成切削過(guò)程。

3 硬件平臺(tái)與系統(tǒng)發(fā)布

系統(tǒng)選用Oculus Quest 2作為操作的硬件平臺(tái)。作為Meta公司于2020年Facebook Connect上正式推出的一款的VR一體機(jī),它使用液晶顯示屏(LCD),搭載高通Snapdragon XR2作為計(jì)算平臺(tái),配備6 GB運(yùn)行內(nèi)存。單眼分辨率為1 832×1 920,雙眼分辨率為3 664×1 920,支持72 Hz和90 Hz的刷新率。Oculus Quest 2包含一對(duì)6自由度感知的操作手柄,可以實(shí)現(xiàn)本機(jī)加工虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的所有手勢(shì)操作功能,如對(duì)物體的抓取、手柄射線、虛擬按鈕點(diǎn)擊等。Unity 3D為開(kāi)發(fā)者提供了適用于各種VR設(shè)備的接口,可以在諸如Oculus Quest 2等設(shè)備上消費(fèi)VR內(nèi)容。

系統(tǒng)調(diào)用VRTK組件中的VRTK_ ControllerEvents腳本,該腳本包含虛擬環(huán)境中的多種交互手勢(shì),包括VRTK_Interact Grab(抓取)、VRTK_Interact Touch(觸摸)、 VRTK_Interact Use(可使用特定物體,扣動(dòng)手柄扳機(jī)啟動(dòng))、Controller_SimplePointer(遠(yuǎn)程定點(diǎn)移動(dòng))[19]。配置好Unity 3D環(huán)境,導(dǎo)入模型資產(chǎn)并設(shè)計(jì)交互后,用戶可以利用VRTK組件和Oculus Quest 2等VR頭顯設(shè)備進(jìn)行交互,瀏覽虛擬場(chǎng)景并完成學(xué)習(xí)訓(xùn)練。系統(tǒng)內(nèi)的場(chǎng)景內(nèi)容和理論題庫(kù)可以靈活定制,教師可預(yù)設(shè)機(jī)加工操作步驟讓用戶根據(jù)情況學(xué)習(xí)不同的理論知識(shí)和加工步驟,增加系統(tǒng)的交互性和實(shí)用性。系統(tǒng)各模塊緊密銜接,有利于用戶入門(mén)機(jī)加工操作,通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)以及 VR 眼鏡、手柄等交互設(shè)備沉浸在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中,建立起對(duì)車床機(jī)械加工的整體認(rèn)知。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種基于VR技術(shù)的機(jī)加工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng),包括場(chǎng)景漫游、設(shè)備認(rèn)知、理論知識(shí)和操作模擬4大模塊單元,系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)戰(zhàn)性,對(duì)于操作者不需要依賴真實(shí)車床,只需要程序運(yùn)行即可對(duì)車床進(jìn)行操作與學(xué)習(xí),能夠較好地實(shí)現(xiàn)人與車床的交互?，F(xiàn)如今,VR早已步入機(jī)械行業(yè)[20],能夠讓使用者更快更好地學(xué)會(huì)如何操作機(jī)器,從而最大程度降低受傷的風(fēng)險(xiǎn),諸如此類的應(yīng)用中VR車床只是其中之一。虛擬實(shí)驗(yàn)在虛擬的空間中模擬了機(jī)械加工的交互界面,為用戶沉浸式地提供了富有構(gòu)想性的交互體驗(yàn)[21]。隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)的不斷發(fā)展,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也逐漸滲透到工程實(shí)踐和教學(xué)的各個(gè)方面,虛擬現(xiàn)實(shí)與系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革是一項(xiàng)有益的探索。