杜寶江，倪佳偉，杜秋雨，王衍昊

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

車床卸料工藝虛擬培訓(xùn)技術(shù)研究

杜寶江，倪佳偉，杜秋雨，王衍昊

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

針對(duì)裝備制造業(yè)對(duì)操作人員的專業(yè)技能和經(jīng)驗(yàn)要求的不斷提高，在機(jī)械培訓(xùn)中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有助于解決這個(gè)問題。文中提出了機(jī)械工藝虛擬培訓(xùn)技術(shù)的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，利用VRML虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言搭建虛擬培訓(xùn)場(chǎng)景及進(jìn)行模型動(dòng)作的控制，采用外部高級(jí)語言接口方式實(shí)現(xiàn)VRML與VB.net通信，提高了人機(jī)的交互性。設(shè)計(jì)完成了一種針對(duì)車床卸料工藝的虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，為培訓(xùn)機(jī)械操作人員提供了有效的解決方案。

虛擬現(xiàn)實(shí)；VRML；高級(jí)語言；交互性

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的培訓(xùn)(簡(jiǎn)稱虛擬培訓(xùn)),打破了傳統(tǒng)培訓(xùn)模式的局限性，被越來越多的人和企業(yè)意識(shí)到了其重要性，培訓(xùn)需求呈增長(zhǎng)趨勢(shì)[1]。虛擬培訓(xùn)技術(shù)能為用戶提供直觀、友好的圖形化培訓(xùn)環(huán)境，具有仿真性、開放性、超時(shí)空性、可操作性和安全性等特征，既有理論研究的價(jià)值，又有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)和市場(chǎng)[2]。被培訓(xùn)人員依托計(jì)算機(jī)就能實(shí)現(xiàn)被培訓(xùn)的目的，可使教育投入減少，效率大幅提高，不必?fù)?dān)憂教育工作者本身影響教育質(zhì)量，這也是虛擬培訓(xùn)的優(yōu)勢(shì)所在[3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 任務(wù)方案

被培訓(xùn)對(duì)象首先要熟悉相關(guān)工藝的流程，通過虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)中的自動(dòng)流程演示功能模塊來學(xué)習(xí)掌握工藝知識(shí)，并通過其中的交互功能模塊實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作練習(xí)，達(dá)到理論結(jié)合實(shí)際的效果。如圖1所示，是一臺(tái)加工大型軸類零件的臥式車床，在該虛擬場(chǎng)景中具有多個(gè)可互動(dòng)的區(qū)域，分別是：1.雙刀架及操作手輪；2.四爪卡盤及操作手輪；3.卡盤架及操作手輪；4.頂針架及操作手輪；5.支撐環(huán)；6.機(jī)床操作面板(總電源、啟動(dòng)、停止)；7.卸料放置區(qū)域；8.方向標(biāo)識(shí)；9.上料堆料區(qū)；10.下料堆料區(qū)。被培訓(xùn)對(duì)象可在這10個(gè)區(qū)域內(nèi)得到相應(yīng)的培訓(xùn)和操作練習(xí)。

圖1 虛擬場(chǎng)景互動(dòng)區(qū)域示意圖

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

硬件組成：如圖2所示，以PC操作終端為核心，采用圖形工作站，26英寸專業(yè)圖形顯示器，1 920×800的高分辨率畫質(zhì)，能夠把大型生產(chǎn)系統(tǒng)的整體運(yùn)行環(huán)境和工位運(yùn)行細(xì)節(jié)表達(dá)清楚。

圖2 虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)硬件組成

軟件組成：如圖3所示，虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)分為場(chǎng)景建模、場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)和虛擬交互。場(chǎng)景建模是將虛擬場(chǎng)景與對(duì)象通過數(shù)學(xué)方法表達(dá)成存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的三維圖形對(duì)象的集合，采用VRML(Virtual Reality Modeling Language)[4-5]與3DMAX[6-7]作為場(chǎng)景建模工具，通過實(shí)時(shí)的方式完成場(chǎng)景模型建立，獲得較為逼真的操作訓(xùn)練環(huán)境；場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)是根據(jù)所建立的場(chǎng)景模型以及場(chǎng)景中各類虛擬對(duì)象運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)參數(shù)生成實(shí)時(shí)視景，通過解析數(shù)據(jù)信息和用戶指令，生成相應(yīng)的虛擬場(chǎng)景動(dòng)作代碼，從而實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景中物體的運(yùn)動(dòng)控制以及場(chǎng)景視角的切換[8]；虛擬交互是采用與實(shí)際設(shè)備操控界面相仿的虛擬界面，學(xué)員可以使用鼠標(biāo)鍵盤等模擬操作，通過用戶接口模塊接收用戶發(fā)出的各項(xiàng)指令并把執(zhí)行后的數(shù)據(jù)、結(jié)果反饋給用戶，從而實(shí)現(xiàn)與虛擬場(chǎng)景的交互。

圖3 虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)軟件組成

2 場(chǎng)景建模

三維建模是整個(gè)虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)，主要包括幾何建模和物理建模。虛擬系統(tǒng)的模型一般使用規(guī)定的格式來表達(dá)，目前常用的有VRML格式和3DXML等[9]。本文使用VRML建模語言構(gòu)造了幾個(gè)關(guān)鍵模型，如圖4所示：(1)工件—粗加工后的軸，長(zhǎng)度9 800 mm，直徑500 mm，重量約15 T；(2)機(jī)床—TP150臥式車床，長(zhǎng)15 000 m，中心高1 000 mm；(3)行車—雙梁，55 T。

圖4 虛擬場(chǎng)景三維模型

3 場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)

在虛擬環(huán)境中，動(dòng)態(tài)的設(shè)備模型可以形象逼真地模擬出真實(shí)的車間加工場(chǎng)景，直觀地反映出實(shí)際設(shè)備之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。通過傳感器和外界控制信息來驅(qū)動(dòng)虛擬場(chǎng)景模型，在VRML中添加位置插補(bǔ)器(PositionInterpolator)和時(shí)間傳感器[10](TimeSensor)，將時(shí)間控制參數(shù)作為事件傳送給位置插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)，插補(bǔ)器根據(jù)設(shè)計(jì)的時(shí)間關(guān)鍵點(diǎn)(Key)和動(dòng)畫關(guān)鍵值(Key Value)在瀏覽器中形成連續(xù)變化的動(dòng)畫效果。以雙梁行車為例，在VRML中其驅(qū)動(dòng)控制的關(guān)鍵代碼如下：

DEF HangChe Transform {children[ ] }

# 定義行車靜態(tài)模型

……

DEF Hook-TIMER TimeSensor

{cycleInterval 40 } #行車移動(dòng)周期40s

DEF Hook-POS PositionInterpolator

{ #定義行車位置插補(bǔ)器

key [0,0.05,0.1, 0.2, 0.6, 0.8,0.85,1 ]

#設(shè)置行車移動(dòng)周期

keyValue [0 0 2, 0 0 4.65, 0 0 4.65, 0 0 2.9, 0 0 2.65, 0 0 4.1, 0 0 4.1, 0 0 2]

#設(shè)置行車移動(dòng)的各個(gè)位置坐標(biāo)

}

DEF Rope-Script Script

{#吊繩運(yùn)動(dòng)控制腳本

eventIn SFVec3f P

#定義函數(shù)P為Script入口

field SFNode Rope USE Rope

#定義Rope變量表示吊繩物理模型

field SFNode RTT USE RopeTT

#定義RTT變量表示吊繩紋理模型

url "javascript:function P()

{Rope.scale[2]=(P[2]+0.59)/0.59;

#吊繩模型長(zhǎng)度方向上的伸縮變化

RTT.scale[1]=2*(P[2]+0.8)/0.8;}"

#吊繩貼圖紋理長(zhǎng)度方向上的伸縮變化

}

4 虛擬交互的實(shí)現(xiàn)

在運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言VRML搭建虛擬環(huán)境模型的基礎(chǔ)上，通過對(duì)模型物理性質(zhì)的約束，交互行為邏輯的建立，軟件系統(tǒng)與外設(shè)硬件設(shè)備接口的開發(fā)和數(shù)據(jù)整合，以及對(duì)系統(tǒng)整體各種資源、接口的管理、采用外部高級(jí)語言接口EAI(External Authoring Interface)來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互[11-13]的方式，使人真正地參與到整個(gè)控制過程中，繼而實(shí)現(xiàn)整個(gè)虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用交互。

4.1 系統(tǒng)圖形用戶界面建立

圖形用戶界面是用戶與程序交互的方式，通過它可以接收輸入信息并實(shí)時(shí)的輸出虛擬環(huán)境的交互結(jié)果[14-15]。本文通過Visual Studio.net快速開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)了圖形交互界面，該交互界面分為兩大塊：一塊是操作菜單區(qū)，分別為動(dòng)態(tài)注解區(qū)，車床操作區(qū)，行車操作區(qū)和視點(diǎn)切換；另一塊為虛擬車間場(chǎng)景瀏覽區(qū)。具體的界面功能模塊如下：

(1)動(dòng)態(tài)注解區(qū)，用于顯示上次所實(shí)施的操作及設(shè)備狀態(tài)；

(2)車床操作區(qū)，用于操作虛擬機(jī)床，共設(shè)計(jì)了9個(gè)步驟操作，具有步驟提示功能，如圖5所示；

圖5 車床操作面板

(3)行車操作區(qū)，用于操作虛擬行車，具有手動(dòng)、自動(dòng)的切換以及行車的調(diào)速功能，并設(shè)計(jì)了行車吊鉤的互動(dòng)操作功能，可實(shí)現(xiàn)張繩、收繩、掛鉤與脫鉤4個(gè)動(dòng)作，如圖6所示；

圖6 行車操作面板

(4)視點(diǎn)切換，用于調(diào)整瀏覽區(qū)中虛擬場(chǎng)景的平面布局，方向移動(dòng)，觀察點(diǎn)瀏覽等，如圖7所示；

圖7 視點(diǎn)切換面板

(5)瀏覽區(qū)，用于顯示 VRML三維虛擬場(chǎng)景，如圖8所示。

圖8 虛擬場(chǎng)景瀏覽區(qū)

4.2 高級(jí)語言與VRML交互功能實(shí)現(xiàn)

本文采用BS Contact ActiveX 控件，是由Bitmanagement公司開發(fā)的一款可視化平臺(tái)的編程插件，它是基于EAI的連接機(jī)制，是一種介于VRML虛擬環(huán)境與外部環(huán)境的編程接口，該接口提供用于 VRML 腳本節(jié)點(diǎn)所支持語言的接口，使得一個(gè)外部程序可以訪問和控制現(xiàn)有的 VRML事件模型中的節(jié)點(diǎn)，提供方法，可操作屬性，事件和相關(guān)對(duì)象[16]。

(1)初始化操作。初始化BS Contact窗口的位置大小，調(diào)用虛擬場(chǎng)景，初值預(yù)設(shè)等。其中AxContact3D是AxContact3Dlib命名空間下的類對(duì)象，AxContact3D1.url是調(diào)用虛擬場(chǎng)景的方法，代碼如下：

Me.WindowState= FormWindowState.Maximized

∥設(shè)置程序窗口，Maximized是最大化值

AxContact3D1.url = "index.wrl"

∥BS Contact ActiveX控件調(diào)取.wrl格式文件；

(2)視點(diǎn)切換。在虛擬環(huán)境的演示過程中，通過自由旋轉(zhuǎn)能夠從不同角度觀看虛擬場(chǎng)景中的物體。但是用鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)還是不太方便，視點(diǎn)定位也不準(zhǔn)確。通過定義不同的Viewpoint節(jié)點(diǎn)，能夠確立不同的視點(diǎn)。視點(diǎn)之間的切換要通過AxContact3D.viewpoint方法來實(shí)現(xiàn)。代碼如下：

AxContact3D1.viewpoint="V_XieLiao_JiaGong_cam" ∥調(diào)用卸料加工的攝像機(jī)視角；

(3)場(chǎng)景控制。BS Contact ActiveX 控件的AxContact3D類中的setNodeEventIn()方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)VRML場(chǎng)景的通訊傳參，從而可以控制虛擬場(chǎng)景的動(dòng)作。代碼如下：

AxContact3D1.setNodeEventIn("HC-26-XieLiao", "RopeOpenClose", RopeScaleStep)

上例中，HC-26-XieLiao為雙梁行車，RopeOpenClose為吊繩控制器，RopeScaleStep為數(shù)值參數(shù)控制張繩和收繩，正值張開，負(fù)值收起。RopeScaleStep的值賦給了吊繩控制器，通過計(jì)算輸出給行車吊繩以實(shí)現(xiàn)動(dòng)作。

最終完成的車床卸料工藝虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 車床卸料工藝虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)

5 結(jié)束語

虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)能滿足信息時(shí)代技能培訓(xùn)不斷變化的需求，是一種高水平、高效率、低費(fèi)用的新型柔性培訓(xùn)模式，它使得人員培訓(xùn)無論是在應(yīng)用范圍、時(shí)間選擇、還是在培訓(xùn)的難易程度、績(jī)效考核上都有著較強(qiáng)的優(yōu)越性。本文利用VRML虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言建立虛擬培訓(xùn)的場(chǎng)景模型，通過在虛擬場(chǎng)景中添加位置插補(bǔ)器和時(shí)間傳感器，實(shí)現(xiàn)物體模型的驅(qū)動(dòng)，通過對(duì)模型物理性質(zhì)的約束，交互行為邏輯的建立，軟件系統(tǒng)與外設(shè)硬件設(shè)備接口的開發(fā)、數(shù)據(jù)整合，以及對(duì)系統(tǒng)整體各資源、接口的管理，繼而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用交互。最終設(shè)計(jì)完成了一套車床卸料工藝虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，為現(xiàn)代培訓(xùn)教育提供了新手段。

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Research of Virtual Training Technique for Lathe Unloading Process

DU Baojiang，NI Jiawei，DU Qiuyu，WANG Yanhao

(College of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093)

With the rapid development of equipment manufacturing industry, professional skills and experience of the operator continually increase demands, so their training is increasingly important. Introduction of virtual reality technology in mechanical training can help solve this problem. Proposing the design concepts and design method for mechanical process of virtual training technique , using VRML virtual reality modeling language to build virtual training scenarios and control model, Using external language interfaces to realize communication between VRML and VB.net and improved human-computer interaction. Finally completed a set of virtual training system for lathe unloading technology to provide efficient solutions and practical reference for training operators.

virtual reality;VRML;high-level language;interactive

2016- 05- 24

杜寶江(1962-)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：虛擬制造技術(shù)等。倪佳偉(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：虛擬制造技術(shù)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.04.038

TP391.9

A

1007-7820(2017)04-152-04