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      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)

      2023-05-30 03:09:46林凱
      佛山陶瓷 2023年5期
      關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)研究

      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。

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