LJ-10MC虛擬機床建模及應用

一、虛擬現實技術與應用

虛擬現實技術是20世紀80年代末90年代初崛起的一種實用技術。它是由計算機硬件、軟件以及各種傳感器構成的三維信息人工環境——虛擬環境，可以真實地模擬現實世界可以實現的(甚至是不可實現的)物理上、功能上的事物和環境。用戶投入到這種環境中，有“親臨其境”的感覺，并可親自操作、實踐，與虛擬環境交互作用。虛擬現實技術建立在三維計算機圖形學技術、多功能傳感及交互接口技術、高清晰度顯示技術等一系列新技術的基礎上。虛擬現實系統主要由計算機、顯示設備、位置跟蹤設備及其他交互設備等硬件及相關軟件構成。虛擬現實技術已在產品和建筑設計、產品(如汽車)壽命及安全試驗、電影拍攝、娛樂休閑、體育健身、教育培訓、軍事演習、醫療診斷等諸多領域得到廣泛應用，是21世紀的一種新型技術。

虛擬現實技術在機械方面也得到了廣泛應用。在數控加工仿真方面，國內外的研究過程大體相似，經歷了從二維圖形仿真、線框模型仿真到三維實體模型仿真的階段。虛擬數控機床可以模擬出數控機床的操作步驟以及原理。利用虛擬現實軟件建立出一個虛擬的數控機床模型，根據其工作原理以及工作流程做成虛擬動畫，并嵌入視頻、圖片、文字、解說詞等各種多媒體手段，制成一個完整的數控機床教學軟件。與動畫不同的是，利用虛擬現實技術不僅可以讓學習者能看到數控機床操作的畫面，而且能夠深入其中進行各種交互操作。學習者不僅是教學畫面的被動接受者，也是畫面的控制者，大大提高了學習者的參與性和互動性，讓教與學樂在其中。虛擬現實技術能夠使教師、學習者從任意角度實時看到設備操作效果，更好地掌握設備的操作流程和規律。這是傳統文字、流程圖、效果圖、錄像乃至動畫等教學手段所不能達到的。通過使用虛擬數控機床進行互動操作，學習者可以更好地學習數控機床的原理和操作流程。并在電腦里模擬完成機床的所有操作，利用虛擬互動技術完成數控機床的所有功能。這樣不需要購置昂貴的機床設備，也不受場地和空間限制，只要足夠的電腦設備即可。一個軟件就可以提供給很多學習者參與學習和培訓機會，從而大大提高了學習效率，節約了培訓成本。

Lj-10MC虛擬機床是利用數控技術和虛擬現實技術相結合完成的一種虛擬操作機床。LJ-10MC虛擬機床仿真軟件主要利用CATIA、3dmax、Virtools等軟件對實際存在的物體進行虛擬。虛擬現實技術應用于數控車銑中心的培訓系統中，可以通過計算機產生數控車銑中心被加工工件的虛擬造型，加入音響效果和運動仿真，并配有控制面板， 學員根據虛擬環境提供的視覺、聽覺、觸覺感受， 可以感受到與操作實際的數控車銑中心一樣的狀態。與傳統的數控車銑中心培訓相比， 此系統極大地提高了系統的主動性、交互性和沉浸感等性能， 給學員逼真的感受， 改善了數控加工培訓的教學效果， 并且大大降低了開發成本，避免由于操作不當造成的危險，大大提高了實際操作的精確性，減少事故的發生。

Lj-10MC虛擬機床有許多部分組成，其中床身部分的設計主要就是為了完成以下動作:機床防護門的打開與關閉、卡盤的夾緊與松開、主軸的旋轉與停轉、尾座的移動、對刀時對刀儀的落下。

要完成以上動作的虛擬首先要用CATIA軟件對機床床身各部分進行三維建模，然后再利用3dmax軟件對建好的三維模型進行優化，貼材質、渲染、烘焙等操作。最后將模型倒入virtools軟件中對其進行腳本的編制以完成機床各個動作的正確運作，利用Virtools的VR Pack模塊，完成多種虛擬實境硬件整合。配合三維立體顯示系統，實現近乎真實的虛擬現實機床的運作。

二、各部件尺寸的測繪

數控車銑中心(Lj-10MC)機床床身主要由以下幾部分組成:機床防護門、卡盤(包括卡爪)、刀架、導軌、尾座、對刀儀。

最開始要做的工作是對實際機床床身的各部件進行測量，得出準確的尺寸數據。根據測得的數據繪制草圖，尾座草圖如上圖所示。

三、CATIA軟件中的建模

對各個部件進行建模是設計的關鍵步驟。要在虛擬現實環境中進行基于實景的建模要考慮的問題包含三個方面:逼真性、實時性、可控性。建模主要取決于圖形處理的軟硬件體系結構，特別是硬件加速器的圖形處理能力以及圖形生成所采用的各種加速技術。根據虛擬場景的復雜程度和真實感程度，靈活選擇建模技術，是目前建模研究的主要內容。基于上述因素采用CATIA軟件對實體進行三維建模，因為CATIA軟件具有強大的三維建模功能，可以滿足任何三維造型設計的要求。

在創建三維模型時，CATIA軟件的一般做法是先在草繪模式下根據實際測得的床身各部件尺寸嚴格的繪制二維平面圖，然后由二維平面圖生成三維實體或曲面圖。

四、機床模型的組裝

各零部件模型建立完畢后，要對其逐一進行組裝最終完成機床的模型。在進行組件裝配管理時，CATIA的基本結構能夠使用戶利用一些直觀的命令，例如:【相合】、【聯系】、【偏移】、【角度】等命令很容易地把零件裝配起來，同時保持設計意圖。高級的功能支持大型復雜裝配體的構造和管理，這些裝配體中零件的數量不受限制。

五、后期工作

1.渲染

在將建好的模型導入到Virtools之前，要對場景里的各個模型進行優化和美化，即給模型賦予材質和貼圖，也就是營造真實的三維場景。用實際物體的材質和貼圖，賦予建立好的三維模型，整個過程就是三維場景的渲染，結果是在3d max中用渲染技術模擬出一接近真實的三維場景。

2.烘焙

渲染之后還要對模型進行烘焙，主要是為了減少計算機資源的占有量。烘焙技術也叫Render To Textures，簡單來說就是一種把max光照信息渲染成貼圖的方式，然后把烘焙后的貼圖再貼回到場景中去。這樣就使光照信息變成了貼圖，不需要CPU再費時計算了，所以速度極快。由于在烘焙前需要對場景進行渲染，所以貼圖烘焙技術對于靜幀來講意義不大。這種技術主要應用于游戲和建筑漫游動畫里面，這種技術實現了把費時的光能傳遞計算應用到動畫中去的實用性，也能省去光能傳遞時動畫抖動的麻煩。

3.VIRTOOLS軟件中實現互動效果

在場景烘焙完以后，并將貼圖一一修改好，接下來利用虛擬現實軟件Virtools，根據機床的實際運轉方式通過腳本的編輯實現各部分動作。

Virtools通過直覺式圖形開發介面，開發人員只需要拖曳所需要的行為模組就可以建構出復雜的互動應用程序。可以同時滿足無程序背景的設計人員以及高階程序設計師的需要，再復雜互動應用程序也可以用最簡單的方式完成。Virtools可以讓3D美術設計與程序人員進行良好的分工與合作，有效縮短專案或產品的開發時間。由于內建超過450組的行為模組，更可以讓使用者快速設計出多樣的3D數位內容。

(作者單位:山東省萊蕪市高級技工學校)