虛擬現(xiàn)實技術(shù)在自動化加工中的應(yīng)用

沈國森 （天津市鐵合金廠，天津 300400)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在自動化加工中的應(yīng)用

沈國森 （天津市鐵合金廠，天津 300400)

介紹了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念、特點、基本要素及重要性。分析了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工業(yè)自動化加工過程中的應(yīng)用，如三維造型、虛擬制造等，對其應(yīng)用發(fā)展前景進行了展望。隨著三維造型技術(shù)及虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，機械加工過程將會全面實現(xiàn)自動化。

虛擬現(xiàn)實技術(shù) 三維造型 計算機 機床 自動化 應(yīng)用

1 引言

在過去的幾十年中，計算機技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，已深入到人類生產(chǎn)生活中的各個領(lǐng)域。計算機技術(shù)不僅把人們從繁重的計算任務(wù)中解放出來，同時還為人們提供了友好的交互界面。如何同計算機進行有效的交流便成為一項重要的任務(wù)，現(xiàn)在主要的交流方式是通過鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等設(shè)備，并沒有實現(xiàn)人機之間的交互性。人與計算機的交流并沒有實現(xiàn)像現(xiàn)實環(huán)境中人與人或者人與周圍環(huán)境的交流那樣進行。為方便人與計算機的交流，使人置身于一種“真實”的環(huán)境中，Sutherland在1965年提出“通過屏幕人們可以觀察一個看起來真實、動起來真實、聽起來真實、感覺真實的虛擬世界”。虛擬現(xiàn)實技術(shù)（virtual reality，VR)是由計算機產(chǎn)生一個集視、聽、觸、力等感覺于一體的沉浸式交互式環(huán)境，操作者借助必要的設(shè)備以人類自然的方式同虛擬三維環(huán)境中的物體進行交互，產(chǎn)生身臨其境的感受與體驗。虛擬現(xiàn)實技術(shù)融合了數(shù)字圖像處理、計算機圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器與測量技術(shù)、仿真與人工智能等多個信息技術(shù)。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是以計算機硬件的飛速發(fā)展及軟件的多樣化為基礎(chǔ)，使參與者能交互地觀察和操縱系統(tǒng)生成的虛擬世界。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)及基本要素

2．1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點

虛擬現(xiàn)實有三大特點：沉浸性（immersion)、交互性（interactivity)和構(gòu)想性（imagination)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的目的就是使用戶感覺自己處在計算機系統(tǒng)所建立的虛擬環(huán)境之中，使人能全方位體驗虛擬世界中的各個因素，感覺自己是其中參與者。在虛擬環(huán)境中，用戶的真實度感受是衡量虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一項重要指標(biāo)。在這種“真實”環(huán)境中人們不僅能夠看到，而且還可以聽到、“觸摸”到，甚至可以通過嗅覺來感受虛擬環(huán)境中發(fā)生的一切。這種感覺使人們完全沉浸在虛擬世界所創(chuàng)造的環(huán)境中，這就是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的首要特征——沉浸性。在虛擬環(huán)境中，用戶可以直接控制虛擬場景中虛擬物體的各種參數(shù)，如運動的速度、方向等，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠?qū)崟r向用戶反饋操縱信息和結(jié)果，同時用戶可以將自己的動作通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教摂M系統(tǒng)中，這就是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交互性[1-3]。構(gòu)想性是指虛擬場景的構(gòu)建是人們思想的直接體現(xiàn)，是人們?yōu)榱诉_到一定目的而構(gòu)建的，人類的思想在其中具有指導(dǎo)性。

2．2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本要素

虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要由檢測模塊、反饋模塊、傳感器模塊、控制模塊、建模模塊、3D模塊等部分組成，如圖1所示。

圖1 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)構(gòu)成

檢測、反饋模塊包括多種感知手段的硬件設(shè)備及傳感器，它包括顯示器、頭盔顯示器、立體投影、立體音響設(shè)備以及各種力的測量及反饋設(shè)備。用戶通過控制模塊，包括頭盔跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、肢體衣等來實現(xiàn)用戶對周圍環(huán)境指令的下達，控制虛擬場景中虛擬物體的實時交互動作。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的控制主要由兩部分完成：技術(shù)工具和人體自身。在虛擬現(xiàn)實環(huán)境技術(shù)中，人不僅可以控制當(dāng)下的活動和可能產(chǎn)生的結(jié)果，還可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)控制異時異地的活動和結(jié)果[4-7]。人的控制在整個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中發(fā)揮了決定性作用，其主觀能動性得到了充分的發(fā)揮，同時體現(xiàn)了計算機技術(shù)控制系統(tǒng)的精確、數(shù)據(jù)量大等特點。

3 虛擬現(xiàn)實在工業(yè)自動化生產(chǎn)中的應(yīng)用

在工業(yè)領(lǐng)域中，實現(xiàn)自動化一直是各制造部門所追求的目標(biāo)。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，其越來越多地應(yīng)用到自動化生產(chǎn)中。虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用不僅可以提高生產(chǎn)效率，更重要的是可以避免一些不必要的損失和浪費，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將在將來的工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮越來越重要的作用。以下簡單介紹虛擬現(xiàn)實在工業(yè)生產(chǎn)中的主要應(yīng)用。

3．1 三維造型

三維造型技術(shù)是工業(yè)自動化的基礎(chǔ)，通過虛擬的三維圖像可使產(chǎn)品更加直觀。它是通過三維造型軟件對待加工工件的線框、曲面等進行描述來建立起立體的、有光有色的虛擬產(chǎn)品。三維圖像更加符合人們的思維習(xí)慣和視覺習(xí)慣。在產(chǎn)品設(shè)計過程中充分體現(xiàn)了創(chuàng)作者的構(gòu)想性。作為虛擬現(xiàn)實的基礎(chǔ)，三維造型為整個虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供了虛擬的場景及場景中的物體。目前比較常用的三維造型軟件有UG、ProE、SolidWorks、3DMAX、MDT等。典型硬件見圖2。

圖2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)硬件

三維造型技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)、銷售各個階段起到越來越重要的作用。在產(chǎn)品設(shè)計階段，它能夠為機械工程師提供直觀的產(chǎn)品模型，節(jié)約時間和成本;在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，它向生產(chǎn)者呈現(xiàn)一個更加直觀的效果，避免了二維圖容易產(chǎn)生錯誤的可能;在產(chǎn)品市場調(diào)研銷售階段，它可以為用戶提供一個直觀的概念，便于攜帶，并且節(jié)約了樣機的生產(chǎn)成本。

3．2 虛擬制造

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工業(yè)自動化領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，虛擬制造就是其中重要的一種。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的引入實現(xiàn)了加工過程的可視化、易管理化，提高了生產(chǎn)效率。

3．2．1 虛擬機床系統(tǒng)

虛擬機床系統(tǒng)包括：虛擬機床庫、虛擬刀具庫、虛擬加工工藝等內(nèi)容。本研究是在數(shù)控虛擬機床上完成的，虛擬機床系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 虛擬機床界面

圖3中，左側(cè)為虛擬加工場景;右側(cè)為模擬數(shù)控機床控制面板，其中左上角為現(xiàn)實程序，其余為控制按鈕，該界面完全仿照實際數(shù)控機床界面制作。該系統(tǒng)能夠模擬在數(shù)控機床上能夠完成的各種操作。

本實驗所用的虛擬機床能夠?qū)崿F(xiàn)從編程到加工的所有流程，并且具有多種形式的加工軌跡現(xiàn)實和仿真形式，可以自由選配各種類型加工方式。該虛擬機床具有操作簡單、界面逼真、系統(tǒng)維護方便，開放性好和便于用戶進行二次開發(fā)和集成等特點。

3．2．2 加工軌跡規(guī)劃

它能夠根據(jù)零件毛坯所要加工出的零件的尺寸形狀、零件同夾具之間的空間和刀具的特征參數(shù)，自動選擇合適的加工方法，包括刀具的進給路徑、切削路徑、退刀路徑及每次進給量，并能夠自動完成粗加工和精加工的調(diào)節(jié)，預(yù)測在加工過程中是否會發(fā)生干涉、撞刀等危險，選擇合適的進刀點和退刀點。

本研究通過模擬加工長140 mm、直徑50 mm的棒料，加工過程根據(jù)程序設(shè)計，分析刀具切入點是否會發(fā)生干涉，每次進刀量、退刀路徑等內(nèi)容的最佳選擇;虛擬現(xiàn)實技術(shù)的引入避免了實際加工過程中物料的損失和不必要的傷害。圖4所示為本研究中模擬的刀具軌跡。

圖4 模擬道具軌跡圖

4 虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用展望

虛擬現(xiàn)實是一個充滿活力、具有巨大應(yīng)用前景的高新技術(shù)領(lǐng)域，其研究內(nèi)容涉及到計算機科學(xué)、計算機圖形學(xué)、人工智能、傳感器、心理學(xué)等，是許多相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域交叉的產(chǎn)物。雖然虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用前景非常廣闊，但它目前仍處于初級階段，存在著許多尚未解決的理論問題和技術(shù)障礙，這些方向都是將來研究工作的重點。在工業(yè)應(yīng)用方面，三維繪圖軟件經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)比較完善，特別是UG、ProE、Solid－Works、3DMAX、MDT等專業(yè)三維軟件的發(fā)展在三維造型及虛擬加工上已取得了一定的成果。由于三維軟件和機械加工的接口上還存在缺口，促使了虛擬技術(shù)在工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中的應(yīng)用。隨著三維造型技術(shù)及虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，相信機械加工過程將全面實現(xiàn)自動化。

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Application of Virtual Reality Technology to Automatic Machining

Shen Guosen

The concept,characteristics,basic elements and importance of virtual reality technology are introduced.The author analyzes its application to industrial automatic machining,such as 3D modeling and virtual reality manufacturing,and forecasts its development prospects.With the continuous development of 3D modeling and virtual reality technology,full automation in machining process will be achieved.

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（收稿 2011－03－27 責(zé)編 潘娜)

沈國森，畢業(yè)于天津大學(xué)自動化專業(yè)，主要從事35 kV電站的管理工作。