基于VR技術(shù)的虛擬智能車間實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張華振

(大連東軟信息學(xué)院，遼寧 大連 116000)

0 引 言

VR技術(shù)在社會(huì)實(shí)際應(yīng)用中又被稱為虛擬結(jié)合顯示技術(shù)，屬于多媒體技術(shù)的延伸，也是計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能傳感技術(shù)的智慧研究結(jié)晶。此項(xiàng)技術(shù)可以使人體“觸摸”到虛擬世界，并為其提供一種相對真實(shí)的虛擬空間視覺[1]。目前，相關(guān)VR技術(shù)的研究，已拓展到各個(gè)領(lǐng)域，包括醫(yī)療行業(yè)疾病診斷、工業(yè)生產(chǎn)的方針預(yù)測、水文地質(zhì)的模擬勘查等，并在市場內(nèi)受到了多個(gè)行業(yè)與領(lǐng)域的一致好評[2]。車間實(shí)訓(xùn)便是VR技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵指向，在設(shè)計(jì)與此方面相關(guān)的可運(yùn)行系統(tǒng)時(shí)，將車間機(jī)械生產(chǎn)理論與標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)流程作為依據(jù)，通過調(diào)用高新技術(shù)，為參與實(shí)訓(xùn)人員提供一個(gè)相對真實(shí)，且可以滿足信息與資源實(shí)時(shí)交互需求的全自動(dòng)化車間。在車間實(shí)訓(xùn)內(nèi)，操作人員可以直接操控技術(shù)，并通過移動(dòng)鼠標(biāo)與點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)屏幕的功能按鍵，選擇對車間內(nèi)任意一個(gè)功能進(jìn)行操控[3]。此外，也可以選擇車間內(nèi)部漫游模式，對其中不同設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，甚至可以觀察到車間內(nèi)機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)方式與零部件運(yùn)轉(zhuǎn)情況[4]。通過此種方式，可以為車間未上崗的工作人員提供一個(gè)真實(shí)的虛擬操作渠道。因此，本文系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，基于實(shí)質(zhì)層面，是具備現(xiàn)實(shí)意義的。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能車間實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的主體是各種機(jī)床設(shè)備，本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)選取了車床、銃床、刨床、磨床及鉗工等5個(gè)廣泛應(yīng)用的的機(jī)械設(shè)備來進(jìn)行智能操作。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 車間實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)服務(wù)器選型

服務(wù)器是基于VR技術(shù)的虛擬智能車間實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的信息處理中心。分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求并充分考慮運(yùn)算速度和平臺穩(wěn)定性，選用PC-124nbunt 56.2470服務(wù)器作為虛擬智能車間實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)硬件環(huán)境。該型服務(wù)器具有16個(gè)可擴(kuò)展處理器外設(shè)接口，滿足實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)多路并發(fā)工作模式的需求；128GB硬盤，可以滿足虛擬智能車間實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的虛擬保養(yǎng)學(xué)習(xí)的軟件運(yùn)行和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要[5-6]。

在智能車間實(shí)訓(xùn)中，選擇與之相對應(yīng)的設(shè)備之間虛擬現(xiàn)實(shí)功能連接，實(shí)現(xiàn)學(xué)生在虛擬環(huán)境下，對智能車間各項(xiàng)操作技能和知識的充分掌握[7-8]。結(jié)合VR技術(shù)，利用當(dāng)前實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主流設(shè)備中的計(jì)算機(jī)輔助裝置，實(shí)現(xiàn)本文系統(tǒng)與外部相關(guān)輔助學(xué)習(xí)設(shè)備的對接。為了保證系統(tǒng)中各類應(yīng)用程序在運(yùn)行過程中的使用性能，利用服務(wù)器中的傳輸加速裝置、數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)設(shè)備提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎头€(wěn)定性。

1.2 虛擬智能車間實(shí)訓(xùn)處理板選型

完成對系統(tǒng)服務(wù)器的型號選擇后，為保證系統(tǒng)能夠在實(shí)際中應(yīng)用，本文還采用OOIC24-280型號開發(fā)板，作為虛擬智能車間實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)硬件，用于構(gòu)建相對優(yōu)化可持續(xù)運(yùn)行的虛擬實(shí)訓(xùn)平臺。OOIC24-280開發(fā)板集成Cyclone系列的低成本OOIC芯片，采用60納米工藝為學(xué)習(xí)環(huán)境提供鑲嵌式乘法單元，屬于當(dāng)前中端市場內(nèi)，成本相對較低、結(jié)構(gòu)更加簡單的開發(fā)板設(shè)備。同時(shí)，該型號車間實(shí)訓(xùn)處理板，具有足夠的數(shù)據(jù)處理能力和存儲(chǔ)空間，滿足虛擬車間實(shí)訓(xùn)的數(shù)據(jù)處理要求。板上集成的28 MHz和32 MHz的時(shí)鐘源，滿足了運(yùn)算速度的需求；4 M同步靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器和兩個(gè)128 M動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，以及32 M快速保存動(dòng)畫編輯器，滿足了高畫質(zhì)的數(shù)據(jù)處理需求；集中式卡槽、網(wǎng)關(guān)等外圍設(shè)備提供了豐富的外圍接口；板上360～420個(gè)10.0*10.0的鑲嵌式乘法器，滿足虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)據(jù)處理和大批量數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸功能。為了實(shí)現(xiàn)虛擬視頻功能的可持續(xù)運(yùn)行，需要高端的中央處理器，intel Core i11-18200 M雙核數(shù)據(jù)處理器，具有105 MHz運(yùn)行速度，可提供在線32位進(jìn)制高效率算法，系統(tǒng)存儲(chǔ)容量為256 G，運(yùn)行程序存儲(chǔ)容量為256 kb，可實(shí)現(xiàn)對傳入的初始數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)去模糊處理、邊緣平滑處理等運(yùn)算需求。

2 基于VR技術(shù)的虛擬智能車間實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 基于VR技術(shù)的虛擬智能車間模型處理

在虛擬車間實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)當(dāng)中，建立模型時(shí)不需要像實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠一樣達(dá)到精細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)，僅需要利用各類文件中的數(shù)據(jù)信息，將其轉(zhuǎn)換為通用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，從而與3D Max建模軟件無縫對接，同時(shí)支持3D Max建模軟件和VR展示軟件，在修改過程中通常選用FBX格式文件。根據(jù)虛擬智能車間實(shí)訓(xùn)資源中獲取到的實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)資源，篩選出具有工業(yè)級別的.step格式的工程文件，并將其進(jìn)行虛擬化處理，形成智能車間實(shí)訓(xùn)虛擬模型[9-10]。模型中的各部位零件規(guī)格均以統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)形式輸入到系統(tǒng)當(dāng)中，并引入VR技術(shù)完成對虛擬智能車間實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)模型的構(gòu)建后，打組、命名并導(dǎo)出FBX格式文件。在實(shí)際應(yīng)用中，由于在修改過程中改變了原始文件的信息數(shù)據(jù)格式，因此在建模過程中模型的參數(shù)與實(shí)際參數(shù)會(huì)出現(xiàn)不一致問題，造成打組的方式與命名規(guī)范無法統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因此，針對虛擬智能車間實(shí)訓(xùn)模型后續(xù)的進(jìn)一步加工，還需要對其各部位零件進(jìn)行統(tǒng)一命名[11]。

在虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)境當(dāng)中，模型材質(zhì)缺乏定義標(biāo)準(zhǔn)，易造成材質(zhì)無法分辨而影響實(shí)訓(xùn)效果問題。因此，針對虛擬車間中的零件模型，以零部件為單位，用不同的顏色、透明度方式加以區(qū)分，增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)中細(xì)節(jié)的分辨能力，以提高虛擬智能車間實(shí)訓(xùn)的真實(shí)性。

2.2 車間實(shí)訓(xùn)內(nèi)容演示與學(xué)習(xí)

在進(jìn)行車間實(shí)訓(xùn)內(nèi)容演示與學(xué)習(xí)時(shí)，需要以動(dòng)畫演示的形式指導(dǎo)零部件的裝配操作[12-13]。針對這一實(shí)訓(xùn)需求條件，在本文實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中還需要表現(xiàn)出模型當(dāng)中各個(gè)零部件的三維形態(tài)。利用12.22.21Itween插件對車間實(shí)訓(xùn)中的各個(gè)零部件進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作。設(shè)計(jì)流程主要包括：

(1)明確并分離需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的目標(biāo)零部件；

(2)設(shè)定目標(biāo)零部件移動(dòng)起始和終止位置；

(3)記錄動(dòng)畫過程中，完成相應(yīng)操作所需時(shí)間以及具有的線性規(guī)律[14]。

通過控制虛擬智能車間中目標(biāo)零部件，由當(dāng)前位置轉(zhuǎn)移到拆卸或裝配位置，利用相應(yīng)程序還可以實(shí)現(xiàn)對車間實(shí)訓(xùn)過程的動(dòng)畫教學(xué)演示，增強(qiáng)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的交互性。

3 對比實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢，將其與傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)同時(shí)引入到某高職院校機(jī)械工程專業(yè)當(dāng)中，由學(xué)生志愿者作為系統(tǒng)用戶，分別運(yùn)用兩種實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)完成學(xué)習(xí)，以此完成如下對比實(shí)驗(yàn)。

結(jié)合車間訓(xùn)練要求和目的，在兩種實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中構(gòu)建虛擬實(shí)訓(xùn)用例，并對兩種系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行功能是否能夠正常運(yùn)行進(jìn)行檢驗(yàn)。

為測試本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)?shí)訓(xùn)資源進(jìn)行高精度分配，通過對比實(shí)驗(yàn)，將新系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 兩種系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)資源分配模擬結(jié)果

通過表1可知，傳統(tǒng)系統(tǒng)雖然能夠?qū)?shí)訓(xùn)資源進(jìn)行分配，但是分配精度不高，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠?qū)?shí)訓(xùn)資源進(jìn)行高精度分配。

為了保證對比實(shí)驗(yàn)具有真實(shí)可靠性，兩種實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)均選擇機(jī)械工程專業(yè)課程當(dāng)中的“車削技術(shù)”教學(xué)內(nèi)容作為實(shí)訓(xùn)案例，分別對“車床結(jié)構(gòu)展示”、“三爪卡盤運(yùn)行原理演示”和“傳動(dòng)軸工件切削”在整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中運(yùn)行。3種實(shí)訓(xùn)內(nèi)容分別需要不同類型和數(shù)量的學(xué)習(xí)資源，通過對比兩種實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)對學(xué)習(xí)資源的分配正確數(shù)量，驗(yàn)證兩種實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表2中可見，本文實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)正確分配數(shù)量與實(shí)訓(xùn)內(nèi)容所需的學(xué)習(xí)資源數(shù)量完全相同，說明本文實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)能夠完成對上述3個(gè)不同實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的高精度實(shí)訓(xùn)資源分配，而傳統(tǒng)系統(tǒng)正確分配數(shù)量明顯無法滿足實(shí)訓(xùn)所需學(xué)習(xí)資源數(shù)據(jù)量。

表2 兩種實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比表

通過對比實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，更有助于幫助學(xué)生志愿者完成對車間相關(guān)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的技能學(xué)習(xí)。

4 結(jié)束語

為打破傳統(tǒng)車間實(shí)訓(xùn)時(shí)間和空間上的限制，設(shè)計(jì)一種全新的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果。同時(shí)，本文系統(tǒng)除了能夠完成上述實(shí)訓(xùn)內(nèi)容以外，還可以實(shí)現(xiàn)對智能車間的仿真加工、仿真裝配等實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。