VR技術(shù)在機(jī)械加工虛擬仿真教學(xué)中的應(yīng)用

張鈺，李瑋，張利兵，王敏，郭子圣

（西南林業(yè)大學(xué)，昆明 650224）

0 引言

目前，我國(guó)在機(jī)械加工實(shí)訓(xùn)教育中存在諸多的問(wèn)題，如教學(xué)成本較高、安全隱患頗多、教師示范操作演示效果不佳等（圖1為傳統(tǒng)教學(xué)中的數(shù)控車(chē)床）。VR技術(shù)的出現(xiàn)能夠很好地解決我國(guó)在機(jī)械加工實(shí)訓(xùn)教育中遇到的諸多問(wèn)題。利用VR技術(shù)搭建的虛擬仿真空間可模仿真實(shí)的機(jī)加工設(shè)備（如圖2），讓使用者能夠身臨其境，對(duì)虛擬空間中的情景有直觀(guān)的感受。虛擬仿真教學(xué)是一種理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更是未來(lái)教學(xué)智能化、虛擬化、興趣化、安全化的一個(gè)縮影[1]。

圖1 數(shù)控車(chē)床

圖2 VR虛擬仿真教學(xué)空間中的數(shù)控車(chē)床

將VR技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械加工實(shí)訓(xùn)的教學(xué)中，采用VR技術(shù)仿真各類(lèi)機(jī)床，以實(shí)現(xiàn)機(jī)床的拆裝、數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)的虛擬教學(xué)、數(shù)控產(chǎn)品的加工等多種操作，通過(guò)直觀(guān)形象的展示和操作，完成了傳統(tǒng)教學(xué)無(wú)法完成的任務(wù)，拓展了學(xué)生的認(rèn)知領(lǐng)域[2]。

工程機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程著重啟發(fā)、引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生專(zhuān)業(yè)知識(shí)領(lǐng)悟及實(shí)操應(yīng)用技能，針對(duì)性強(qiáng)、實(shí)踐性廣。若內(nèi)容枯燥、抽象，用傳統(tǒng)的教學(xué)模式教學(xué)，學(xué)生的空間概念很難建立，學(xué)生容易產(chǎn)生厭學(xué)情緒。通過(guò)三維模型的建立，將VR虛擬仿真技術(shù)引入教學(xué)當(dāng)中，可以鞏固學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、自主探究能力，并能培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力、動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力[3]。讓學(xué)生在虛擬教學(xué)空間中進(jìn)行編程、加工等相關(guān)操作的模擬練習(xí)（如圖3、圖4），符合規(guī)范后再進(jìn)行實(shí)機(jī)操作，可有效科學(xué)地處理相關(guān)問(wèn)題，減小誤操作對(duì)設(shè)備的損傷，將對(duì)正常教學(xué)的影響降到最低[4]。

圖3 虛擬加工平臺(tái)中的VR仿真產(chǎn)品

圖4 VR 機(jī)械加工虛擬仿真教學(xué)空間

1 以CM6140臥式車(chē)床為例的虛擬仿真教學(xué)空間的搭建

1.1 基于建模軟件的三維建模及裝配

通過(guò)SolidWorks對(duì)CM6140臥式車(chē)床模型進(jìn)行建模裝配。CM6140臥式車(chē)床主要由主軸箱、進(jìn)給箱、溜板箱、床身、尾架、刀架組成，對(duì)CM6140臥式車(chē)床進(jìn)行簡(jiǎn)化、拆解，以滿(mǎn)足后續(xù)的裝配、仿真的需要[5]。在子裝配體裝配完成后，對(duì)CM6140臥式車(chē)床以床身為基礎(chǔ)、采用“自下而上、自左而右”的裝配思路進(jìn)行裝配（如圖5）。同時(shí)，在虛擬裝配過(guò)程中產(chǎn)品的裝配尺寸、約束不能配合時(shí)，能夠很快找到車(chē)床建模時(shí)存在的錯(cuò)誤并進(jìn)行改正。

圖5 整機(jī)裝配模型

1.2 基于VR技術(shù)的車(chē)床虛擬裝配及模擬

1.2.1 虛擬光照和場(chǎng)景的構(gòu)建

在虛擬裝配及仿真模擬的過(guò)程中，首先要搭建虛擬場(chǎng)景。為了讓場(chǎng)景更加真實(shí)，需要對(duì)場(chǎng)景從Unreal Enging 4的光源庫(kù)中選擇光源（如圖6）。一般環(huán)境中應(yīng)該有一個(gè)定向光源、一個(gè)天空光源、數(shù)個(gè)聚光源和數(shù)個(gè)點(diǎn)光源，此外還要在虛擬環(huán)境中添加一個(gè)反射球，通過(guò)調(diào)整反射球的反射光照次數(shù)、調(diào)整光照的角度和點(diǎn)聚光源的數(shù)量來(lái)改變環(huán)境的亮度和暖度，使畫(huà)面效果更加逼真，避免同一材質(zhì)在不同位置的光照反射。在場(chǎng)景構(gòu)建的過(guò)程中，根據(jù)目標(biāo)設(shè)備的大小，靈活地設(shè)置場(chǎng)景的大小，以達(dá)到最真實(shí)的虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建。隨后，進(jìn)行角色控制權(quán)的獲取，確定操作角色默認(rèn)的出生點(diǎn)，并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)（如圖7）。

圖6 虛擬光源庫(kù)

圖7 角色控制權(quán)的獲取

1.2.2 車(chē)床模型的載入和優(yōu)化

利用3D MAX軟件或者SolidWorks自帶插件scanto3D插件完成模型從SolidWorks到Unreal Engine 4的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，模型的幾何、裝配等信息都得到了完整的保留。將模型導(dǎo)入U(xiǎn)nreal Engine 4之后，為達(dá)到更為真實(shí)的效果，還需要對(duì)導(dǎo)入的模型賦予合適的材質(zhì)。材質(zhì)可以在Unreal Engine4自帶的材質(zhì)庫(kù)（如圖8）中選擇更改。

圖8 Unreal Engine4材質(zhì)庫(kù)

通過(guò)研究SolidWorks→3D MAX→Unreal Engine4的模型轉(zhuǎn)換方法。解決了SolidWorks軟件下的模型到Unreal Engine4軟件下的模型的格式轉(zhuǎn)換問(wèn)題，使它們?cè)跈C(jī)構(gòu)和屬性上較完美地銜接。

1.2.3 仿真CM6140臥式車(chē)床的裝配過(guò)程

由于CM6140臥式車(chē)床模型的零件數(shù)量較大，因此對(duì)其裝配的仿真可以簡(jiǎn)化為對(duì)重要子裝配體的裝配仿真與整機(jī)的裝配仿真。其中主要子裝配體包括主軸、刀架、尾架三大部分，在實(shí)現(xiàn)這三大部分裝配仿真的情況下，以車(chē)架為基礎(chǔ)對(duì)整機(jī)進(jìn)行裝配仿真。

對(duì)于主軸的裝配仿真和后續(xù)裝配體各部分的裝配仿真，將用到Unreal Engine 4藍(lán)圖來(lái)操控物體在場(chǎng)景中空間位置變換，以此實(shí)現(xiàn)車(chē)床的裝配工作。首先用Unreal Engine 4自帶幾何體為對(duì)象來(lái)進(jìn)行功能的制作，利用set和get兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。set節(jié)點(diǎn)能夠設(shè)置場(chǎng)景中變量的因素或設(shè)置場(chǎng)景中因素的相關(guān)屬性，而get節(jié)點(diǎn)能夠獲取元素的數(shù)值。拉出2個(gè)幾何體設(shè)置坐標(biāo)，打開(kāi)藍(lán)圖里面的關(guān)卡藍(lán)圖，右鍵創(chuàng)建一個(gè)cube，連接節(jié)點(diǎn)AddActorlicaloffset（對(duì)自身坐標(biāo)的一個(gè)加法運(yùn)算），設(shè)置X軸加100，然后添加鍵盤(pán)“1”連接該節(jié)點(diǎn)，將該cube的移動(dòng)性在細(xì)節(jié)面板改為可移動(dòng)，這樣就可以控制cube在X方向以100為單位移動(dòng)（如圖9）。同理創(chuàng)建一個(gè)cube2，連接該節(jié)點(diǎn)，設(shè)置 Y 軸 加100，再添加一個(gè)鍵盤(pán)“1”，將cube2改為可移動(dòng)，如此就可以通過(guò)鍵盤(pán)“1”同時(shí)控制cube和cube2朝不同方向移動(dòng)（如圖10）。通過(guò)上述操作就完成了車(chē)床的拆卸，逆向就完成了車(chē)床的裝配。生成的整機(jī)爆炸圖如圖11所示。

圖9 cube 移動(dòng)

圖10 cube and cube2 移動(dòng)

圖11 整機(jī)爆炸圖

主軸、刀架、尾架的裝配仿真過(guò)程中，首先對(duì)車(chē)床主軸的裝配，依次裝配夾具和主線(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸。隨后進(jìn)行整機(jī)的裝配過(guò)程準(zhǔn)備，最后進(jìn)行整機(jī)裝配，整機(jī)裝配圖如圖12所示。

圖12 整機(jī)裝配圖

1.2.4 主軸的旋轉(zhuǎn)過(guò)程仿真

主軸自轉(zhuǎn)是利用藍(lán)圖通信和自定義事件來(lái)實(shí)現(xiàn)，藍(lán)圖通信是一種用于藍(lán)圖之間數(shù)據(jù)通信的方式，可以在一個(gè)類(lèi)里獲得另外一個(gè)或多個(gè)類(lèi)的一些變量來(lái)進(jìn)行判斷。

將自定義事件寫(xiě)到actor中，提高其它的可拓展性，按照創(chuàng)建文件夾-創(chuàng)建actor-添加節(jié)點(diǎn)AddLocalRotation-添加時(shí)間Tick-添加分支點(diǎn)-添加布爾變量-路徑判斷-鍵盤(pán)控制點(diǎn)-鍵盤(pán)控制主軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程，控制車(chē)床的主軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。操作過(guò)程圖如圖13～圖20所示。

圖13 創(chuàng)建actor

圖14 添加節(jié)點(diǎn)

圖15 添加事件

圖16 添加分支點(diǎn)

圖17 添加布爾變量

圖18 路徑判斷

圖19 鍵盤(pán)控制點(diǎn)

圖20 鍵盤(pán)控制主軸旋轉(zhuǎn)

1.3 基于VR設(shè)備的虛擬現(xiàn)實(shí)輸出及人機(jī)交互

1.3.1 硬件設(shè)備的安裝及調(diào)試

為充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)強(qiáng)大的圖形處理能力和沉浸感顯示。采用一套HTC Vive 設(shè)備（如圖21）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖21 HTC Vive設(shè)備

安裝HTC Vive設(shè)備后，檢查軟件、顯卡、定位、頭盔、手柄的狀態(tài)，連接電腦后進(jìn)行調(diào)試，將Unreal Engine4搭建好的場(chǎng)景通過(guò)藍(lán)圖編程，來(lái)實(shí)現(xiàn)在虛擬空間中的車(chē)床的裝配，完成VR機(jī)械加工虛擬仿真教學(xué)空間的搭建。

1.3.2 軟硬件設(shè)備的連接及調(diào)試

利用Seatm VR[6]軟件進(jìn)行連接、定位等操作，隨后進(jìn)行Steam VR插件設(shè)置，在連接好Steam VR硬件設(shè)備和安裝Steam VR驅(qū)動(dòng)之后，需要在Unreal Engine 4中完成相關(guān)的插件調(diào)用設(shè)置。隨后輸入重定義，修改Unreal Engine4系統(tǒng)使用的移動(dòng)默認(rèn)設(shè)置。然后進(jìn)行pawn藍(lán)圖類(lèi)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)手柄控制視線(xiàn)的上下左右移動(dòng)。然后通過(guò)設(shè)置節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行頭顯、前進(jìn)后退、左右移動(dòng)的設(shè)置。最后進(jìn)行藍(lán)圖關(guān)卡和游戲模式的設(shè)置，設(shè)置運(yùn)動(dòng)控制器節(jié)點(diǎn)，輸入出發(fā)節(jié)點(diǎn)后連接事件，事件包括車(chē)床爆炸裝配、主軸旋轉(zhuǎn)等，實(shí)現(xiàn)手柄按鍵對(duì)用戶(hù)交互的控制。游戲模式的設(shè)置即設(shè)置插件，讓Unreal Engine4能識(shí)別VR設(shè)備，讓VR設(shè)備得以順利工作。操作步驟如圖22～圖27所示。所有設(shè)置完成好后，打開(kāi)創(chuàng)建好的關(guān)卡，檢測(cè)體驗(yàn)是否正常，VR模式下的車(chē)床（拆裝過(guò)程）如圖28所示。連接調(diào)試成功后，配合設(shè)備進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)輸出及人機(jī)交互。

圖22 輸入設(shè)置

圖23 pawn 藍(lán)圖類(lèi)設(shè)置

圖24 頭顯設(shè)置

圖25 移動(dòng)設(shè)置

圖26 所需創(chuàng)建藍(lán)圖類(lèi)

圖27 設(shè)置游戲模式

圖28 VR模式下的車(chē)床拆裝過(guò)程

2 問(wèn)題及反思

本文旨在融合VR技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)編程等技術(shù)，構(gòu)建多維度、多場(chǎng)景、交互性強(qiáng)、沉浸感高的一個(gè)“VR機(jī)械加工虛擬仿真教學(xué)空間”，但項(xiàng)目經(jīng)多年研究探索，目前仍存在以下問(wèn)題。

2.1 轉(zhuǎn)化完整性問(wèn)題

從SolidWorks導(dǎo)入到Unreal Engine 4中的模型，在其裝配位置上是準(zhǔn)確的，但部分零部件間的約束關(guān)系沒(méi)有了，部分運(yùn)動(dòng)關(guān)系也隨之丟失了，因此在模型轉(zhuǎn)換的完整性上需要更深層次的研究。

2.2 受力分析問(wèn)題

在條件許可的情況下，本文進(jìn)一步簡(jiǎn)化了車(chē)床受力與轉(zhuǎn)矩情況，但對(duì)其仿真有一定的影響，與現(xiàn)實(shí)中實(shí)際的車(chē)床運(yùn)動(dòng)有一定的不同。后期應(yīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行仿真分析，改善受力分析的問(wèn)題，減小該虛擬教學(xué)空間與實(shí)際車(chē)床運(yùn)動(dòng)之間的差距。

2.3 仿真功能有限

目前只進(jìn)行了車(chē)床的爆炸裝配仿真和主軸旋轉(zhuǎn)仿真，很多機(jī)床的功能還沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)，后續(xù)還有待更深的研究和探索。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了VR機(jī)械加工虛擬仿真教學(xué)空間的研究背景，指出了本研究可提高機(jī)加工教學(xué)實(shí)訓(xùn)的教學(xué)效果、降低教學(xué)風(fēng)險(xiǎn)及損耗，在一定程度上滿(mǎn)足國(guó)家、社會(huì)、高校層面對(duì)培養(yǎng)機(jī)加工人才的需求，且相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械加工教學(xué)，本研究具有一定的優(yōu)勢(shì)。

本文以CM6140臥式車(chē)床為載體，介紹了VR機(jī)械加工虛擬仿真教學(xué)空間的搭建及應(yīng)用。系統(tǒng)地提出了三維模型虛擬裝配的一般操作步驟：首先采用SolidWorks對(duì)CM6140臥式車(chē)床進(jìn)行建模裝配，在整機(jī)模型裝配的基礎(chǔ)上，根據(jù)約束關(guān)系對(duì)裝配模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，再利用3D MAX軟件和Unreal Engine4軟件，進(jìn)行CM6140臥式車(chē)床運(yùn)動(dòng)仿真。最后通過(guò)HTC Vive設(shè)備及Steam VR軟件完成虛擬現(xiàn)實(shí)的輸出和人機(jī)交互操作。

本文利用Unreal Engine4進(jìn)行車(chē)床虛擬裝配過(guò)程中的重要過(guò)程為：加載和優(yōu)化車(chē)床相關(guān)模型、裝配順序規(guī)劃、制作裝配仿真動(dòng)畫(huà)；建立了車(chē)床的裝配序列，完成了車(chē)床的虛擬裝配。

最后，對(duì)本研究現(xiàn)階段存在的問(wèn)題進(jìn)行闡述及反思，指出了未來(lái)研究的側(cè)重方向。

（編輯 馬忠臣）