基于虛擬現實技術的車床仿真系統的研究與開發

摘 要：虛擬現實技術在車床仿真方面的應用已逐漸成為研究熱點，針對目前車床仿真系統的不足之處，例如精度不高、交互性差等問題，對虛擬現實技術的基礎內容進行了介紹，提出車床仿真系統的設計方案，包括功能需求分析、基本架構設計等方面的內容，在設計方案的基礎上，利用三維建模技術和VR等技術進行具體的系統實現。旨在實現對車床加工過程的高精度仿真和提升用戶體驗的目標，為車床加工行業的發展提供有力的支撐。

關鍵詞：虛擬現實技術；車床仿真系統；研究；開發

1 前言

隨著工業技術的不斷發展，數控車床已經成為現代制造業中不可或缺的一部分。然而，由于傳統的數控機床教學方式單一，難以滿足現代制造業對于高質量、高效率的生產需求。因此，基于虛擬現實技術的車床仿真系統的研究與開發已成為當前的熱點問題。目前，國內外對于車床仿真系統的研究已經取得了一定的進展。例如，胡兆勇利用Visual C++集成平臺，構建了集文本、動畫、視頻、仿真交互等形式為主的虛擬仿真系統，實現了機床傳動機構的可視化仿真；何福本等人則借助增強現實技術對普通車床的車削加工進行了虛擬仿真，以三維注冊技術、區域識別方法為技術支持的APP的形式，實現虛擬教學的交互、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。本文將基于虛擬現實技術，設計并開發一款具備真實車床操作環境的仿真系統，有效地降低風險和安全隱患，幫助增強車床操作員的安全意識和保證生產安全，為推進工程教育和工業自動化領域的發展做出重要貢獻。

2虛擬現實技術介紹

2.1虛擬現實技術發展歷程

虛擬現實技術起源于20世紀60年代，最初不是作為娛樂或游戲媒介，而是為了軍事培訓和航天模擬等領域而研發。20世紀90年代初，虛擬現實加速發展，出現了頭戴式顯示器、手柄操控等設備，同時也出現了第一個商業化虛擬現實游戲《虛擬戰爭》。然而由于技術上的限制以及商業現實，虛擬現實在20世紀90年代末期經歷了瓶頸期，知名VR公司陸續倒閉。2010年后，隨著技術的不斷進步，VR產業再次迎來昌盛發展，包括Oculus、HTC等大廠都陸續推出虛擬現實頭戴設備，并推出多款優秀游戲，VR技術也逐漸走向大眾化。

2.2虛擬現實技術原理

虛擬現實技術的實現與計算機圖形學、人機交互技術、數字信號處理和物理仿真等的技術密切相關。VR技術通過將計算機生成的三維視圖投射到使用者頭戴式設備的顯示器上，使用者可以看到虛擬現實場景，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、操縱桿或手柄等設備。

2.3虛擬現實技術在車床仿真領域的應用現狀

2.3.1產品設計模擬

虛擬現實技術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，使設計師可以更加貼近實際，更快地進行設計和測試，從而提高設計效率和準確度。

2.3.2工藝規劃模擬

虛擬現實技術可以模擬出零部件加工的整個流程，包括車床的設置、加工刀具的選擇和零部件的卡緊方式等，可以為工藝規劃提供重要的參考。

2.3.3操作培訓模擬

虛擬現實技術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，可以為新員工培訓提供強有力的幫助[1]。

2.3.4故障排除模擬

虛擬現實技術可以模擬車床故障的情況，幫助技術人員快速定位故障，并做出相應的維修措施。

3基于虛擬現實技術的車床仿真系統設計

3.1系統功能需求分析

3.1.1車床加工流程的可視化

基于虛擬現實技術的車床仿真系統可以實現加工流程的數字化和可視化，將車床加工過程的每個階段都呈現出來，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

基于虛擬現實技術的車床仿真系統需要模擬加工過程中的一些機能控制。通過這種創新方式，操作員可以在虛擬環境中模擬流程，指導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便攜，并提高生產效率[2]。

3.1.3使用多種不同的工藝參數來模擬加工過程

基于虛擬現實技術的車床仿真系統可以支持不同的工藝參數和不同的車床加工設置。因此，操作員可以在不同的加工環境和工藝條件下進行加工操作，以實現對不同加工流程進行處理。

3.1.4提供復雜的數控編程信息

基于虛擬現實技術的車床仿真系統需要支持復雜數控編程的信息，該系統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控程序信息。這種功能可以幫助操作員輕松輸入數據信息，防止出錯。

3.1.5提供加工過程中的實時監控和分析

基于虛擬現實技術的車床仿真系統需要監測車床加工過程的各個階段的數據，并進行實時分析。例如，可以監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現和糾正錯誤，以避免對最終產品造成影響。

3.1.6在線維護支持

基于虛擬現實技術的車床仿真系統需要支持在線維護服務功能。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。

3.1.7支持網絡互聯

基于虛擬現實技術的車床仿真系統需要支持網絡互聯。這樣，在多個位置的車床加工操作員可以聯網并在虛擬環境中進行協作，從而進一步提高生產效率。

3.2系統基本架構設計

在進行系統基本架構設計時，需要考慮系統的整體框架結構、各個部分的技術細節和數據傳輸等問題。為了實現系統的高精度仿真和可視化，本系統使用了Unity 3D引擎，該引擎可以方便地創建基于虛擬現實技術的場景，同時也可以支持高精度仿真。因此，本系統的核心部分是基于Unity 3D的仿真引擎。對于車床加工的過程和狀態的可視化，系統采用的是頭戴式顯示設備，這種設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。

在用戶和虛擬世界之間的交互方面，本系統采用了手柄設備，該設備可以通過手勢控制物品在虛擬現實世界中移動、旋轉或縮放。此外，系統還配備了鍵盤等額外的輸入設備，以實現更方便的操作。

系統的主要數據源是CAD模型，該模型可以方便地轉換為三維模型，并通過仿真引擎對車床的加工過程進行模擬。同時，系統還可以通過傳感器等外部設備收集車床的實時運行狀態，并進行實時觀測和監控（如圖所示）[3]。

4基于虛擬現實技術的車床仿真系統應用及評估

4.1系統在車床加工過程中的應用

車床仿真系統主要應用于數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，降低生產成本。

4.1.1模擬車床加工過程

車床仿真系統可以模擬車床的加工過程，包括選擇不同的工藝參數、不同的工具、設定不同的加工參數等等。通過計算機仿真技術，系統可以對加工過程進行預測，提前判斷加工過程中可能出現的問題，并提供相應的解決方案，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，系統會根據設定的參數來調整操作界面，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，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系統性能評估

4.2.1視覺效果方面的評估

車床仿真系統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：檢驗系統圖像的清晰度。

（2）色彩還原：評估系統對顏色的還原。

（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：檢驗系統的操作界面是否友好，操作是否方便。

（2）動態效果：可以檢驗加工過程的動態效果，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）程序的響應時間：測試程序啟動和響應時間。

（2）系統的穩定性：測試系統是否穩定，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，以驗證系統的運行效率。

4.3系統優化

由于車床仿真系統的重要性，如何將虛擬現實技術應用到此領域中成為本文研究的重點。在已有的車床仿真系統中，發現存在著一些問題，如系統操作繁瑣、圖形質量不高等。以下提出幾點優化方案：

4.3.1系統操作繁瑣

在目前的車床仿真系統中，用戶需要通過鍵盤或者鼠標等外設進行操作，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把指令發出來即可。

4.3.2圖形質量不高

在車床仿真系統中，需要保證圖形質量的高度，由于圖形質量的高低將直接影響到操作者的視覺感受，缺乏高質量的圖形將會影響到操作者保持注意力、產生眼部疲勞等問題。對于圖形質量不高的問題，可以采用更加強大的計算機來提供足夠的渲染能力，同時需要對系統中的光源配置進行優化，可以采用更加逼真的光照模擬技術，提供更加真實的視覺體驗。

5結論

本論文通過對虛擬現實技術進行了深入的研究，并針對車床加工領域的實際應用需求，設計開發了一款基于虛擬現實技術的車床仿真系統。在系統開發過程中，運用了三維建模技術、仿真運動技術、動態模擬技術等多種技術手段，實現了車床加工的全過程仿真。綜上所述，本文為虛擬現實技術在車床加工領域的應用和發展提供了重要的參考和借鑒，也為相關領域的研究和實踐提供了有益的借鑒和啟示。同時，對于車床仿真系統的完善和優化，以及虛擬現實技術在其他領域的應用也有一定的借鑒價值。

參考文獻

[1]馬仲依.基于虛擬現實技術的車床模擬培訓系統的研究及開發[D].山東建筑大學，2016.

[2]蔡寶，石坤舉，朱文華.基于虛擬現實技術的車床仿真系統[J].計算機系統應用，2018，27（5）：5.

[3]王廣官.基于虛擬現實技術的數控車床仿真系統的研究與開發[D].浙江大學，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（混合現實技術）的車工虛擬仿真軟件的開發與應用。 編號：HBKC217033。