虛擬現(xiàn)實及其在數(shù)控機床中的應用

1、虛擬現(xiàn)實及其在數(shù)控機床中的應用摘要：本文首先介紹了虛擬現(xiàn)實的基本概念，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構成、研究內容和關鍵技術，在此基礎上介紹了一種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的實現(xiàn)機制；然后通過虛擬數(shù)控機床的功能分析，提出了虛擬數(shù)控機床的體系結構，并介紹了虛擬數(shù)控機床的應用。關鍵詞：虛擬現(xiàn)實，實現(xiàn)機制，虛擬數(shù)控機床Abstract: This paper firstly introduces the basic concepts of virtual reality, and composition, content and key technology of virtual reality systems, on the

2、basis of which an implementation of virtual reality system mechanism is introduced ; then through a virtual machine tools functional analysis presents the architecture of virtual machine tool and describes the application of virtual machine tools.Keywords: virtual reality, implementation mechanism,

3、virtual machine tools1 虛擬現(xiàn)實簡介 虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR），這一名詞是由美國科學家Jaron Lanier 上世紀在80年代初提出的，也稱為靈境技術或人工環(huán)境。1.1 虛擬現(xiàn)實概念目前比較公認的較精確的VR定義是：采用以計算機技術為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設備（如特制的衣服、頭盔、手套和鞋等）以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響，從而產生“沉浸”于等同真實環(huán)境的感受和體驗。1.2 虛擬現(xiàn)實特點與優(yōu)勢 虛擬現(xiàn)實是高度發(fā)展的計算機技術在各種領域的應用過程中的結晶和反映，其基

4、本特點如圖1-1所示。 圖1-1 虛擬現(xiàn)實的特點沉浸感是指用戶在虛擬環(huán)境中感受到的環(huán)境真實程度。交互性是指用戶對虛擬環(huán)境內物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度(即實時性)。 想象性是指用戶沉浸在多維信息空間中，依靠自己的感知和認知能力全方位地獲取知識，發(fā)揮主觀能動性，尋求答案，形成新的觀念。 鑒于此，與實際制造對比，在機械設計制造中中使用虛擬現(xiàn)實技術輔助設計制造的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾方面。 （1）產品設計制造流程完全在虛擬環(huán)境中進行，在計算機上進行產品設計、制造、檢測，甚至設計人員或用戶可“進入”虛擬的制造環(huán)境檢驗其設計、加工、裝配和操作，虛擬現(xiàn)實的優(yōu)勢就是其參數(shù)完全是人為定義，所以對其

5、改動將會非?？旖莘奖?，而不需要對實體模型進行反復修改制造。 （2）虛擬現(xiàn)實技術充分的利用了計算機技術，可使分布在不同地點的人員通過互聯(lián)網遠程聯(lián)接，在同一個虛擬環(huán)境下上同時工作、相互交流、信息共享 ， 這樣可以克服地理隔離所造成的問題，使得不同行業(yè)的人員更容易合作，同時也加強了用戶與制造商之間的交流，可以更加明確的制造產品。 （3）相關人員可以獲得安全的設計、制造環(huán)境。1.3 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構成 虛擬現(xiàn)實是計算機生成的給人多種感官刺激的虛擬世界（環(huán)境），是一種高級的人機交互系統(tǒng)。根據(jù)定義，虛擬現(xiàn)實由兩部分組成：一部分為創(chuàng)建的虛擬世界（環(huán)境），另一部分為介入者（人）。虛擬現(xiàn)實的核心是強調兩者之間的

6、交互操作，即反映出人在虛擬世界（環(huán)境）的體驗。這樣，我們可以得到虛擬現(xiàn)實的概念模型如圖1-2所示。圖1-2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)構成2 虛擬現(xiàn)實研究內容和關鍵技術 虛擬現(xiàn)實是多種技術的綜合，其研究內容如圖2-1所示，關鍵技術包括以下幾個方面。 （1）動態(tài)環(huán)境建模技術虛擬環(huán)境的建立是 VR 系統(tǒng)的核心內容，動態(tài)環(huán)境建模的目的就是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應的虛擬環(huán)境模型。 圖2-1 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)研究內容 （2）實時三維圖形生成技術三維圖形的生成技術已經較為成熟，但復雜場景的“實時”顯示一直是計算機圖形學“實時”生成。 （3）立體顯示和傳感器技術虛擬現(xiàn)實的交互能力依

7、賴于立體顯示和傳感器技術的發(fā)展，現(xiàn)有的設備遠遠不能滿足需要。 （4）應用系統(tǒng)開發(fā)工具虛擬現(xiàn)實應用的關鍵是尋找合適的場合和對象，即如何發(fā)揮想像力和創(chuàng)造性。 （5）系統(tǒng)集成技術由于 VR 系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)集成技術起著至關重要的作用。集成技術包括信息的同步技術、模型的標定技術、數(shù)據(jù)轉換技術、數(shù)據(jù)管理模型、識別與合成技術等。3 基于MultiGen Creator/Vega Prime的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的實現(xiàn)機制20 世紀 90 年代至今是虛擬現(xiàn)實全面發(fā)展的階段，出現(xiàn)了許多虛擬現(xiàn)實軟件。如 Sense8的WorldToolKit、WorldUp，SGI的Open Inventor、

8、OpenGL、Performer，Autodesk公司的 Lightscape，MultiGen-Paradigm公司的Creator、Vega、Vega Prime以及EON 公司的EON 等。Vega Prime是美國MultiGen-Paradigm公司推出的先進軟件環(huán)境，在眾多軟件中有較為突出的表現(xiàn)，主要用于虛擬現(xiàn)實技術中的實時場景生成、運動仿真、聲音仿真及科學計算可視化領域。本文主要介紹基于MultiGen Creator/Vega Prime的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的實現(xiàn)機制。3.1 基于MultiGen Creator的三維虛擬現(xiàn)實建模技術 MultiGen Creator 是虛擬現(xiàn)實建模

9、領域的佼佼者，它的文件格式（OpenFlight.flt）成了虛擬現(xiàn)實業(yè)界的標準；它的建模技術，反應了當前面向虛擬現(xiàn)實建模的趨勢和潮流。Creator的特點主要體現(xiàn)在如下幾個方面。 （1）它包括一套強大的集成工具，可以在“所見即所得”的環(huán)境中創(chuàng)建可視化的層級數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)庫在常規(guī)建模中遵循OpenFlight標準。 （2）作為仿真軟件，它與CAD軟件不同，它所追求的是建模方面的逼真性和在虛擬境界顯示中的實時交互性。（3）Creator與仿真管理軟件Vega Prime一起使用時，可直接將.flt文件導入Vega Prime的Lynx界面，生成.adf文件后，即可通過編程調用.adf文件進行虛

10、擬仿真。此外，Creator具有很好的兼容性，可導入.3dx、.dxf、.stl等格式的文件，還可導出.dxf、.wrl、.stl等格式的文件。對一些零部件多、結構復雜、精度要求較高的模型，可以借助Maya、3DMax、CAD、VRML等建立模型，再用模型轉化軟件轉換成 .flt 格式文件，然后在 Creator中進行修改整理，使之符合 Creator 的建模規(guī)則。一般而言，Creator建模步驟如圖3-1所示。數(shù)據(jù)采集CreatorCAD/CAM.flt.3dx/.dxf/.stl.fltVP圖3-1 Creator建模步驟 3.2 基于Vega Prime的實時場景渲染和系統(tǒng)實現(xiàn) Vega

11、 Prime是美國 MultiGen Paradigm 公司的新一代仿真軟件環(huán)境，用于虛擬現(xiàn)實和實時仿真軟件的開發(fā)，它將先進的模擬功能和易用工具相結合，對于復雜的應用，能夠提供快速、方便地建立、編輯和驅動工具。 Vega Prime是一種用于實時仿真及虛擬現(xiàn)實應用的高性能軟件環(huán)境和工具包。它主要包括兩個部分：一個是被稱為 LynX 的圖形用戶界面的工具箱，另一個則是基于VC+的 Vega Prime函數(shù)調用庫。LynX 的主要功能是通過可視化操作建立起三維場景模型，并將其存在一個應用定義文件(.adf)中，而后應用程序就可以通過調用 Vega Prime 的VC+ 語言函數(shù)庫來對已建好的三維場

12、景進行渲染驅動。Vega Prime主要具有以下幾大特性：。（1）跨平臺性：它支持Windows、SGI IRIX、Linux、Unix等操作系統(tǒng)，并且用戶的應用程序也具有跨平臺特性，用戶可在任意一種平臺上開發(fā)應用程序，而且無須修改就能在另一個平臺上運行。（2）與VC+兼容。（3）可定制用戶界面和可擴展模塊：VegaPrime可擴展的插件式體系結構采用了最復雜的技術，提供了最簡單的使用方法，它可進行最大可能的定制，用戶可根據(jù)自己的需求來調整三維應用程序，能快速設計并實現(xiàn)視景仿真應用程序。此外，用戶還可開發(fā)自己的模塊，并生成定制的類。（4）支持OpenFlight文件格式：OpenFlight是

13、MultiGen-Paradigm腳公司基于XML的數(shù)據(jù)描述規(guī)范，它使運行數(shù)據(jù)庫能與簡單或復雜的場景數(shù)據(jù)庫相關連。對于 Windows 環(huán)境下的 Vega Prime，主要有三種類型：控制臺程序、傳統(tǒng)的 Windows 應用程序和基于 MFC(Microsoft Foundation Classes)的應用。由于控制臺應用程序是 Vega Prime 的 SGI 版本唯一支持的 Application，所以如果要考慮跨平臺兼容的話，即使在 Vega Prime 的 Windows 版上進行開發(fā)，也只能選擇使用控制臺應用程序。在系統(tǒng)的開發(fā)中，一般使用的是基于MFC的應用程序。VC+ +6.0中的

14、MFC包含了強大的基于Windows的應用框架，提供了豐富的窗口和事件管理函數(shù)，已經成為Vega Prime 的主要工作平臺。具體的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)實現(xiàn)流程如圖3-2所示。 圖3-2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)實現(xiàn)流程圖3.3 虛擬現(xiàn)實與傳統(tǒng)CAD和三維動畫的區(qū)別虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)強調沉浸感，逼真性，即要求有高的“真實感”；強調自然的交互方式，又要滿足“實時”的“交互”要求。總而言之就是：“真實感”的環(huán)境，產生“沉浸感”，可以自然的“實時”、“交互”。 這就使 VR 系統(tǒng)建模與傳統(tǒng) CAD 和動畫建模有著本質上的不同： （1）VR 建模中要說明的內容要比傳統(tǒng)系統(tǒng)建模要多，除說明造型外還要說明許多系統(tǒng)連接，如自由度（D

15、OF，Degree of Freedom），層次細節(jié)（LOD）等； （2）由于要實時運行三維模型，其建模方法與以造型為主的建模有很大的不同，大多用其他技術（如紋理）而不是增加幾何造型復雜度來提高逼真度。 虛擬現(xiàn)實建模與三維動畫主要區(qū)別如表3-1所示。虛擬現(xiàn)實建模，考慮交互性和實現(xiàn)意圖，與動畫模型相比，通常細節(jié)比較少，以提高“實時性”的效果。這里并不是意味著虛擬現(xiàn)實建模不需要美學和視覺效果，相反，虛擬現(xiàn)實建模所有的追求，只有一個目標：“真實感”，在滿足“實時性”的基礎上，極力提高整個模型的真實感。在現(xiàn)有的基礎上，人們只能在犧牲已經完美準確的視覺藝術，通過和“實時性”的平衡，來達到更高層次的“真實

16、感”。 表3-1 虛擬現(xiàn)實與三維動畫比較 4 虛擬數(shù)控機床及應用 虛擬數(shù)控機床是虛擬制造技術中的一個執(zhí)行單元，在數(shù)控加工過程中為產品設計提供了可制造性的分析，在數(shù)控系統(tǒng)的學習和培訓中，為各類學校和企業(yè)技術人員提供了完善的學習和培訓。虛擬制造技術（VMT）以企業(yè)的柔性、快速響應市場、以及一次制造成功為標志，它將給制造業(yè)帶來革命性的影響。下面主要介紹虛擬數(shù)控機床的特點、功能和體系結構。4.1 虛擬數(shù)控機床的特點及功能4.1.1 虛擬數(shù)控機床應具備的特點 （1）良好的結構：1)與真實機床相似的結構。具有與真實機床相似的結構使虛擬機床能模仿真實機床的任何功能而不致因為采用某種近似代替而導致某種結構的失

17、真或丟失；2)機床各模塊的顆粒性。虛擬機床各模塊的顆粒性使每個模塊能彼此獨立的被開發(fā)和工作，從而增強了虛擬機床的可操作性和可管理性；3)各模塊合適的顆粒度。虛擬機床各模塊顆粒度的合適與否取決于每個模塊的抽象度是否定義合適，以便使虛擬機床既是一個能概括各種類型數(shù)控機床的抽象框架，又能方便的掛接具體的模塊來仿真某種特定類型的數(shù)控機床； （2）完善的圖形接口：完善的圖形接口使用戶既能像在真實環(huán)境中那樣完全操作數(shù)控機床，又能完全真實地以圖像的形式觀察機床運行的各種狀態(tài)和各種機床運行參數(shù)，從而最大限度的提高人機融合度； （3）完全的符號數(shù)據(jù)接口：完全的符號數(shù)據(jù)接口能使虛擬機床的各種靜止和運行狀態(tài)以符號數(shù)

18、據(jù)的形式被外界感知，從而提供了與其他制造軟件的無縫鏈接。外界也能通過輸入符號數(shù)據(jù)對虛擬機床進行控制； （4）強大的網絡支持功能：強大的網絡支持功能能使虛擬機床為各種真正的制造資源服務，從而在連接意義上提供與外界制造資源的相互操作性； （5）標準數(shù)據(jù)格式：虛擬機床由于采用標準數(shù)據(jù)格式存儲、傳輸和處理數(shù)據(jù)因而能夠在語義意義上提高與外界制造資源的相互操作性。4.1.2虛擬數(shù)控機床的功能 虛擬數(shù)控機床應該能夠仿真不同的加工方法和不同的加工材料，能夠完成數(shù)控機床的各項操作，逼真地顯示數(shù)控機床的各種動作，并且能夠顯示和評估加工結果。因此系統(tǒng)要求具有如下功能。 （1）模擬加工過程：顯示和仿真CNC控制功能、

19、動畫加工過程，檢查刀具軌跡和干涉、過切、碰撞等并給予警告； （2）評估工件品質：顯示工件3D實體表面的拓撲關系、尺寸、公差和表面品質； （3）估算加工成本：通過仿真加工過程，能進行加工成本的估算；（4）加工過程的監(jiān)控：監(jiān)控加工過程的各個方面。 虛擬數(shù)控機床和各設計軟件的接口，為建模提供了方便，尤其是在特定的環(huán)境下，為產品的可靠性，產品的生產全過程，工藝規(guī)范以及產品方案的工藝計劃進行性能評價。下面結合傳統(tǒng)機械設計和虛擬設計（分別如圖4-1，圖4-2所示），分析虛擬數(shù)控機床的優(yōu)勢。在傳統(tǒng)的產品開發(fā)過程中，通常是在完成設計后制造物理樣機來驗證設計的正確性，當發(fā)現(xiàn)缺陷后只能回頭修改設計并再次制造樣機進

20、行驗證，一般要經過反復若干次的修改才能達到性能要求，設計周期長，嚴重制約了產品的質量提高、成本降低和對市場的快速反應。虛擬現(xiàn)實技術與CAD技術在產品開發(fā)過程中的有機結合，改善了虛擬設計中人與計算機的交互方式，在沉浸式的虛擬環(huán)境中，設計者通過直接三維操作對產品模型進行管理，以直觀自然的方式表達設計概念，并通過視覺、聽覺、觸覺等的反饋，感知產品模型的幾何屬性、物理屬性與行為表現(xiàn)。在設計過程中，借助交互設備可以方便的完成產品模型構建，修改設計缺陷，對模型進行運動仿真和檢驗，對整個系統(tǒng)不斷改進，直至獲得最優(yōu)設計方案，設計者還可以把自己的經驗和想象結合到計算機的虛擬模型里，讓想象力和創(chuàng)造力充分發(fā)揮。圖4

21、-1 傳統(tǒng)機械設計流程圖4-2 虛擬樣機技術設計流程4.2虛擬數(shù)控機床的體系結構 虛擬機床與實際機床一樣，可以認為是一組相互連接的活動部件的集合，它們完成要求的相對運動，提供工件和工件刀具系統(tǒng)上相關點的瞬間空間位置關系。因為機床的類型各式各樣，品種千變萬化，要想能夠表達各種機床，就需要采用模塊化的原理，定制各種標準的模塊，這樣經過少量的修改就可以建立各種機床的模型。各模塊應該標準化、通用化、集成化、層次化、靈便化、經濟化、并具有互換性、相容性和相關性，使系統(tǒng)具有開放性和適應性。根據(jù)虛擬數(shù)控機床的特點與功能，可以將虛擬數(shù)控機床系統(tǒng)的功能模塊劃分如圖4-3所示。圖4-3 虛擬數(shù)控機床體系結構 （1

22、）NC編譯模塊：為了使虛擬數(shù)控機床能夠識別NC程序，開發(fā)了NC編譯模塊，它的功能是接受數(shù)控代碼并將其翻譯為機床部件、刀具等運動的信息； （2）運動控制模塊：運動控制模塊根據(jù)NC程序決定機床刀具和各個軸的運動狀態(tài)，向各個運動部件發(fā)送運動指令并采集各軸的反饋信息； （3）操作面板模塊：操作面板模塊包括真實數(shù)控機床的操作面板按鈕功能和虛擬數(shù)控機床的菜單； （4）切削計算模塊：根據(jù)工件與刀具的相對位置，進行干涉判斷，對發(fā)生干涉的工件進行切削計算并重新生成工件模型；（5） 機床場景模塊：建立虛擬機床的工作環(huán)境。4.3 虛擬數(shù)控機床的應用 虛擬數(shù)控機床的應用非常的廣泛，可初步進行無紙設計、裝 配和測試等；

23、利用CAD 形成的機床三維實體模型，結合CAE 軟件，可對機床結構進行分析，機床部件的多種布局方案進行論證，擇優(yōu)。并可利用有限元分析、優(yōu)化設計等對機械結構、布局進行改進和優(yōu)化。虛擬機床是虛擬加工的工具和環(huán)境。在此基礎上，可實現(xiàn)虛擬工廠，分析用機床進行產品加工的整個過程的各個環(huán)節(jié)，對整個生產系統(tǒng)進行虛擬和控制。另外， 用虛擬現(xiàn)實技術或三維技術制作的產品廣告具有逼真的效果， 不僅可以展示產品的外形， 還可顯示產品的內部結構、裝配和維修過程、使用方法、工作過程工作性能等。5 總結 虛擬現(xiàn)實作為一門新穎并且充滿生命力的技術，它的應用研究已經引起越來越多的學者和工程技術人員的關注。我國對虛擬現(xiàn)實技術應用

24、于機械工程領域進行了大量研究，取得了很多可喜成果，但在工廠的實際應用方面卻仍處于初級階段，應該認真吸取發(fā)達國家虛擬設計、虛擬數(shù)控、虛擬裝配、維修訓練和維修設計的先進經驗，讓虛擬現(xiàn)實技術成為我國振興機械裝備制造業(yè)的技術支撐。參 考 文 獻1李衛(wèi)剛，劉慧英.基于Creator/Vega平臺動態(tài)模型的控制實現(xiàn)J.科學技術與工程，2008，8(4)：1109-1112.2孫福臻，漢斯彼德蘭特斯.機械虛擬現(xiàn)實技術的應用與發(fā)展J.機械設計與制造，2010(5)：264-266.3胡梓楠，于勁松.基于MFC編程框架的Vega Prime軟件集成技術的研究J.系統(tǒng)仿真學報，2009，21(14)：4291-4294，4299.4夏顯明，陳寧，佘建國，劉煒.基于MultiGen Creator和Vega工程機械仿真研究J.江蘇