本文探討了應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)控加工中心培訓(xùn)系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容

　　0.引言

　　長期以來, 我國數(shù)控方面高深層次人才的匱乏和流失, 成為阻礙我國數(shù)控技術(shù)發(fā)展的最大障礙。企業(yè)有資金引進(jìn)高精密的數(shù)控設(shè)備, 卻尋找不到能夠維護(hù)和熟練操作的人員, 面對厚重的用戶手冊無力消化吸收, 更談不上技術(shù)的改造和創(chuàng)新。由此可見, 人才競爭是根本, 人才戰(zhàn)略是關(guān)鍵。數(shù)控技術(shù)的復(fù)雜性決定了引入高效、直觀的培訓(xùn)機(jī)制是提高人才素質(zhì)的有效途徑, 而此培訓(xùn)機(jī)制的關(guān)鍵是要開發(fā)一套適合學(xué)員的培訓(xùn)系統(tǒng)。隨著利用VRML和JAVA開發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和USB技術(shù)的日益成熟, 可以很好地解決了這個(gè)難題。這套技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理學(xué)、模式識別、智能接口、人工智能、傳感器、網(wǎng)絡(luò)和并行處理等多學(xué)科的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使得人機(jī)交互方式有了質(zhì)的突破。

　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控加工中心的培訓(xùn)系統(tǒng)中, 就是通過計(jì)算機(jī)產(chǎn)生數(shù)控加工中心、被加工工件的虛擬造型, 加入音響效果和運(yùn)動仿真, 并配有控制面板, 學(xué)員根據(jù)虛擬環(huán)境提供的視覺、聽覺、觸覺感受, 可以感受到與操作實(shí)際的數(shù)控加工中心一樣的狀態(tài)。與傳統(tǒng)的數(shù)控加工中心培訓(xùn)相比, 此系統(tǒng)擺脫了“試切”、“軌跡顯示”等方法, 極大地提高了系統(tǒng)的主動性、交互性和沉浸感等性能, 給學(xué)員逼真的感受, 改善了數(shù)控加工培訓(xùn)的教學(xué)效果, 并且大大降低了開發(fā)成本。

　　1.Java和VRML通信實(shí)現(xiàn)機(jī)理

　　Java是Sun公司于1995年5月23日推出的, 當(dāng)時(shí)并沒有引起太多的注意。但是隨著Internet的迅猛發(fā)展, 環(huán)球信息網(wǎng)WWW 的快速增長, 促進(jìn)了Java語言研究的進(jìn)展, 使得它逐漸成為Internet上受歡迎的開發(fā)與編程語言。Java語言具有簡單、面向?qū)ο蟆⒎植际健⒔忉寛?zhí)行、魯棒、安全、體系結(jié)構(gòu)中立、可移植、高性能、多線程以及動態(tài)性的特點(diǎn), 正是這些特點(diǎn)為開發(fā)人員開發(fā)強(qiáng)大的仿真系統(tǒng)提供了便利。

　　VRML (Virtual Reality Modeling Language, 虛擬現(xiàn)實(shí)造型語言) 包含了3D 動畫、3D 音效、傳感器觸發(fā)、時(shí)間輸入輸出、行為控制、支持多種腳本與多重使用者等功能, 真正在Web 上實(shí)現(xiàn)了動態(tài)頁面,并加強(qiáng)了互動功能, 達(dá)到真正的虛擬效果。VRML可以用在各行各業(yè), 如創(chuàng)建虛擬城市、虛擬校園、虛擬超市、虛擬公司等。VRML210 的基本元素是節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)是組成3D場景的基本元素, 大約定義了50多個(gè)節(jié)點(diǎn), 利用它們可以簡單、輕松地創(chuàng)建虛擬的三維空間。

　　對VRML的訪問是基于傳統(tǒng)C/S模式擴(kuò)展的B /S模式, B /S采用Internet上廣泛使用的Web瀏覽器作為客戶前端, 操作界面友好、一致。B /S的最大優(yōu)勢還在于其強(qiáng)大的跨平臺移植能力, 能夠極大地降低異構(gòu)系統(tǒng)的開發(fā)難度。目前, VRML 主流編程是基于Java、 JavaScrip t, 特別是Java app let 小程序可以與VRML世界嵌在同一WEB 頁上。EA I ( External Au2thoring Interface) , 是一種介于VRML 世界與外部環(huán)境的創(chuàng)作接口。通過EA I為VRML 與外部世界建立一個(gè)通信接口, 可以使用戶通過這個(gè)接口真正成為VRML中的一個(gè)角色、一個(gè)參與者。EA I提供了一套針對VRML瀏覽器的Java類, 通過這些類, 外部環(huán)境可以訪問當(dāng)前所運(yùn)行的VRML 世界, 還可以完成動態(tài)的添加、刪除和驅(qū)動仿真實(shí)體等功能。

　　2.培訓(xùn)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

　　該培訓(xùn)系統(tǒng)是以韓國大宇PUMA200、215軸數(shù)控車削中心為具體仿真實(shí)例開發(fā)的。如圖1所示為本文所述的虛擬數(shù)控車削中心加工仿真系統(tǒng)界面, 其中客戶前端為Web瀏覽器, 瀏覽器左側(cè)為提供功能模塊選擇的視圖區(qū), 右側(cè)為對應(yīng)的場景區(qū)。

圖1 虛擬數(shù)控車削中心加工仿真系統(tǒng)界面

　　數(shù)控加工中心培訓(xùn)系統(tǒng)硬件設(shè)備由多媒體計(jì)算機(jī)、投影設(shè)備、USB通訊接口、音箱及電器小元件等構(gòu)成。計(jì)算機(jī)最低配置為Pentium Ⅲ 550, 內(nèi)存為128MB, 10 /100MB以太網(wǎng)卡, 可以滿足動態(tài)三維圖形較大的資源消耗。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由操作仿真模塊、視覺仿真模塊、音響仿真模塊、運(yùn)動仿真模塊組成, 如圖2 所示。其中視景仿真模塊是實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)系統(tǒng)沉浸感的重要因素, 操作仿真模塊是實(shí)現(xiàn)學(xué)員與虛擬數(shù)控機(jī)床之間交互作用的主要手段。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　2.1 操作仿真模塊

　　數(shù)控加工中心培訓(xùn)系統(tǒng)中控制面板的布置與實(shí)際的一樣, 并與實(shí)際的面板有相近的動作范圍和相似的力感, 如圖3所示, 如轉(zhuǎn)動手輪時(shí)有真實(shí)的手感, 按下按鈕、撥動開關(guān)有真實(shí)的力感, 學(xué)員在看到加工過程中有異常情況可以按下急停鍵, 并且可以保持狀態(tài)。操作過程中, 有些鍵必須配合使用, 如進(jìn)給倍率與手輪的配合、刀號與換刀按鈕的配合、主軸正反轉(zhuǎn)與主軸啟動的配合, 這些配合鍵使用的設(shè)置, 使操作更加接近實(shí)際操作情況。

　　2.2 視景仿真模塊

　　視景仿真模塊利用計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)和3D技術(shù), 生成數(shù)控機(jī)床的各個(gè)部件, 如門、刀庫及刀具、夾具、坯料、油管、散熱孔等。為了使圖像處理實(shí)時(shí)且逼真, 要選用高檔的顯卡、高性能的圖形加速卡等硬件條件的支持, 更需要圖形技術(shù)和開發(fā)平臺的發(fā)展。視景仿真模塊采用計(jì)算機(jī)平臺和專用三維建模軟件的三維圖形開發(fā)技術(shù)。

圖3 數(shù)控機(jī)床操作仿真面板

　　2.3 音響仿真模塊

　　音響仿真模塊利用計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù), 生成數(shù)控機(jī)床加工過程中的聲音信息, 包括機(jī)床在加工工件中的聲音信息、刀具進(jìn)給的聲音信息、主軸正反轉(zhuǎn)的聲音信息、裝夾工件的聲音信息以及換刀的聲音信息。其中刀具進(jìn)給聲由進(jìn)給倍率決定, 主軸轉(zhuǎn)動聲由主軸倍率決定。音響仿真系統(tǒng)采用支持多媒體保準(zhǔn)接口的聲卡取代專用的數(shù)字信號處理器, 具有通用性好、易移植、易升級等優(yōu)點(diǎn), 并且大大降低了系統(tǒng)成本。

　　2.4 運(yùn)動仿真模塊運(yùn)動仿真模塊通過模擬數(shù)控機(jī)床中的運(yùn)動機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)操作過程中逼真的感受, 如刀具進(jìn)給時(shí)由于軌道不光滑產(chǎn)生的輕微晃動。運(yùn)動仿真模塊是提高培訓(xùn)系統(tǒng)逼真度的有效手段。建立虛擬數(shù)控機(jī)床作業(yè)環(huán)境, 可隨意移動、旋轉(zhuǎn)、縮放及變換視點(diǎn),尤其是適用于三軸以上數(shù)控機(jī)床針對加工過程中過切及干涉的校驗(yàn)。數(shù)控車削中心運(yùn)動仿真模塊主要包括回參考點(diǎn)、刀具進(jìn)給、主軸啟動、卡盤松緊、選刀等。

　　3.仿真控制一體化平臺的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

　　3.1 技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案

　　3.1.1 靜態(tài)造型及機(jī)械動作的實(shí)現(xiàn)

　　首先對所研究的數(shù)控加工中心進(jìn)行建模、仿真,利用Autodesk公司推出的最新版的三維動畫與造型軟件3DSMAX610對數(shù)控加工中心進(jìn)行建模、靜態(tài)造型。造型結(jié)束后, 根據(jù)部件運(yùn)動時(shí)的狀況設(shè)計(jì)動畫。最后把3DSMAX文件轉(zhuǎn)換成VRML 格式, 分析各個(gè)運(yùn)動部件, 并進(jìn)行時(shí)間分配, 調(diào)節(jié) VRML 源代碼中各個(gè)部件運(yùn)動時(shí)間周期使之符合實(shí)際情況──實(shí)現(xiàn)機(jī)械部分的靜態(tài)、動態(tài)造型。

　　3.1.2 電器控制開發(fā)過程

圖4 總體硬件框圖

　　根據(jù)數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)奶攸c(diǎn), 我們充分利用了USB 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。自主開發(fā)的USB 高速多功能卡是基于USB 210協(xié)議的, 所以其速率可高達(dá)480Mbps, 完全滿足高實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)采集場合。實(shí)踐證明該方案取得了良好的效果。總體硬件框圖如圖4所示。

　　3.1.3 CA I軟件測試與安裝

　　為了驗(yàn)證CA I軟件的可行性, 我們與山東濟(jì)南星科公司合作, 完成CA I軟件在多臺個(gè)人計(jì)算機(jī)上的安裝, 測試了軟件的穩(wěn)定性和時(shí)間響應(yīng)。經(jīng)過長時(shí)間的調(diào)試, 系統(tǒng)的穩(wěn)定性是可靠的, 時(shí)間響應(yīng)也在允許范圍之內(nèi)。多家職業(yè)學(xué)校使用該軟件進(jìn)行專業(yè)學(xué)員的培訓(xùn)工作, 取得了良好的反響。

　　3.2 開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

　　3.2.1 材質(zhì)透明化處理

　　在VRML 空間中幾何體的透明度是通過Material節(jié)點(diǎn)中transparency域的域值指定的, 其值從完全不透明表面的0.0 到完全透明表面的1.0。該域的缺省值為0,表明不透明。如圖5所示, 材質(zhì)的透明效果使得學(xué)生可以一目了然地看明白數(shù)控機(jī)床加工工件的過程, 增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

圖5 透明化處理效果

　　3.2.2　視點(diǎn)變換處理在VRML2.0中所謂視點(diǎn)就是瀏覽者在空間中所處的某一特定的位置和朝向, 在這個(gè)位置通過朝向,瀏覽者可以瀏覽到虛擬世界中相關(guān)的場景。用vrmlscrip t可以控制視點(diǎn)的變化, 使瀏覽者可以從當(dāng)前視點(diǎn)快速切換到其它視點(diǎn)。在VRML 中先用DEF定義 Viewpoint節(jié)點(diǎn), 然后再定義Scrip t, 具體代碼如下:

　　DEF ss Scrip t

　　{ 　　　　　　/ /定義節(jié)點(diǎn)名

　　eventIn　SFBool get_touch1

　　/ /Scrip t節(jié)點(diǎn)輸入接口

　　eventOut SFBool　set_view1

　　/ /Scrip t節(jié)點(diǎn)輸出接口

　　url　" vrmlscrip t: function get_touch1 ( ) {　　　/ /

　　url提供節(jié)點(diǎn)和程序之間的聯(lián)系

　　set_view1 = 1; } " }

　　在該數(shù)控加工中心培訓(xùn)系統(tǒng)中, 運(yùn)用視點(diǎn)轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生的效果如圖6 所示。圖6 ( a) 可以觀看數(shù)控機(jī)床的整體, 對數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生整體的印象; 圖6 ( b)可以觀看加工工件的過程以及插補(bǔ)情況; 圖6 ( c)展示了加工工件時(shí)的G代碼, 可以了解NC代碼; 圖6 ( d) 可以觀看刀具回零點(diǎn)和換刀的情況。

圖6 視景的變換圖

　　3.2.3 現(xiàn)場聲音的設(shè)定VRML場景中可以添加聲音, 與靜態(tài)網(wǎng)頁上的聲音相比, VRML場景所播放的聲音不是簡單的2D聲音, 而是有自己的聲源, 以及模擬現(xiàn)實(shí)中的聲音傳播路徑的3D 聲音, 它會給人和現(xiàn)實(shí)中一樣的聽覺感應(yīng)。VRML 所支持的聲音文件有WAV、MID I 和MPEG - 1 文件, AudioClip 只支持前兩種文件格式。利用AudioClip節(jié)點(diǎn)引入一個(gè)外部聲音文件, 并規(guī)定這個(gè)聲音文件的播放參數(shù), 必須作為 Sound 節(jié)點(diǎn)的source域的域值來使用, Sound節(jié)點(diǎn)中的域值都可通過Java app let來重新設(shè)定。Sound節(jié)點(diǎn)格式如下:

　　Sound {

　　source DEF FeedSound AudioClip

　　{ / /引入一個(gè)外部聲音文件節(jié)點(diǎn)

　　url　" FeedSound1wav"

　　/ /指定聲音文件的URL地址

　　descrip tion　" FeedSound"/ /

　　指定一組描述所引用聲音文件的文本

　　loop FALSE

　　/ /是否循環(huán)播放

　　tartTime　1

　　/ /所引用聲音文件開始播放的絕對時(shí)間

　　p itch　1/ /

　　加快或減慢播放速度

　　intensity 1　　　　　　/ /聲音強(qiáng)度

　　location　0 0 0 / /指定聲源位置

　　direction　0 0 1 / /指定是否聲音立體化

　　minBack　1 / /空間聲源的最小后點(diǎn)

　　minFront　1 / /空間聲源的最小前點(diǎn)

　　maxBack　1000000 / /空間聲源的最大后點(diǎn)

　　maxFront　1000000 / /空間聲源的最大前點(diǎn)

　　首先用MP3錄制數(shù)控機(jī)床各種動作時(shí)的現(xiàn)場聲音, 然后進(jìn)行聲音剪裁、分段。通過相應(yīng)的聲音節(jié)點(diǎn)在VRML世界需要的場合添加合適的聲音, 使整個(gè)VRML世界更加具有真實(shí)感, 更加生動逼真、栩栩如生。

　　3.2.4 文件的優(yōu)化措施

　　(1) 在不影響視覺效果的前提下, 簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)。

　　(2) 對于復(fù)雜模型用模型優(yōu)化器( op timizer或wingz或Gzip) 進(jìn)行優(yōu)化。

　　(3) 對于反復(fù)使用的部件, 可先對其命名(DEF) , 然后再重復(fù)使用(USE) 。

　　(4) 必要時(shí)使用帖圖。

　　4.結(jié)論

　　本文介紹了數(shù)控加工中心培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā), 對于軟件的結(jié)構(gòu)體系、實(shí)現(xiàn)機(jī)理、關(guān)鍵技術(shù)作了詳細(xì)的說明。該系統(tǒng)與使用錄像和實(shí)物的傳統(tǒng)培訓(xùn)系統(tǒng)相比,具有系統(tǒng)造價(jià)低、訓(xùn)練費(fèi)用少、訓(xùn)練周期短、訓(xùn)練效果顯著等特點(diǎn), 對我國數(shù)控人才的培養(yǎng)起到了重要的推動作用。

　　通過該系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和反復(fù)操作, 有利于啟發(fā)學(xué)生的思維、培養(yǎng)學(xué)生邏輯判斷能力和創(chuàng)造力, 同時(shí)能夠提高教師教學(xué)質(zhì)量。該系統(tǒng)軟件開發(fā)出來后, 已被應(yīng)用于山東部分職業(yè)學(xué)校、企業(yè)等單位, 并得到了不少專家、教師和學(xué)生的好評。