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摘要：以机械加工过程为研究对象,构建了实时性、交互性和网络化的机械加工虚拟实验系统。提出了场景模型的建立及优化方法,设计了自动路径漫游和自由路径漫游两种不同漫游场景的方式,并结合Virtools模块式编程和碰撞检测技术,模拟了机床的加工过程和虚拟人的操作运动,增强了虚拟机械加工操作的沉浸感和真实性,为机械加工实验教学提供了一种新方法。基于此，在本文研究中着重对机械加工中虚拟实验技术进行一定阐述，且对虚拟实验技术在机械加工中的重要性进行着重分析，对加工技术水平的提高，以及产品质量增长具有实际作用。
关键词：机械加工；虚拟技术；重要性
虚拟现实是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界,提供操作者关于视觉、听觉等感官的模拟,让操作者如同身临其境一般,可以实时、自由地观察三维空间内的事物。基于虚拟现实技术的虚拟实验是通过模拟人与周围真实环境交互方式来建立的观察界面进行实验的过程[1]。在机械加工行业中,机械加工常涉及到大量重型及精密机械的操作及控制,一些加工过程还存在着高危险和高成本性,开展机械加工虚拟仿真实验的研究非常必要。本文以机械加工运动为基础,构建机械加工虚拟实验系统,使人们了解机械加工中虚拟实验技术的重要性，为机械制造知识学习和机械加工操作培训提供一种新的教学方法。
1.机械加工虚拟实验系统的总体开发框架
构建机械加工虚拟实验系统,首要问题是三维实体的建模,其次对模型的贴图渲染,然后对各运动部件的相互运动编写程序,最后对该系统设计界面并进行测试。虚拟现实软件Virtools具有强大的实时渲染功能,交互性强、界面美观性好,自身的脚本语言方便易用,应用领域广。Virtools中模型是以面为单位建立,实体模型的面数越少实时操作越流畅,因此选择三维建模软件Inventor来建模,以利于减面。3ds Max提供了强大的材质编辑渲染功能和模型优化功能,为虚拟实验环境仿真提供了良好的软件支持,并便于Inventor和Virtools之间数据的转换和传递本文根据三维虚拟实验系统的开发要求,选择Inventor,3ds M ax,Virtools技术为开发平台[2]。构建机械加工虚拟实验系统,具体开发步骤:(1)利用Inventor构建三维实体模型,并组装生成装配体后,保存为＊.iam格式文件;(2)将＊.iam格式文件导入3ds Max中,通过减面及删面对模型进行优化,并结合Photoshop创建贴图素材,在3ds M ax中对模型及场景进行渲染,再利用Virtools Exporter for 3ds M ax插件将模型转化为＊.nmo格式保存;(3)将＊.nmo格式文件导入Virtools中,利用Virtools实时渲染引擎,可以在屏幕上快速显示三维虚拟实体模型和虚拟实验环境,再利用其交互引擎提供的BB(building blocks)模块和VSL(Virtools scripting language)语言编程,实现任意视角的观看场景和模拟机械加工的操作过程,完成后输出为网页格式并进行发布。
2.如何实现机械加工虚拟实验系统的实现
2.1机械加工虚拟实验系统的建模及优化
本系统是基于Virtools技术建立的机械加工虚拟实验系统,系统中含有大量的加工机床,其结构复杂、零部件众多,并且各种机床都有各自的参数规格标准,因此,对机床的模型要求比较高,不仅要求外观形状逼真,而且要求尺寸规格准确。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆Vir tools技术有多种动作制作模块,不足之处是其自身不具备三维建模功能,无法单独使用,必须配合三维建模软件共同完成系统的构建。本系统采用三维软件Inventor对机床各主要零部件进行几何造型,利用3ds M ax建立人物的几何模型和运动模型。Inventor软件不仅能满足机械零部件建模尺寸准确性和外观逼真性,且其与3ds Max在功能上部分兼容,如在3ds M ax中简化模型时比较简便[3]。机床建模过程中的一些建模技巧:在不影响模型的外观视觉效果下,尽可能地简化模型;尽量将不运动的零部件作为一个零件建模,减少零部件的个数;建模时尽量少使用圆角命令,以减少模型的面数。
虚拟现实系统的实时性(即图形的生成速度)与虚拟场景的几何复杂度有很大的关系,而场景的复杂程度很大程度上取决于系统模型的面数。为提高本系统交互的实时性,加快复杂场景图形的生成速度,本文对系统模型及场景进行了简化和优化处理,避免在实际操作时出现马赛克现象。简化模型的原则:在简化模型的同时能够实现模型外观形状的逼真性和较好的视觉真实感。基于以上模型简化原则,对模型进行了简化。
2.2机械加工虚拟实验系统的三维实时交互
2.2.1机械加工虚拟实验系统的漫游
为了逼真地模拟现实环境中人们对机械加工厂的参观及浏览,本系统在虚拟环境中创建了虚拟人。
在机械加工虚拟实验系统中,跟随摄像机会跟随在虚拟人后面的某一位置,虚拟人走到哪里它就移动到哪,虚拟人转身它也会跟着一起转动,操作者所看到虚拟场景就是这个跟随摄像机视野中的景物。本系统的跟随漫游摄像机主要使用第三视角摄像机,在Virtools中,创建一个3D Frame(三维帧)作为跟随摄像机与工人连接的辅助对象,先将3D Frame设置在工人的后面,再将摄像机设置在3D Frame的后面,用辅助对象来构建工人和摄像机的连接桥梁,这样可以避免工人走动时上下震动引起摄像机跟着震动产生画面颤抖现象。通过编程实现了该跟随摄像机可自动靠近角色和远离角色,即实现镜头的自动拉近和拉远功能,逼真地模拟了人的视觉功能。虚拟角色的引入顺应了虚拟仿真的发展趋势,不但能提高漫游的沉浸感,还能使虚拟场景更加贴近实际场景[4]。这样,用户就可以通过鼠标、键盘输入控制方式交互控制虚拟人物的运动,从而实现虚拟工人在三维虚拟场景里交互漫游。本系统设计了自动路径漫游和自由路径漫游。
2.2.2机械加工虚拟实验系统的碰撞
本系统针对虚拟人的不同操作状态设置了多层包围盒。当虚拟人在自由路径漫游时,运动简单,用单一的长方体作为人物的包围盒,且虚拟人是运动的,为其设置移动障碍物(moving obstacle)属性,也为固定障碍物厂房、机床、树木、草坪等设置固定障碍物(fixed obstacle)属性,并用功能模块Object Slider使虚拟人沿障碍物边缘滑过,避免碰撞,完成虚拟人在环境中的漫游。如虚拟人操作电葫芦时,手臂动作复杂,本系统设置了包围身体躯干、手臂、左手、右手食指、右手拇指、右手其余3个手指的7个包围盒来描述虚拟人,并为包围盒设置moving obstacle属性[5]。当手臂抬起操作电葫芦控制盒时,虚拟人的每一个包围盒都与控制盒进行三维嵌套动态碰撞检测,当右手的食指与控制盒的按钮被检测碰撞后发出相应的指令,而其他包围盒被检测后将被阻止发生碰撞。当虚拟人按下上升按钮时,按钮发出上升指令,吊钩在可行的范围内上升,上升到限定高度后,吊钩将停止上升并将相关信息反馈给虚拟人,这时虚拟人再按上升按钮,按钮将不起作用而下降按钮可用,下降亦是同理。本系统吊钩的升降运动实现了虚拟人的动态三维碰撞检测与信息的传递与反馈。
结束语
通过对机械加工虚拟实验系统的分析，能够了解机械加工中应用虚拟实验技术非常重要，能够为企业更快发展提供强有力支持，推动机械加工技术得以全面进步。
参考文献:
[1]庞新宇,廉自生,张凌燕.机械工程基础课程虚拟实验技术研究[J].山西大同大学学报(自然科学版),2015,(02):69-71+93.
[2]凌轩,刘江涛,陈赛克.机械工程测试技术虚拟实验教学平台开发[J].装备制造技术,2014,(09):224-226.
[3]肖敏.虚拟实验技术在机械加工中的应用研究[J].企业技术开发,2014,(18):75+79.
[4]林婷.机械加工虚拟实验技术的研究[J].佳木斯教育学院学报,2013,(10):428.
[5]李铭勳.解读虚拟试验技术在机械加工中的重要性[J].湖南农机,2013,(07):65-66.
论文作者:辛旭波
论文发表刊物:《防护工程》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/23
标签：机械加工论文; 模型论文; 系统论文; 建模论文; 虚拟人论文; 技术论文; 场景论文; 《防护工程》2017年第16期论文;