本文探討了應用虛擬現實的數控加工中心培訓系統相關內容

　　0.引言

　　長期以來, 我國數控方面高深層次人才的匱乏和流失, 成為阻礙我國數控技術發展的最大障礙。企業有資金引進高精密的數控設備, 卻尋找不到能夠維護和熟練操作的人員, 面對厚重的用戶手冊無力消化吸收, 更談不上技術的改造和創新。由此可見, 人才競爭是根本, 人才戰略是關鍵。數控技術的復雜性決定了引入高效、直觀的培訓機制是提高人才素質的有效途徑, 而此培訓機制的關鍵是要開發一套適合學員的培訓系統。隨著利用VRML和JAVA開發的虛擬現實技術和USB技術的日益成熟, 可以很好地解決了這個難題。這套技術結合計算機圖形學、圖像處理學、模式識別、智能接口、人工智能、傳感器、網絡和并行處理等多學科的虛擬現實技術使得人機交互方式有了質的突破。

　　虛擬現實技術應用于數控加工中心的培訓系統中, 就是通過計算機產生數控加工中心、被加工工件的虛擬造型, 加入音響效果和運動仿真, 并配有控制面板, 學員根據虛擬環境提供的視覺、聽覺、觸覺感受, 可以感受到與操作實際的數控加工中心一樣的狀態。與傳統的數控加工中心培訓相比, 此系統擺脫了“試切”、“軌跡顯示”等方法, 極大地提高了系統的主動性、交互性和沉浸感等性能, 給學員逼真的感受, 改善了數控加工培訓的教學效果, 并且大大降低了開發成本。

　　1.Java和VRML通信實現機理

　　Java是Sun公司于1995年5月23日推出的, 當時并沒有引起太多的注意。但是隨著Internet的迅猛發展, 環球信息網WWW 的快速增長, 促進了Java語言研究的進展, 使得它逐漸成為Internet上受歡迎的開發與編程語言。Java語言具有簡單、面向對象、分布式、解釋執行、魯棒、安全、體系結構中立、可移植、高性能、多線程以及動態性的特點, 正是這些特點為開發人員開發強大的仿真系統提供了便利。

　　VRML (Virtual Reality Modeling Language, 虛擬現實造型語言) 包含了3D 動畫、3D 音效、傳感器觸發、時間輸入輸出、行為控制、支持多種腳本與多重使用者等功能, 真正在Web 上實現了動態頁面,并加強了互動功能, 達到真正的虛擬效果。VRML可以用在各行各業, 如創建虛擬城市、虛擬校園、虛擬超市、虛擬公司等。VRML210 的基本元素是節點,節點是組成3D場景的基本元素, 大約定義了50多個節點, 利用它們可以簡單、輕松地創建虛擬的三維空間。

　　對VRML的訪問是基于傳統C/S模式擴展的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的最大優勢還在于其強大的跨平臺移植能力, 能夠極大地降低異構系統的開發難度。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 世界與外部環境的創作接口。通過EA I為VRML 與外部世界建立一個通信接口, 可以使用戶通過這個接口真正成為VRML中的一個角色、一個參與者。EA I提供了一套針對VRML瀏覽器的Java類, 通過這些類, 外部環境可以訪問當前所運行的VRML 世界, 還可以完成動態的添加、刪除和驅動仿真實體等功能。

　　2.培訓系統的體系結構

　　該培訓系統是以韓國大宇PUMA200、215軸數控車削中心為具體仿真實例開發的。如圖1所示為本文所述的虛擬數控車削中心加工仿真系統界面, 其中客戶前端為Web瀏覽器, 瀏覽器左側為提供功能模塊選擇的視圖區, 右側為對應的場景區。

圖1 虛擬數控車削中心加工仿真系統界面

　　數控加工中心培訓系統硬件設備由多媒體計算機、投影設備、USB通訊接口、音箱及電器小元件等構成。計算機最低配置為Pentium Ⅲ 550, 內存為128MB, 10 /100MB以太網卡, 可以滿足動態三維圖形較大的資源消耗。系統總體結構由操作仿真模塊、視覺仿真模塊、音響仿真模塊、運動仿真模塊組成, 如圖2 所示。其中視景仿真模塊是實現培訓系統沉浸感的重要因素, 操作仿真模塊是實現學員與虛擬數控機床之間交互作用的主要手段。

圖2 系統總體結構

　　2.1 操作仿真模塊

　　數控加工中心培訓系統中控制面板的布置與實際的一樣, 并與實際的面板有相近的動作范圍和相似的力感, 如圖3所示, 如轉動手輪時有真實的手感, 按下按鈕、撥動開關有真實的力感, 學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。操作過程中, 有些鍵必須配合使用, 如進給倍率與手輪的配合、刀號與換刀按鈕的配合、主軸正反轉與主軸啟動的配合, 這些配合鍵使用的設置, 使操作更加接近實際操作情況。

　　2.2 視景仿真模塊

　　視景仿真模塊利用計算機圖形圖像技術和3D技術, 生成數控機床的各個部件, 如門、刀庫及刀具、夾具、坯料、油管、散熱孔等。為了使圖像處理實時且逼真, 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, 更需要圖形技術和開發平臺的發展。視景仿真模塊采用計算機平臺和專用三維建模軟件的三維圖形開發技術。

圖3 數控機床操作仿真面板

　　2.3 音響仿真模塊

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

　　2.4 運動仿真模塊運動仿真模塊通過模擬數控機床中的運動機構及其控制系統, 實現操作過程中逼真的感受, 如刀具進給時由于軌道不光滑產生的輕微晃動。運動仿真模塊是提高培訓系統逼真度的有效手段。建立虛擬數控機床作業環境, 可隨意移動、旋轉、縮放及變換視點,尤其是適用于三軸以上數控機床針對加工過程中過切及干涉的校驗。數控車削中心運動仿真模塊主要包括回參考點、刀具進給、主軸啟動、卡盤松緊、選刀等。

　　3.仿真控制一體化平臺的技術實現

　　3.1 技術實現方案

　　3.1.1 靜態造型及機械動作的實現

　　首先對所研究的數控加工中心進行建模、仿真,利用Autodesk公司推出的最新版的三維動畫與造型軟件3DSMAX610對數控加工中心進行建模、靜態造型。造型結束后, 根據部件運動時的狀況設計動畫。最后把3DSMAX文件轉換成VRML 格式, 分析各個運動部件, 并進行時間分配, 調節 VRML 源代碼中各個部件運動時間周期使之符合實際情況──實現機械部分的靜態、動態造型。

　　3.1.2 電器控制開發過程

圖4 總體硬件框圖

　　根據數據采集與傳輸的特點, 我們充分利用了USB 技術的優點。自主開發的USB 高速多功能卡是基于USB 210協議的, 所以其速率可高達480Mbps, 完全滿足高實時性的數據采集場合。實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

　　為了驗證CA I軟件的可行性, 我們與山東濟南星科公司合作, 完成CA I軟件在多臺個人計算機上的安裝, 測試了軟件的穩定性和時間響應。經過長時間的調試, 系統的穩定性是可靠的, 時間響應也在允許范圍之內。多家職業學校使用該軟件進行專業學員的培訓工作, 取得了良好的反響。

　　3.2 開發過程中的關鍵技術點

　　3.2.1 材質透明化處理

　　在VRML 空間中幾何體的透明度是通過Material節點中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, 材質的透明效果使得學生可以一目了然地看明白數控機床加工工件的過程, 增強了學生學習的興趣。

圖5 透明化處理效果

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

　　DEF ss Scrip t

　　{ 　　　　　　/ /定義節點名

　　eventIn　SFBool get_touch1

　　/ /Scrip t節點輸入接口

　　eventOut SFBool　set_view1

　　/ /Scrip t節點輸出接口

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

　　url提供節點和程序之間的聯系

　　set_view1 = 1; } " }

　　在該數控加工中心培訓系統中, 運用視點轉換,產生的效果如圖6 所示。圖6 ( a) 可以觀看數控機床的整體, 對數控機床產生整體的印象; 圖6 ( b)可以觀看加工工件的過程以及插補情況; 圖6 ( c)展示了加工工件時的G代碼, 可以了解NC代碼; 圖6 ( d) 可以觀看刀具回零點和換刀的情況。

圖6 視景的變換圖

　　3.2.3 現場聲音的設定VRML場景中可以添加聲音, 與靜態網頁上的聲音相比, 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, 以及模擬現實中的聲音傳播路徑的3D 聲音, 它會給人和現實中一樣的聽覺感應。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節點引入一個外部聲音文件, 并規定這個聲音文件的播放參數, 必須作為 Sound 節點的source域的域值來使用, Sound節點中的域值都可通過Java app let來重新設定。Sound節點格式如下:

　　Sound {

　　source DEF FeedSound AudioClip

　　{ / /引入一個外部聲音文件節點

　　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

　　/ /是否循環播放

　　tartTime　1

　　/ /所引用聲音文件開始播放的絕對時間

　　p itch　1/ /

　　加快或減慢播放速度

　　intensity 1　　　　　　/ /聲音強度

　　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

　　minFront　1 / /空間聲源的最小前點

　　maxBack　1000000 / /空間聲源的最大后點

　　maxFront　1000000 / /空間聲源的最大前點

　　首先用MP3錄制數控機床各種動作時的現場聲音, 然后進行聲音剪裁、分段。通過相應的聲音節點在VRML世界需要的場合添加合適的聲音, 使整個VRML世界更加具有真實感, 更加生動逼真、栩栩如生。

　　3.2.4 文件的優化措施

　　(1) 在不影響視覺效果的前提下, 簡化設備結構。

　　(2) 對于復雜模型用模型優化器( op timizer或wingz或Gzip) 進行優化。

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

　　(4) 必要時使用帖圖。

　　4.結論

　　本文介紹了數控加工中心培訓系統的開發, 對于軟件的結構體系、實現機理、關鍵技術作了詳細的說明。該系統與使用錄像和實物的傳統培訓系統相比,具有系統造價低、訓練費用少、訓練周期短、訓練效果顯著等特點, 對我國數控人才的培養起到了重要的推動作用。

　　通過該系統的學習和反復操作, 有利于啟發學生的思維、培養學生邏輯判斷能力和創造力, 同時能夠提高教師教學質量。該系統軟件開發出來后, 已被應用于山東部分職業學校、企業等單位, 并得到了不少專家、教師和學生的好評。