三維動態虛擬現實仿真與大學機械類實驗教學中的軟件建設

狄寶晶

（長安大學 工程機械學院，西安 710064）

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三維動態虛擬現實仿真與大學機械類實驗教學中的軟件建設

狄寶晶

（長安大學 工程機械學院，西安 710064）

摘 要：虛擬仿真帶來了人機交互的新概念、新內容、新方式和新方法，使得人機交互的內容更加豐富、形象，方式更加自然、和諧。虛擬現實為大學各機械類實驗室降低硬件投入及軟件建設開創了新的領域，使學生以全新的方式實現人機對話，極大地提高了學習效率。

關鍵詞：計算機 虛擬仿真 實驗室 機床剖析

引言

本文將虛擬現實技術融入到課程教學中，以CA6140普通車床為基礎，通過建立虛擬的機床剖析系統，使學生既能了解掌握機床的組成結構、拆裝步驟和方法，同時還可以動手進行虛擬拆裝的操作練習，讓學生對機床結構、拆裝過程有一個全面的認識。

1 虛擬現實特性

1.1 沉浸感（Immersion）

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）通過計算機產生一種人為虛擬的環境。當用戶把媒體內容當作真實的事物來感知時，用戶就會感覺自己置身于這個媒體環境中，這種感覺就是空間臨場感。也就是說，當用戶開始感覺自己就是媒體所創造的虛擬世界中的當事者時，就使用戶產生一種空間臨場感，這就是虛擬現實技術的沉浸感（Immersion）或臨場參與感。

1.2 交互性（Interaction）

開放、雙向、互動的實展示方式，通過控制與監視裝置影響或被使用者影響。傳統的發布者和用戶現在都成為了虛擬信息的發布者，進而可以進行多方位的互動，而信息的互動性也使得用戶實現由被動到主動的改變，即交互性（Interaction）。用戶可以使用一個鼠標或其他跟蹤器，隨意“運行”在發布者建立的虛擬世界中。

1.3 虛幻性（Imagination）

虛幻性，即系統中的環境是虛幻的，是由人利用計算機等工具模擬出來的。既可以模擬客觀世界中以前存在過的或是現在真實存在的環境，也可模擬出客觀世界中當前并不存在的但將來可能出現的環境，還可模擬客觀世界中并不會存在的而僅僅屬于人們幻想的環境。

1.4 逼真性（reality）

虛擬仿真系統的逼真性表現在兩個方面：一方面，虛擬環境給人的各種感覺與所模擬的客觀世界非常相像，一切感覺都是那么逼真，如同在真實世界一樣；另一方面，當人以自然的行為作用于虛擬環境時，環境做出的反應也符合客觀世界的有關規律。

2 CA6140型普通車床剖析

2.1 CA6140型普通車床的主要結構動態演示過程

（1）主軸箱：a.變速操縱機構，b.開停操縱機構，c.主軸結構部件，d.摩擦離合器，e.剎車裝置。

（2）進給箱：a.變換螺紋種類操縱機構，b.基本組變速操作機構，c.增倍組操作機構。

（3）溜板箱：a.進給操作機構，c.超越離合器，d.安全離合器，e.互鎖裝置。

2.2 主軸箱變速操縱機構動態演示過程

圖1 主軸箱變速操縱機構

如圖1所示。主軸箱中有二套變速操縱機構，這套操縱機構操縱的是軸Ⅱ、軸Ⅲ上的滑移齒輪。其中，撥叉1操縱的是軸Ⅱ上的雙聯滑移齒輪，撥叉2操縱的是軸Ⅲ上的3聯滑移齒輪。他們由凸輪和曲柄控制，曲柄轉動一周，可使撥叉帶動3聯齒輪變換3個嚙合位置，控制雙聯齒輪移動的凸輪槽，由2段半徑不同的圓弧和過渡線組成，當杠桿的磙子處于不同半徑時，會使雙聯齒輪有2個不同的嚙合位置。當手柄轉過一周時，靠曲柄和凸輪的配合，使軸Ⅱ和軸Ⅲ的齒輪有6種不同的搭配。該機構是軸Ⅳ和軸Ⅵ上滑移齒輪的變速操縱機構，撥叉1撥動的是雙聯齒輪Z80及Z50，撥叉2撥動的是雙聯齒輪Z20及Z51，這2個撥叉都是由凸輪1的曲線控制。實際傳動中，這兩對雙聯齒輪只需要3種搭配形式，撥叉3撥動的是主軸上的齒式離合器M2，M2從左到右有3個位置，分別是高速傳動、空擋和低速傳動，手柄從1到6可得到高速傳動和空擋、低速傳動1、低速傳動2、空檔、低速傳動3

等6種不同的傳動路線。

2.3 主軸箱開停操縱機構動態演示過程

如圖2所示。開停操縱機構能使主軸實現正轉、停止、反轉，并在停車時制動。它們之間的動作都由一個元件齒條來控制的，齒條軸的一端聯一個滑套。齒條移動時，滑套通過元寶銷使離合器的壓塊移動，手柄向上，摩擦離合器左部壓合，剎車帶放松，主軸正轉。中位時，主軸停車并制動，壓下時，離合器右部壓合，剎車帶放松，主軸反轉。

圖2 主軸箱開停操縱機構

3 應用領域

虛擬現實仿真技術的產生和發展，為解決和處理要巨額資金和巨大人力投入的各種問題提供了新方法，有著投入少、見效快、易推廣、以軟件替代硬件、實驗占用場地少，尤其是為復雜抽象的內容及不得不承擔人員傷亡危險的各種環境提供了新的解決方法等優點。它在大學機械類實驗室有著廣泛的應用前景，如機械制造、建筑機械、筑路機械、工業設計、車輛工程、材料成型、數控技術、航空航天、鐵道車輛、無人機運用、3D打印等，都存在機構運動、結構剖析、運動原理、設備拆裝等，都可以通過虛擬現實來實現。

參考文獻

［1］戴曙主.金屬切削機床［M］.北京：機械工業出版社，2014：21-41.

Three Dimensional Dynamic Virtual Reality Simulation and Software Construction of College Mechanical Experiment Teaching

DI Baojing
（School of mechanical engineering Chang'an University， Xi'an 710064）

Abstract：Taking technology of the computer as the core of the modern hi-tech generation of realistic vision， hearing， touch integration of a specific range of the virtual environment， users with the necessary equipment to the natural environment with virtual objects interact and influence each other， resulting in“immersion”in the real environment of the same feelings and experience. Virtual simulation brings the new concept， new content， new method and new method of human-computer interaction， which m akes the content of human-computer interaction more abundant and image，and the way is more natural and harm onious. Virtual reality has created a new field to reduce the hardware input and the s oftware construction of the Mechani cal Laboratory of University， so that the new way to realize the man-machine conversation， and greatly improve the learning efficiency.

Key words:Computer， Virtual simulation， laboratory，Analysis of machine tool