基于虛擬現實技術的車床仿真系統①

蔡 寶,石坤舉,朱文華

(上海第二工業大學 工程訓練中心,上海 201209)

普通車床是主要用車刀對旋轉的工件進行車削加工的機床.主要由工人手工操作,生產效率低,適用于單件、小批生產和修配車間.目前國內絕大多數高校將普通車床實訓課程作為必須課程.

普通機床操作學習相比于數控機床具有一定的危險性[1],尤其在高校教學過程中,受到實訓場地、實訓設備和授課教師等諸多方面的限制,不能做到在保證每一位學生安全的同時又很好的掌握機床操作知識.隨著計算機技術和信息技術的高速發展,采用更為新穎的教學方式,已成為克服上述機床教學技術困難的一大重要手段,而虛擬現實技術(virtual reality)的出現能有效解決傳統教學存在的諸多問題[2,3].

何福本[4]虛擬仿真技術應用于普通車床加工工藝實訓教學環節,程松[5]結合Quest3D技術開發了虛擬車床教學系統,庫祥臣[6]在 Visual Studio 2012 環境下,以三維開放圖形庫Open GL為工具,研究開發了異形螺桿車削動態仿真系統,楊洋[7]開發了車床主軸箱虛擬拆裝系統,唐亞平[8]通過3D虛擬技術與先進電子電路對機床設備進行虛擬仿真,丁科[9]闡述了仿真機床建立的過程和方法,王倩[10]利用Pro/E軟件及內嵌eDrawings技術可視化展現了車床中主要部件的結構.目前國內外大部分學者對車床的研究都是從性能角度考慮,鮮有從安全性能角度出發進行研究,事實上普通車床安全操作至關重要,而虛擬現實技術是實現車床安全操作的有效技術手段.

本文以普通車床(CA6132)為研究對象,把虛擬現實技術與傳統的車床操作學習相結合,利用SolidWorks軟件建立模型、3DMAX軟件貼紋理和添加動畫、Unity3D引擎開發系統開發車床結構觀察、典型表面加工以及零件加工工序操作演示等模塊,采用國外虛擬現實設備zSpace和zView開發出具有交互性和沉浸性等特點的立體顯示系統.

1 總體研究思路

首先研究車床學習內容和虛擬仿真系統開發方法,根據車床出廠CAD圖紙進行三維建模,采用3DVIA數據轉換技術更改模型格式,運用3DMAX軟件進行模型貼圖或者渲染,將處理好的模型導入Unity3D開發引擎中進行虛擬車床學系場景設計,最后應用虛擬現實設備zSpace實現帶有VR功能的車床教學系統,具體開發流程如圖1所示.

圖1 開發流程

2 基于 Unity3D 的虛擬車床開發

2.1 圖像立面分割技術

在對車床模型進行貼紋理時,一般采集用于貼紋理的圖像都需要矯正,圖像矯正通常使用立面分割技術[11,12],它是通過水平和垂直分割,逐步分割出最小單位的圖像元素,水平和垂直分割線確定函數為:

式中I代表圖像強度intensity,是偏微分算子,是梯度算子,通常α=0.9,在位置y作水平分割線或在位置x作垂直分割線取決于如下兩個興趣函數值:

其中是高斯核,*是卷積操作,β是一個常量取值為0.1,ver或hor比較高的值就會積累垂直(水平)邊緣.基于這個興趣函數,可以在局部極小值處提取一些潛在的位置{yi}或{xi}的集合,在這些集合處生成分割線,如果生成水平分割線,在位置y處,ver(y)達到局部最小,垂直分割線的存在就會減少,最后借助圖像高度 (0.3 m～0.5 m)的先驗條件,窮舉搜索這些潛在位置{Yi}{yi}的最優集合:

其中,‖·‖表示集合中的元素個數,相同的,垂直分割線滿足以下最優集合:

根據以上的函數,可以確定最優水平垂直分割線的位置,機床操作面板的立面分割效果如圖2.

2.2 虛擬車床主要功能實現過程

(1) 虛擬車床學習系統的人機界面設計是通過OnGUI函數實現,包括車床的主軸的旋轉按鈕、溜板的運動按鈕等均通過OnGUI函數實現.

(2) 虛擬車床的旋轉縮放功能通過調用射線函數和Lerp函數實現,函數調用語句如下:

圖2 立面分割

(3) 虛擬車床零部件的移動和旋轉通過Unity3D的iTween函數實現,車床溜板沿導軌的移動程序如下:

(4) 虛擬車床刀具切削工件通過碰撞函數OnTrigger Enter實現,當刀具碰到工件時進行碰撞檢測,改變工件的標簽屬性,當刀具檢測到工件的標簽名稱,則認為工件與刀具發生碰撞,此時該時刻工件的切削狀態將會被隱藏,工件表現為下一時刻的切削狀態,具體函數調用如下:

3 基于 zSpace 的虛擬車床開發

3.1 虛擬現實基本原理

虛擬現實技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統,它利用計算機生成一種模擬環境,是一種多源信息融合的、交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真使用戶沉浸到該環境中.

圖3[13]描述了zSpace立體顯示(圖4)的基本原理,假設眼睛自上而下視角的固定點F,通過固定點的雙目(Panum的融合區),存在對象X和對象Y,當點F固定時,F圖像刺激兩個眼睛對應的視網膜點并產生融合,對象X位于雙眼單視前產生交叉視差,對象X刺激視網膜差異點在雙眼融合,因為X落Panum的融合區內,對象Y處于前面的兩眼視界,還帶有一個交叉視差,圖像從對象Y刺激兩只眼睛的視網膜差異點被視為雙,因為Y處在Panum融合區外.因為Y有兩個視網膜圖像且處在非常不同的視網膜區域,左眼的Y圖像可能刺激與右眼視野中的一個區域對應的視網膜區域,該圖像來自視野中不同物體的Z圖像,從而導致雙眼競爭,形成立體顯示效果.

圖3 立體成像原理

圖4 zSpace

3.2 虛擬車床模型建立

Unity3D軟件本身并不具備建立模型功能,所以在開發前必須根據實物建立相應的三維模型,圖5是教學中實際使用的車床模型.

3.3 虛擬車床學習場景開發

在Unity3D軟件中進行虛擬學習場景的開發,主要包括對虛擬車床結構認識和車床加工學習的場景開發,下面對虛擬車床學習場景做簡要說明.

圖6為車床結構認識界面,將普通機床分解為十大部件,并可進行拆解、觀測各部件結構和名稱.

圖6 車床機構認識

圖7為車床加工切削界面,學習普通車床加工操作步驟,并設置多個視角觀測加工過程.

圖7 車床加工切削

3.4 系統開發特點

應用zSpace進行虛擬現實系統開發,相對于Unity3D開發的系統,最重要的便是體現新系統自然的交互性、沉浸性的特點.

3.4.1 系統交互性和沉浸性開發

基于Unity3D的開發交互設計是通過調用OnGUI()函數實現,即通過鼠標點擊按鈕實現,這樣雖然相比傳統的多媒體課件略有智能感,但是無論從交互成都和沉浸程度均不能讓學習者有身臨其境之感,本節則嘗試調用某些函數將實現物體對物體的交互方式.如圖8,當工件(灰色)靠近毛坯件(白色)時測算模型間的距離,如果二者距離小于既定數值,則可實現場景間的交互功能,實現交互的關鍵程序為:

首先獲得測距物體的位置信息,而后調用距離函數,如果物體間的距離小于0.035則可實現場景間的交互,此種切換場景的方法更為自然.

3.4.2 虛擬車床立體學習場景

按照實際車床的學習要求,本文開發了基于虛擬現實設備zSpace的完整虛擬車床立體學習系統,包括了系統總界面、車床結構界面、車床主要加工表面和實例加工學習界面,主界面如圖9所示.

圖9 系統總界面

3.5 增強現實技術應用

zSpace還具有增強現實功能,配合zSpace使用的zView設備能讓學生分享虛擬技術的學習體驗,zView以高清攝像頭作為硬件屏幕重疊技術作為軟件,將zSpace畫面進行重疊處理,該技術的目的是在屏幕上把虛擬世界套在現實世界并進行互動.圖10為車床外部結構增強現實效果,借助zView能讓機床虛擬模型“跑出”屏幕達到分享學習體驗的目的.

圖10 增強現實效果

4 結束語

本文開發了普通車床虛擬仿真系統,提出系統開發的一般流程,闡述立面分割技術的一般原理,應用虛擬現實設備zSpace和增強現實設備zView開發了帶有交互性和沉浸性的虛擬車床學習系統,改進了機床操作的教學方式,實踐證明,虛擬教學軟件與實踐教學相結合能更改善教學效果,同時也可為虛擬仿真以及虛擬現實技術在教育教學領域的應用提供指導.

參考文獻

1張新莊.基于Unity3D的車床虛擬仿真實訓系統開發.數字技術與應用,2015,(1): 140.

2郭建,汪廣擴,劉瑩.基于虛擬現實技術的車床教學訓練系統的研究.激光雜志,2013,34(1): 59–60.

3李靜,張立軍,任天猛.交互式發動機虛擬裝配系統研究.制造業自動化,2017,39(2): 109–113.

4何福本,梁延德,張紅哲,等.增強現實技術在車削加工實訓教學中的應用.實驗技術與管理,2017,34(3): 127–129,150.

5程松,付宏鴿.基于Quest3D的虛擬現實技術在車床實驗教學中的應用.電腦迷,2016,(4): 143–144.

6庫祥臣,曹貝貝,張國慶.基于 OpenGL 的異形螺桿虛擬車床加工仿真系統研究.制造技術與機床,2017,(5): 74–77.

7楊洋,曲曉海,李曉春,等.車床主軸箱虛擬拆裝系統在拆裝實訓教學中的應用.裝備制造技術,2013,(7): 254–255.

8唐亞平.一種軟硬件結合的仿真機床實訓系統.信息技術與信息化,2015,(4): 174–175.

9丁科,鄧奕,寧立偉.基于 VERICUT 的虛擬機床建模及應用.湖南工程學院學報,2016,26(2): 24–28.

10王倩,葉安英,李穎芝.Pro/E虛擬仿真在車床拆裝實訓教學中的應用.制造技術與機床,2012,(2): 29–31.

11韓福波,汪云海,南亮亮,等.數據驅動的建筑物立面重建.計算機輔助設計與圖形學學報,2015,27(11): 2025–2030.

12Le Tran HN,Sornum K,Seah HS,et al.A systematic approach for rapid 3D reconstruction from photosets.Proceedings of the 11th International Conference on Control Automation Robotics & Vision.Singapore.2010.1167–1174.

13Patterson R.Human factors of stereo displays: An update.Journal of the Society for Information Display,2009,17(12):987–996.[doi: 10.1889/JSID17.12.987]