基于VR技術的數控加工系統的研發

李晟鍇

(淮南聯合大學 機電系，安徽 淮南 232000)

1 虛擬數控加工技術綜述

1.1 VR技術

VR技術也稱人工環境或靈境技術，其本意為虛擬現實。作為目前流行的高新技術之一，屬于計算機和互聯網時代的必然產物。VR技術的內涵在于借助計算機設備，營造和模擬出一種虛擬世界，該世界具有三維空間的特征，通過綜合模擬人體感官世界中的觸覺、聽覺、視覺，使得應用者好像身臨其境，而且在三度空間內可以不受限制地感受物體。[1]虛擬現實的基本特征如圖1所示。

圖1 虛擬現實的基本特征

1.1.1 沉浸性

虛擬現實技術的主要特征表現為沉浸性，也可稱之為臨場感效應。即基于應用者生理心理特征，結合自身視覺、聽覺，讓體驗者能夠在模擬環境中感到逼真的三維立體圖像，同時在虛擬世界中，在不同對象的相互交織作用下，帶來真實沉浸式的體驗和效果，如同在現實中全身心的投入。

1.1.2 交互性

在虛擬現實系統環境中，作為交互的主體，應用者可以在參與體驗過程中形成三維、多感知、近乎自然的交互，為此交互性優勢顯而易見。同時系統的目標也是為不斷優化人機交互而服務，實時進行升級和完善，提供豐富、便捷的交互、操作和反饋。當然這需要借助大數據的支撐，掌握參與者的各種關鍵數據需求和要素。其中，實時性特征同樣不可忽視，如果在交互時經常出現延遲，就難以獲得沉浸感，使得人們的體驗出現偏離。為此，在虛擬仿真系統中的設計和應用過程中一定要秉承實時交互原則，協調平衡應用場景渲染技術。

1.1.3 構想性

虛擬仿真系統設計需要想象力的支撐保障，構想性的成敗將會直接決定虛擬世界的質量和影響力。高質量的虛擬現實技術，不僅會拓寬人類認知范圍，還會營造廣闊的可想象空間，甚至不可能發生或者根本不存在的場景。

1.2 虛擬制造

隨著全球化經濟的快速發展，如何確保企業具備持續核心優勢，成為了擺在制造業面前的重要課題。在國內外市場競爭的雙重夾擊下，行業改革已經到了緊要關頭。[2]為此，VR技術與虛擬制造業的結合應運而生。通過虛擬裝配、設計和制造，能夠化解和應對上述難題。虛擬制造作為一種綜合系統技術，既是多學科知識融合的產物，也是動態模擬實際制造過程的重要武器和手段。通過計算機仿真建模所形成的仿真手段，能夠有效評價、檢測、預測產品的性能或可制造性，一來增強了企業決策與控制水平；二來可以更加柔性、經濟和科學地投入組織生產，確保產品生產效率和設計質量的最佳化。同時實現成本和開發周期的最小化。由于虛擬制造不消耗能量和材料，制造過程并不會產生真正的產品，與現實制造過程相比，其制造過程、資源和對象具有如下特征：首先，虛擬制造具有虛擬性，通過產品測試、制造、設計，進入虛擬環境的同時能夠產生有效的視點觀察評價；其次，虛擬制造具有數字化集成性性能，利用公共通訊平臺，數字化集成計算機輔助制造、計算機輔助工藝過程設計、計算機輔助工程和計算機輔助設計，突顯數字化的無縫連接；再次，虛擬制造具有分布性特征，能夠將不同類別、部門和地點的工作人員實現信息共享，減少各種誤差和傳遞時間的同時，產品開發過程顯著提升；最后，虛擬制造畢竟是基于人們的理解，與人們的描述和評價息息相關，所以，仿真精度具有極強的依賴性，即取決于與真實模型的近似程度。[3]

1.3 虛擬數控加工

虛擬制造技術的深入發展，給虛擬數控加工技術的升級帶來了新的契機，進而為虛擬數控加工行業提供了關鍵數據，促進行業本身的快速發展。虛擬數控加工將多種技術和設計手段相互融合，集成了計算機輔助制造、計算機輔助設計、機床數控理論和制造技術與仿真技術，在所構建的仿真模型的虛擬環境中，能夠在真實統運行之前，及時有效完善或修改設計方案。還可以進行零件的數控模擬加工，提升加工過程的合理性，在提高安全系數的基礎上，降低生產成本，提高數控加工生產效率。針對于數控培訓教學而言，虛擬數控加工技術的優勢更加全面。[4]一方面通過人機交互接口和友好界面，可以逼真地反映加工過程，及時調整不滿足要求的部分；另一方面，技術方便快捷，可評估性極強，具有功能一致性、結構相似性和可檢測性等諸多優點。

2 基于VR技術數控加工系統的總體設計

2.1 系統總體需求分析

2.1.1 系統基本功能性需求

為了提升仿真真實程度，可以從仿真精度和仿真正確性角度入手，分別做好前期準備工作。其中，仿真正確性要注意把握毛坯切削結果、面板顯示內容、數控基本操作過程、數控代碼編譯、數控代碼組成、運動方式、模型結構不出現任何問題。而仿真精度則要求主軸旋轉動作、進給動作、換刀動作和部件要具有強烈的真實感。其次，確保仿真功能完整可靠，尤其是虛擬機床、指令編譯分析、操作面板和輸入用戶NC代碼都做到規范有序。再次，統一協調數控加工仿真和視景仿真，確保系統的交互設計方便多樣，既不影響用戶觀察環境和虛擬機床，又便于隨時結果和統計。最后，虛擬機床環境應該高標準、嚴要求，力爭機床自身真實屬性準確無誤，減少軟件程序編制的難度，降低計算機處理的工作量。最后，虛擬現實技術需要結合硬件系統和軟件技術，突顯三維立體顯示功能和沉浸性特點。

2.1.2 系統可行性限定

為了保證產品和開發系統的切實可行及實效性，需要嚴格規范數據和系統相關功能，并做出如下聲明：

首先，用戶指令的規范十分必要，例如：嚴格規范用戶指令功能，完善數控加工標準體系，提高軟件和用戶指令功能實用性。要正確發出用戶指令，用戶操作由人機交互系統指定。手動輸入NC代碼，采用鼠標控制的方式啟用和關閉系統各功能，執行通用數控操作流程要確保正確加載后實施。其次，從實際出發規范機床運動相關數據，數控加工中心面板以及計算運動的變量都應該正確無誤。最后，系統運行相關要求不應出現明顯的停頓現象或二義性，全方位符合通用規則促進系統運行的流暢。

2.2 系統軟件平臺選擇

軟件平臺的選擇關系到軟件編制的成功與否，要依托健全的軟件構建思路和方法，確保軟件運行效率同步提升。

2.2.1 系統的總體設想

圖2 數控仿真軟件工作流程圖

數控仿真軟件的編制要從以下內容入手，即切削仿真實現、用戶觀察輸入窗口開發和加工控制系統開發，三者關系如圖2所示。仿真軟件開始工作為用戶指令，通過進一步的辨識和翻譯，控制系統能夠有效獲取用戶意圖，達成控制機床運動的目標。待符合切削條件時，機床毛坯切削仿真正式開啟，切削效果開始呈現。

2.2.2 軟件平臺選擇

虛擬現實數控加工仿真系統在構建過程中，需要平衡主要功能系統，尤其是毛坯切削仿真系統、虛擬機床系統和數字控制系統。在軟件平臺開發過程中，應該選擇合理的切削仿真平臺、視景控制平臺和數控開發平臺系統。視景控制平臺要求使用高級開發語言，這有助于控制視景運動顯示。為提高可控性，編程語言構建控制系統可以選擇使用OpenGL圖形庫或者VC++語言。憑借其強大完備的語言功能，VC++語言與OpenGL圖形庫的融合應用可以滿足系統開發的眾多要求，其缺點也不容忽視，即三維效果構建困難、開發過程繁瑣、資源占用率高、需要較長的周期。為此，切削仿真系統和數控系統的開發仍選取VC++語言，但是視景部分開發工作可以用VegaPrime軟件平臺取而代之。實踐證實，VegaPrime軟件能控制視景的變化，支持OpenGL繪圖和刷新，最大限度地降低了編程難度，使得呈現效果更為立體化。[5]

2.3 系統功能結構

結合系統的總體設想，以及現實所需的功能和效果，依托軟件編制平臺，對數控加工系統的研發功能做出如下分類，如圖3所示。

圖3 虛擬現實加工仿真系統組成

第一，虛擬機床構建與控制功能是指在VC++框架以及有關函數和模型的共同作用下，可控虛擬機床形成的完整性結構；第二，數字控制系統的作用是控制機床運動、處理面板控制指令以及NC代碼指令，在數控加工中具有極強的基礎性功能；第三，人機交互系統主要發揮其提供接口的作用，能夠根據其他輔助功能、功能選擇界面、加工過程觀察以及數控加工操作等內容，發出相應的用戶指令；第四，仿真效果功能系統可以控制滿足條件的可加工虛擬毛坯，并呈現出實時化的加工效果；第五，立體顯示及硬件系統為立體顯示，其來源途徑需要硬件系統和立體顯示設置的支撐保障。

2.4 系統功能的實現

虛擬數控機床作為核心結構組成，在虛擬數控加工系統中，主要承擔系統功能的要務，具體實現途徑及結構如圖4所示。虛擬數控機床由3部分組成，分別為虛擬操作規程、虛擬操作過程和系統輔助功能。虛擬操作環境結構主要包括臥式和立式，而量具夾具還可細化為仿真操作面板、毛坯的定義以及選擇定義等等。虛擬操作過程的功能為提示報警、仿真運行加工模擬程序、移動自動操作、手動工件以及顯示建立坐標軸。此外，系統輔助功能相對單一，即切換視圖和在線加工功能。而在實現效果方面，數控虛擬系統與實際機床十分統一，一致性特征顯而易見，多采用夾具、刀具、操作面板。

圖4 虛擬數控機床實現途徑

3 系統開發平臺選取方案

3.1 硬件環境

基于VR技術的數控加工系統研發，離不開人機交互硬件設備的保障，為了提升交互逼真程度以及三維模型的精細程度，硬件環境PC機基本配置一定要高，圖形顯示卡要達到128MB以上，輸出設備為15寸以上的顯示器即可，輸入設備包括鍵盤和鼠標。

3.2 軟件環境

加工仿真系統既要有逼真度，還要滿足系統無關性，并需要在互聯網上實時運行，開發平臺應該支持多個操作系統，能接受多種圖形格式，具有良好的編程接口，采取多開發包集成方式，平臺要保持相對獨立性，減少開發工作量，形成三維圖形仿真開發效應，應用底層圖形開發接口，減少了編程的難度以及開發與維護的成本。具體開發軟件配置包括網頁設計工具、Java開發平臺、VRML編輯工具和支撐平臺。

3.3 虛擬數控加工幾何建模

夾具、工件、刀具和數控機床是仿真系統幾何模型的基礎，借助NC代碼的驅動，數控加工就會通過帶動刀具達成對工件的切削過程。數控加工過程仿真要重點明確幾何模型的內容、原則和模式。在運動建模中，確保切屑生成邏輯、托板運動邏輯、軸運動定義、換刀邏輯和攻堅裝夾處于相互獨立的可控狀態下。而幾何建模的原則要力求典型化，遵循特征原則、獨立原則、典型部件原則和可擴充原則，這樣既便于變換產品，實現細化結構復雜模塊的互換，又可以有效反映數控機床裝配關系以及部件之間相互約束關系。

總之，隨著社會的快速發展，數控機床應用領域隨之拓展，軟件、硬件技術不斷更新的推動，為數控VR技術提供了很好的機遇。目前，數控虛擬價格系統產品性能和功能還存在諸多缺欠，需要有效利用虛擬現實技術，從而實現虛擬制造高度仿真分析，進而達到提高培訓質量且降低培訓成本的效果。這就需要采用計算機建模的方式，升級圖形開發包，確保圖像質量及動畫效果，結合幾何仿真和物理仿真，加快實體造型速度，充分考慮模塊的獨立性，開發出真實感較強、靈活性好、系統實用性強的系統加工環境，最終給使用者帶來更加真實的體驗。