虛擬信息技術構建數控虛擬實訓體系研究

鐘強強　王晶

摘 要：虛擬現實技術是信息領域前沿技術，其中VR構建的虛擬環境可帶來良好的沉浸感。虛擬數控實訓體系的構建需先進行虛擬仿真場景構造，同時需對虛擬加工交互過程進行研究，最后將虛擬加工程序與VR硬件集成。該虛擬實訓體系可檢查加工工藝的可行性，提高學生的學習效率，提高實訓的安全性等，同時還具有資金投入較少的特點。

關鍵詞：虛擬信息技術;數控;沉浸;實訓

引言

虛擬現實技術是信息領域前沿技術，其中VR構建的虛擬環境可帶來良好的沉浸感[1]。國內各大高校對VR等虛擬信息技術在工程應用中的仿真模擬進行了相關課題研究：清華大學開發的VASS虛擬裝配訓練系統、浙江大學開發的VDVAS系統、西北工業大學開發的DMAS系統等[2]。

雖然虛擬信息技術在工程應用仿真模擬中已有較大進展，但在數控實訓領域的研究卻十分少見。目前，各大高職院校中數控等工科學科的發展需巨大的資金投入，然而有限的經費導致很少有高校能實現學生一人一機的實訓體驗。虛擬信息技術在數控實訓應用中可減輕實訓教學過程對于實體設備的依賴，讓學生沉浸于虛擬的數控加工環境中，獲得與實際實訓過程一樣的體驗。

一、虛擬數控實訓體系的構建方式

數控是一門實踐性要求很高的學科，在掌握數控機床的物理結構、運動方式、軟件編程等知識的基礎上，需經過一定的實訓才能讓學生更好地掌握所學知識。應用VR技術構建的沉浸式虛擬數控實訓環境可實現“真實”的操作，獲得深刻的學習體驗。為了更好地構建數控虛擬實訓體系，本文將從以下幾個方面進行分析研究：

（一）虛擬仿真場景構造

實現數控加工過程的仿真，需構建一個實現數控現加工交互功能的虛擬環境，因此構建數控加工虛擬仿真場景是基礎。本課題通過實地調研，獲取數控實訓車間實際環境素材，并以此構建虛擬仿真所需的機床及環境模型，再將該仿真場景導入到Unity 3D軟件中進行渲染并添加燈光效果，最終創建一個“真實”的虛擬現實場景。

（二）虛擬加工交互過程研究

數控加工過程的虛擬仿真系統的開發研究，要以實際的數控加工技術為核心編寫交互程序，并將程序傳遞到虛擬現實軟件中的三維模型結合，利用計算機強大的物理引擎、U系統及虛擬現實軟件豐富的效果插件等，將加工過程在虛擬現實場景中表達出來，使虛擬加工過程具備交互式、沉浸式的虛擬現實特點。

（三）虛擬加工程序與VR硬件的集成

虛擬加工過程的實現還需硬件設備的支撐：虛擬現實世界生成設備、虛擬現實系統輸出與輸入設備。虛擬現實系統由虛擬現實世界生成設備創建虛擬環境，再以輸出設備將虛擬環境可視化，最后由交互設備及三維定位追蹤設備實現人與虛擬現實世界的交互作用。其中，基于Unity 3D的虛擬加工程序與VR硬件的集成可使用“Middle VR”之類的中間軟件進行處理：先使用該軟件創建基于該VR 硬件系統的描述，稱之為“Configuration file”（配置文件），再以.vrx格式存儲為XML文件，然后應用Middle VR插件來匹配3D交互應用程序。

二、虛擬數控實訓體系的應用價值

（一）檢查加工工藝的可行性

數控加工過程的虛擬仿真是以實際的數控加工技術為核心所構建的交互環境，可直觀、準確地表達數控加工的每個過程。并且，基于虛擬環境本身的特殊性，學生還能仔細觀察加工過程中機床各部件的運動情況，用以檢查加工工藝的可行性。

（二）提高學生的學習效率

高職院校中數控實訓的發展因無法滿足學生“一人一機”的需求速度受到嚴重的制約。虛擬信息技術應用于數控實訓后，可實現滿足每位學生的實訓需求同時保持原有數控實訓過程的臨場感。

（三）提高實訓安全性

虛擬現實實訓過程可帶來逼真實訓體驗，同時又因所有的實訓過程都在虛擬世界中進行，可避免真實的數控實訓過程的潛在危險，不論學生是否正確操作都不會對其人身安全造成損傷。

（四）降低資金投入

實現虛擬現實實訓場景的構建，主要應用的技術有3ds Max、Unity 3D、Quest 3D、VRP等，同時所投入的這些技術與設備可應用于數控實訓以外的其他領域，等同進一步降低所需的經費投入。

總結

1.虛擬數控實訓體系的構建需先應用Unity 3D軟件創建一個基于數控實訓車間實際環境虛擬現實場景;再利用計算機強大的物理引擎、UI系統與虛擬現實軟件豐富的效果插件等，將加工過程在虛擬現實場景中表達出來;最后將虛擬加工程序與VR硬件進行集成，以實現沉浸性與交互性。

2.虛擬數控實訓體系可在虛擬環境中觀察機床的運動形式，檢查加工工藝的可行性;同時，該實訓體系能讓每個學生都獲得實訓體驗，加深對所學知識的理解，基于其虛擬的特質，可有效地保障實訓的安全性，該實訓體系還具有資金投入較少的特點。

參考文獻

[1] 雷霞.虛擬現實主動性感知意義探析[J].現代傳播（中國傳媒大學學報），2017，39（12）：86-89.

[2] 胡安超.基于VR技術的船舶分段裝配虛擬仿真研究[D].江蘇科技大學，2018.