VR技術在機械加工虛擬仿真教學中的應用

張鈺，李瑋，張利兵，王敏，郭子圣

（西南林業大學，昆明 650224）

0 引言

目前，我國在機械加工實訓教育中存在諸多的問題，如教學成本較高、安全隱患頗多、教師示范操作演示效果不佳等（圖1為傳統教學中的數控車床）。VR技術的出現能夠很好地解決我國在機械加工實訓教育中遇到的諸多問題。利用VR技術搭建的虛擬仿真空間可模仿真實的機加工設備（如圖2），讓使用者能夠身臨其境，對虛擬空間中的情景有直觀的感受。虛擬仿真教學是一種理論與實踐相結合的教學方法，能夠激發學生的學習興趣，更是未來教學智能化、虛擬化、興趣化、安全化的一個縮影[1]。

圖1 數控車床

圖2 VR虛擬仿真教學空間中的數控車床

將VR技術應用在機械加工實訓的教學中，采用VR技術仿真各類機床，以實現機床的拆裝、數控加工實訓的虛擬教學、數控產品的加工等多種操作，通過直觀形象的展示和操作，完成了傳統教學無法完成的任務，拓展了學生的認知領域[2]。

工程機械類專業課程著重啟發、引導和培養學生專業知識領悟及實操應用技能，針對性強、實踐性廣。若內容枯燥、抽象，用傳統的教學模式教學，學生的空間概念很難建立，學生容易產生厭學情緒。通過三維模型的建立，將VR虛擬仿真技術引入教學當中，可以鞏固學生對知識的理解，轉變傳統的教學模式，促進學生主動學習，調動學生的學習積極性，有意識地培養學生的創新能力、自主探究能力，并能培養學生的空間思維能力、動手能力和創新能力[3]。讓學生在虛擬教學空間中進行編程、加工等相關操作的模擬練習（如圖3、圖4），符合規范后再進行實機操作，可有效科學地處理相關問題，減小誤操作對設備的損傷，將對正常教學的影響降到最低[4]。

圖3 虛擬加工平臺中的VR仿真產品

圖4 VR 機械加工虛擬仿真教學空間

1 以CM6140臥式車床為例的虛擬仿真教學空間的搭建

1.1 基于建模軟件的三維建模及裝配

通過SolidWorks對CM6140臥式車床模型進行建模裝配。CM6140臥式車床主要由主軸箱、進給箱、溜板箱、床身、尾架、刀架組成，對CM6140臥式車床進行簡化、拆解，以滿足后續的裝配、仿真的需要[5]。在子裝配體裝配完成后，對CM6140臥式車床以床身為基礎、采用“自下而上、自左而右”的裝配思路進行裝配（如圖5）。同時，在虛擬裝配過程中產品的裝配尺寸、約束不能配合時，能夠很快找到車床建模時存在的錯誤并進行改正。

圖5 整機裝配模型

1.2 基于VR技術的車床虛擬裝配及模擬

1.2.1 虛擬光照和場景的構建

在虛擬裝配及仿真模擬的過程中，首先要搭建虛擬場景。為了讓場景更加真實，需要對場景從Unreal Enging 4的光源庫中選擇光源（如圖6）。一般環境中應該有一個定向光源、一個天空光源、數個聚光源和數個點光源，此外還要在虛擬環境中添加一個反射球，通過調整反射球的反射光照次數、調整光照的角度和點聚光源的數量來改變環境的亮度和暖度，使畫面效果更加逼真，避免同一材質在不同位置的光照反射。在場景構建的過程中，根據目標設備的大小，靈活地設置場景的大小，以達到最真實的虛擬場景的構建。隨后，進行角色控制權的獲取，確定操作角色默認的出生點，并進行相關參數的設計（如圖7）。

圖6 虛擬光源庫

圖7 角色控制權的獲取

1.2.2 車床模型的載入和優化

利用3D MAX軟件或者SolidWorks自帶插件scanto3D插件完成模型從SolidWorks到Unreal Engine 4的數據轉換。在轉換過程中，模型的幾何、裝配等信息都得到了完整的保留。將模型導入Unreal Engine 4之后，為達到更為真實的效果，還需要對導入的模型賦予合適的材質。材質可以在Unreal Engine4自帶的材質庫（如圖8）中選擇更改。

圖8 Unreal Engine4材質庫

通過研究SolidWorks→3D MAX→Unreal Engine4的模型轉換方法。解決了SolidWorks軟件下的模型到Unreal Engine4軟件下的模型的格式轉換問題，使它們在機構和屬性上較完美地銜接。

1.2.3 仿真CM6140臥式車床的裝配過程

由于CM6140臥式車床模型的零件數量較大，因此對其裝配的仿真可以簡化為對重要子裝配體的裝配仿真與整機的裝配仿真。其中主要子裝配體包括主軸、刀架、尾架三大部分，在實現這三大部分裝配仿真的情況下，以車架為基礎對整機進行裝配仿真。

對于主軸的裝配仿真和后續裝配體各部分的裝配仿真，將用到Unreal Engine 4藍圖來操控物體在場景中空間位置變換，以此實現車床的裝配工作。首先用Unreal Engine 4自帶幾何體為對象來進行功能的制作，利用set和get兩個節點。set節點能夠設置場景中變量的因素或設置場景中因素的相關屬性，而get節點能夠獲取元素的數值。拉出2個幾何體設置坐標，打開藍圖里面的關卡藍圖，右鍵創建一個cube，連接節點AddActorlicaloffset（對自身坐標的一個加法運算），設置X軸加100，然后添加鍵盤“1”連接該節點，將該cube的移動性在細節面板改為可移動，這樣就可以控制cube在X方向以100為單位移動（如圖9）。同理創建一個cube2，連接該節點，設置 Y 軸 加100，再添加一個鍵盤“1”，將cube2改為可移動，如此就可以通過鍵盤“1”同時控制cube和cube2朝不同方向移動（如圖10）。通過上述操作就完成了車床的拆卸，逆向就完成了車床的裝配。生成的整機爆炸圖如圖11所示。

圖9 cube 移動

圖10 cube and cube2 移動

圖11 整機爆炸圖

主軸、刀架、尾架的裝配仿真過程中，首先對車床主軸的裝配，依次裝配夾具和主線旋轉軸。隨后進行整機的裝配過程準備，最后進行整機裝配，整機裝配圖如圖12所示。

圖12 整機裝配圖

1.2.4 主軸的旋轉過程仿真

主軸自轉是利用藍圖通信和自定義事件來實現，藍圖通信是一種用于藍圖之間數據通信的方式，可以在一個類里獲得另外一個或多個類的一些變量來進行判斷。

將自定義事件寫到actor中，提高其它的可拓展性，按照創建文件夾-創建actor-添加節點AddLocalRotation-添加時間Tick-添加分支點-添加布爾變量-路徑判斷-鍵盤控制點-鍵盤控制主軸旋轉過程，控制車床的主軸進行旋轉。操作過程圖如圖13～圖20所示。

圖13 創建actor

圖14 添加節點

圖15 添加事件

圖16 添加分支點

圖17 添加布爾變量

圖18 路徑判斷

圖19 鍵盤控制點

圖20 鍵盤控制主軸旋轉

1.3 基于VR設備的虛擬現實輸出及人機交互

1.3.1 硬件設備的安裝及調試

為充分發揮虛擬現實系統強大的圖形處理能力和沉浸感顯示。采用一套HTC Vive 設備（如圖21）來實現。

圖21 HTC Vive設備

安裝HTC Vive設備后，檢查軟件、顯卡、定位、頭盔、手柄的狀態，連接電腦后進行調試，將Unreal Engine4搭建好的場景通過藍圖編程，來實現在虛擬空間中的車床的裝配，完成VR機械加工虛擬仿真教學空間的搭建。

1.3.2 軟硬件設備的連接及調試

利用Seatm VR[6]軟件進行連接、定位等操作，隨后進行Steam VR插件設置，在連接好Steam VR硬件設備和安裝Steam VR驅動之后，需要在Unreal Engine 4中完成相關的插件調用設置。隨后輸入重定義，修改Unreal Engine4系統使用的移動默認設置。然后進行pawn藍圖類設置，實現手柄控制視線的上下左右移動。然后通過設置節點，進行頭顯、前進后退、左右移動的設置。最后進行藍圖關卡和游戲模式的設置，設置運動控制器節點，輸入出發節點后連接事件，事件包括車床爆炸裝配、主軸旋轉等，實現手柄按鍵對用戶交互的控制。游戲模式的設置即設置插件，讓Unreal Engine4能識別VR設備，讓VR設備得以順利工作。操作步驟如圖22～圖27所示。所有設置完成好后，打開創建好的關卡，檢測體驗是否正常，VR模式下的車床（拆裝過程）如圖28所示。連接調試成功后，配合設備進行虛擬現實輸出及人機交互。

圖22 輸入設置

圖23 pawn 藍圖類設置

圖24 頭顯設置

圖25 移動設置

圖26 所需創建藍圖類

圖27 設置游戲模式

圖28 VR模式下的車床拆裝過程

2 問題及反思

本文旨在融合VR技術、數據庫技術、網絡編程等技術，構建多維度、多場景、交互性強、沉浸感高的一個“VR機械加工虛擬仿真教學空間”，但項目經多年研究探索，目前仍存在以下問題。

2.1 轉化完整性問題

從SolidWorks導入到Unreal Engine 4中的模型，在其裝配位置上是準確的，但部分零部件間的約束關系沒有了，部分運動關系也隨之丟失了，因此在模型轉換的完整性上需要更深層次的研究。

2.2 受力分析問題

在條件許可的情況下，本文進一步簡化了車床受力與轉矩情況，但對其仿真有一定的影響，與現實中實際的車床運動有一定的不同。后期應對運動學進行仿真分析，改善受力分析的問題，減小該虛擬教學空間與實際車床運動之間的差距。

2.3 仿真功能有限

目前只進行了車床的爆炸裝配仿真和主軸旋轉仿真，很多機床的功能還沒有完全實現，后續還有待更深的研究和探索。

3 結語

本文介紹了VR機械加工虛擬仿真教學空間的研究背景，指出了本研究可提高機加工教學實訓的教學效果、降低教學風險及損耗，在一定程度上滿足國家、社會、高校層面對培養機加工人才的需求，且相對于傳統機械加工教學，本研究具有一定的優勢。

本文以CM6140臥式車床為載體，介紹了VR機械加工虛擬仿真教學空間的搭建及應用。系統地提出了三維模型虛擬裝配的一般操作步驟：首先采用SolidWorks對CM6140臥式車床進行建模裝配，在整機模型裝配的基礎上，根據約束關系對裝配模型進行簡化，再利用3D MAX軟件和Unreal Engine4軟件，進行CM6140臥式車床運動仿真。最后通過HTC Vive設備及Steam VR軟件完成虛擬現實的輸出和人機交互操作。

本文利用Unreal Engine4進行車床虛擬裝配過程中的重要過程為：加載和優化車床相關模型、裝配順序規劃、制作裝配仿真動畫；建立了車床的裝配序列，完成了車床的虛擬裝配。

最后，對本研究現階段存在的問題進行闡述及反思，指出了未來研究的側重方向。

（編輯 馬忠臣）