VR/AR的曲面貼合技術

張永潔

（深圳市承熹機電設備有限公司，廣東深圳 518000）

多年來，機械加工制造業在我國現代工業建設中發揮著重要的基礎作用，結構龐大、零件多的大型機械設備的應用越來越受歡迎，同時也對精密復雜零件的制造加工提出了更高的要求。曲面貼合技術的應用在很大程度上解決了對高質量復雜零件制造加工的迫切需求。文中在簡要概述VR/AR 技術的基礎上，討論了曲面貼合技術在機械復雜零件加工中的應用。

1 VR/AR技術概述

AR 技術是增強現實技術。該技術結合了現有的三維建模、多媒體、實時跟蹤等多種技術，實現了一種新的人機交互方式。AR 技術可以將現實世界和虛擬世界的信息結合起來，同時展現出來，使得多方面的信息實現補充和疊加。VR 是一種虛擬現實技術，該技術采用了最先進的三維計算機圖形技術、廣角立體顯示技術等。經過計算機仿真后，生成實時、動態且非常接近真實的三維場景，使用虛擬顯示技術可以非常逼真地模擬視覺感知，此外還可以模擬聽覺、觸覺和嗅覺。當前VR 技術最常見的應用就是頭戴顯示器，如通過頭戴顯示器來觀看VR 影片，使得觀看效果達到最佳。虛擬現實的概念和理論早在20世紀90年代就出現了。20世紀90年代以后，虛擬現實技術的理論開始逐步完善。虛擬現實技術首先應用于游戲和娛樂行業，隨后索尼、任天堂相繼推出VR 技術頭盔。正是VR 技術頭盔的繁榮，使得虛擬現實技術正式從研究階段過渡到應用階段。目前，虛擬現實技術已廣泛應用于科研、航空、軍事等領域。許多施工企業在應用VR 技術和AR 技術時，往往被動地完成投標要求或業主的要求，未能從根本上認識到VR 技術和AR 技術的應用是工業革命的開端。因此，VR 技術和AR 技術的應用是非常被動的，未能充分發揮其有效性。

從AR 技術的發展、實現和利用水平來看，國內對其的重視程度還遠遠不夠。與許多西方發達國家相比，我國對AR 技術的了解和利用還有很大的發展空間，在精度和物質資源方面的投入遠遠低于其他發達國家。要想真正地利用好AR 技術，就必須有一套系統的開發實施方案，真正了解AR 能給人們的生產生活帶來什么樣的體驗。就近年來VR 在我國的普及程度而言，基于VR 技術的AR 技術也將有很大的發展空間。因此，加大對AR 技術的投入，充分利用AR 技術在各個領域進行應用，也將給人們的生產生活帶來巨大的變化，并且也將會滲透到人們生活的各個方面。

2 曲面貼合技術概述

曲面貼合技術是指計算機輔助設計和制造技術，是數控技術的核心部分。在具體的應用中，必須借助一定曲面貼合技術來完成被加工零件的設計和編程。目前主流的凸輪數控技術便是曲面貼合技術，具有編程自動化、操作簡單、硬件要求寬松等特點。它已應用于許多工業生產領域，如軍事、航空航天、汽車制造等機械復雜零件的加工。從軟件功能上看，曲面貼合技術涵蓋了從被加工對象的幾何設計到具體制造生產的諸多環節。技術人員僅通過構建加工對象的線框結構，就可以實現對機械復雜零件進行特定的加工制造過程，本軟件還同時提供了建模和加工制造的功能。只要電腦設置刀具軌跡和工藝參數等的安排合理，便可自動生成可進行物理模擬的軟件，以完成加工，無論多么復雜的零件被制造出來，均不需要人工進行，大大縮短了零部件的制造周期，具有傳統手工編程無法比擬的優點。

3 機械復雜零件加工精度有效分析

機械復雜零件的加工工藝具有高效率、高精度的特點，它是對傳統手工加工方式的突破。在當前數字化技術的應用和設計過程中，數控機床技術的應用也實現了零件加工的綜合應用管理和控制。但是在機械復雜零件的實際加工過程中，也會受到相關因素的影響，導致加工精度下降。

（1）在機械復雜零件的加工會受到內部因素的干擾，導致加工精度下降。主要包括加工工藝流程、加工設備故障、加工人員操作技術、加工時間等因素。一旦在整個加工過程中出現加工問題，就會直接影響機械復雜零件的加工效果。保證機械加工的更加合理，需最大程度地提高機械復雜零件的加工質量。

（2）在機械復雜零件的加工還會受到外界因素的干擾。在機械復雜零件的實際加工過程中，外部的加工溫度和加工外部的振動會直接影響加工精度，不利于對加工精度的控制。因此，在實際加工過程中，需要對加工進行全面的控制，以保證加工精度更加合理地進行。

4 VR/AR的曲面貼合技術在復雜零件加工中的應用分析

目前，我國機械制造業對VR/ AR 的曲面貼合技術的應用，是在技術人員的聯合合作和計算機交互中完成的。以加工復雜零件為內容，目前的應用可分為以下幾個部分。

4.1 分析零件的特點，確定零件的加工工藝

對復雜零件進行加工，編程技術人員首先需要對復雜零件的結構特征進行分析，從而確定與零件特征匹配的加工工藝。確定要采用的加工工藝后，需規劃零件的加工順序。在設計需注意盡量減少更換刀具的次數。任何復雜零件的制造加工都有一定的精度要求，技術人員應熟悉要制造加工的復雜零件的不同的精度要求。根據粗加工與精加工相結合的原理，先對零件表面進行粗加工，然后對關鍵零件進行精加工。

4.2 繪制復雜零件的幾何模型

幾何建模是采用VR/AR 的曲面貼合技術進行復雜零件加工的基礎。如果說其他的與計算機技術相結合的零件加工工藝幾何建模需要利用UG、AutoCAD等繪圖軟件，而且需要在繪圖之后轉化為圖形文件，那么VR AR 的曲面貼合技術則可以以線框結構來構建，實現零件的二維和三維設計，體現著較強的便捷性。

4.3 確定加工復雜零件的刀具路徑

在設計出復雜零件的圖紙后，技術人員可以對其進行分析，在幾何造型的基礎上設定刀具軌跡，選擇加工步驟。其中，要注意復雜零件粗加工和精加工要求的不同，對不同零件加工選擇有針對性的刀具。VR/AR 的曲面貼合技術能夠自動完成復雜零件加工中刀具軌跡數據的生成和分析，具有節省人力和技術人員精力的優點。

4.4 復雜零件的仿真切削和刀具路徑模擬

在刀具軌跡選擇和確定之后，有必要對VR AR的曲面貼合技術進行仿真加工。此時技術人員必須檢查所設置的工藝參數，確定刀軌設置的合理性，提前仿真驗證加工的可靠性，然后在此前提下開展對復雜零件的仿真切削與刀具路徑模擬。這樣，就可以把傳統復雜零件加工制造過程中的試切這一環節省略，既縮短了零件生產周期，減少了零件制造原材料的浪費，又使復雜零件成品在計算機模擬之下快速直觀地顯示出來，有助于提高加工效率。

4.5 生成NC數控代碼，利用數控設備開展加工

在這一階段的應用中，技術人員需要將VR/AR的曲面貼合技術的幾何圖形文件和刀具路徑文件轉換成特定數控機床可接受的NC 代碼。同時，需要將轉換后的NC 代碼轉移到NC 設備上。由于流行的數控設備種類繁多，不同的設備有不同的后處理程序。因此，根據硬件設備的特點，選擇合適的程序對接收到的NC 代碼進行轉換，并對零件進行實際加工。圖1為曲面貼合機。

圖1 曲面貼合機

5 VR/AR的曲面貼合技術在復雜零件加工中的應用技術形式

5.1 仿真數控加工

（1）構造復雜零件的三維幾何結構。可以說，大多數VR/AR 的曲面貼合技術的制造過程都是在建模工作完成之后進行的。對于復雜零件進行的建模，技術人員可以選擇其他專門的繪圖軟件對要加工的復雜零件進行結構設計，然后通過文件格式的轉換輸入到CAM 軟件中，從而達到幾何組成建模的目的。也可以直接使用線框繪圖功能，使用凸輪軟件本身對復雜零件進行建模。

（2）數控加工工藝的仿真與選擇。復雜零件通常包括不同的外觀和結構特征，并可能有孔、表面和凹槽等多種形狀要求。這就要求技術人員掌握凸輪數控軟件的刀具路徑，選擇不同的仿真工具進行開槽、加工曲面零件。

5.2 VR/AR的曲面貼合仿真技術

VR/AR 的曲面貼合技術提供了一種非常接近真實加工過程的仿真技術，可以極大地節約時間成本和材料試驗和錯誤損失，把原本需要實地開展的復雜零件加工程序在很短的時間內得以模擬完成，短時間將復雜零件的成品展現在技術人員眼前，直觀性鮮明。同時，它還有能夠仿真反饋顯示具體加工中刀具與零件加工材料的觸碰情況，便于技術人員對復雜零件的加工精度的把握。VR/AR 的曲面貼合技術的實際效果取決于自動編程和技術人員設計和規劃的加工工藝，以及刀具軌跡的運動。這就要求技術人員加深對VR/ AR 的曲面貼合技術的了解，結合復雜零件的制造理論和經驗，科學合理地設置工藝方法和刀具路徑。

5.3 VR/AR的曲面貼合技術的后處理技術

建模后的復雜零件制造的處理和模擬處理過程中，技術人員需要分析復雜零件的成品由數控凸輪軟件來確定模擬成品圖形是否滿足設計圖紙的規劃和標準，以及批量生產的要求。在此基礎上，需要確定數控加工程序。此時，VR/AR 的曲面貼合技術后處理技術尤為重要。可以對VR AR 的曲面貼合技術生成的加工數據代碼進行分析和處理，并將其轉換為特定的文件格式。技術人員借助該技術，可以對零件的數控加工文件進行進一步的修改和編輯，也可以對數控加工文件的質量進行反復檢查，從而保證復雜零件設計兼顧成品的整體質量。

6 結束語

隨著社會經濟的快速發展，科學技術也得到了迅速的提高。目前，人類社會已經進入到了科技時代，科技也引領著各行各業的快速變革，這為人類社會未來的發展提供了非常有利的條件。國民經濟的發展離不開工業的支持，所以工業要加快現代化建設。VR技術和AR 技術都有其獨特的內在優勢，將VR 技術和AR 技術結合在曲面設計技術中，可以大大提高工作效率，保證工作質量，盡可能縮短施工周期。雖然VR 技術和AR 技術在實際應用中還存在一些問題，但相信在不久的將來，隨著現代科技的不斷發展，VR 技術和AR 技術在工業設計領域的應用將有更大、更廣泛的發展空間。