虚拟现实及其在数控机床中的应用

精选文库虚拟现实及其在数控机床中的应用摘要：本文首先介绍了虚拟现实的基本概念，虚拟现实系统的构成、研究内容和关键技术，在此基础上介绍了一种虚拟现实系统的实现机制；然后通过虚拟数控机床的功能分析，提出了虚拟数控机床的体系结构，并介绍了虚拟数控机床的应用。关键词：虚拟现实，实现机制，虚拟数控机床Abstract: This paper firstly introduces the basic concepts of virtual reality, and composition, content and key technology of virtual reality systems, on the basis of which an implementation of virtual reality system mechanism is introduced ; then through a virtual machine tools functional analysis presents the architecture of virtual machine tool and describes the application of virtual machine tools.Keywords: virtual reality, implementation mechanism, virtual machine tools1 虚拟现实简介 虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），这一名词是由美国科学家Jaron Lanier 上世纪在80年代初提出的，也称为灵境技术或人工环境。1.1 虚拟现实概念目前比较公认的较精确的VR定义是：采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备（如特制的衣服、头盔、手套和鞋等）以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验。1.2 虚拟现实特点与优势 虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映，其基本特点如图1-1所示。 图1-1 虚拟现实的特点沉浸感是指用户在虚拟环境中感受到的环境真实程度。交互性是指用户对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(即实时性)。 想象性是指用户沉浸在多维信息空间中，依靠自己的感知和认知能力全方位地获取知识，发挥主观能动性，寻求答案，形成新的观念。 鉴于此，与实际制造对比，在机械设计制造中中使用虚拟现实技术辅助设计制造的主要优势体现在以下几方面。 （1）产品设计制造流程完全在虚拟环境中进行，在计算机上进行产品设计、制造、检测，甚至设计人员或用户可“进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和操作，虚拟现实的优势就是其参数完全是人为定义，所以对其改动将会非常快捷方便，而不需要对实体模型进行反复修改制造。 （2）虚拟现实技术充分的利用了计算机技术，可使分布在不同地点的人员通过互联网远程联接，在同一个虚拟环境下上同时工作、相互交流、信息共享 ， 这样可以克服地理隔离所造成的问题，使得不同行业的人员更容易合作，同时也加强了用户与制造商之间的交流，可以更加明确的制造产品。 （3）相关人员可以获得安全的设计、制造环境。1.3 虚拟现实系统的构成 虚拟现实是计算机生成的给人多种感官刺激的虚拟世界（环境），是一种高级的人机交互系统。根据定义，虚拟现实由两部分组成：一部分为创建的虚拟世界（环境），另一部分为介入者（人）。虚拟现实的核心是强调两者之间的交互操作，即反映出人在虚拟世界（环境）的体验。这样，我们可以得到虚拟现实的概念模型如图1-2所示。图1-2 虚拟现实系统构成2 虚拟现实研究内容和关键技术 虚拟现实是多种技术的综合，其研究内容如图2-1所示，关键技术包括以下几个方面。 （1）动态环境建模技术虚拟环境的建立是 VR 系统的核心内容，动态环境建模的目的就是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。 图2-1 虚拟现实系统研究内容 （2）实时三维图形生成技术三维图形的生成技术已经较为成熟，但复杂场景的“实时”显示一直是计算机图形学“实时”生成。 （3）立体显示和传感器技术虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展，现有的设备远远不能满足需要。 （4）应用系统开发工具虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想像力和创造性。 （5）系统集成技术由于 VR 系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别与合成技术等。3 基于MultiGen Creator/Vega Prime的虚拟现实系统的实现机制20 世纪 90 年代至今是虚拟现实全面发展的阶段，出现了许多虚拟现实软件。如 Sense8的WorldToolKit、WorldUp，SGI的Open Inventor、OpenGL、Performer，Autodesk公司的 Lightscape，MultiGen-Paradigm公司的Creator、Vega、Vega Prime以及EON 公司的EON 等。Vega Prime是美国MultiGen-Paradigm公司推出的先进软件环境，在众多软件中有较为突出的表现，主要用于虚拟现实技术中的实时场景生成、运动仿真、声音仿真及科学计算可视化领域。本文主要介绍基于MultiGen Creator/Vega Prime的虚拟现实系统的实现机制。3.1 基于MultiGen Creator的三维虚拟现实建模技术 MultiGen Creator 是虚拟现实建模领域的佼佼者，它的文件格式（OpenFlight.flt）成了虚拟现实业界的标准；它的建模技术，反应了当前面向虚拟现实建模的趋势和潮流。Creator的特点主要体现在如下几个方面。 （1）它包括一套强大的集成工具，可以在“所见即所得”的环境中创建可视化的层级数据库，这些数据库在常规建模中遵循OpenFlight标准。 （2）作为仿真软件，它与CAD软件不同，它所追求的是建模方面的逼真性和在虚拟境界显示中的实时交互性。（3）Creator与仿真管理软件Vega Prime一起使用时，可直接将.flt文件导入Vega Prime的Lynx界面，生成.adf文件后，即可通过编程调用.adf文件进行虚拟仿真。此外，Creator具有很好的兼容性，可导入.3dx、.dxf、.stl等格式的文件，还可导出.dxf、.wrl、.stl等格式的文件。对一些零部件多、结构复杂、精度要求较高的模型，可以借助Maya、3DMax、CAD、VRML等建立模型，再用模型转化软件转换成 .flt 格式文件，然后在 Creator中进行修改整理，使之符合 Creator 的建模规则。一般而言，Creator建模步骤如图3-1所示。数据采集CreatorCAD/CAM.flt.3dx/.dxf/.stl.fltVP图3-1 Creator建模步骤 3.2 基于Vega Prime的实时场景渲染和系统实现 Vega Prime是美国 MultiGen Paradigm 公司的新一代仿真软件环境，用于虚拟现实和实时仿真软件的开发，它将先进的模拟功能和易用工具相结合，对于复杂的应用，能够提供快速、方便地建立、编辑和驱动工具。 Vega Prime是一种用于实时仿真及虚拟现实应用的高性能软件环境和工具包。它主要包括两个部分：一个是被称为 LynX 的图形用户界面的工具箱，另一个则是基于VC+的 Vega Prime函数调用库。LynX 的主要功能是通过可视化操作建立起三维场景模型，并将其存在一个应用定义文件(.adf)中，而后应用程序就可以通过调用 Vega Prime 的VC+ 语言函数库来对已建好的三维场景进行渲染驱动。Vega Prime主要具有以下几大特性：。（1）跨平台性：它支持Windows、SGI IRIX、Linux、Unix等操作系统，并且用户的应用程序也具有跨平台特性，用户可在任意一种平台上开发应用程序，而且无须修改就能在另一个平台上运行。（2）与VC+兼容。（3）可定制用户界面和可扩展模块：VegaPrime可扩展的插件式体系结构采用了最复杂的技术，提供了最简单的使用方法，它可进行最大可能的定制，用户可根据自己的需求来调整三维应用程序，能快速设计并实现视景仿真应用程序。此外，用户还可开发自己的模块，并生成定制的类。（4）支持OpenFlight文件格式：OpenFlight是MultiGen-Paradigm脚公司基于XML的数据描述规范，它使运行数据库能与简单或复杂的场景数据库相关连。对于 Windows 环境下的 Vega Prime，主要有三种类型：控制台程序、传统的 Windows 应用程序和基于 MFC(Microsoft Foundation Classes)的应用。由于控制台应用程序是 Vega Prime 的 SGI 版本唯一支持的 Application，所以如果要考虑跨平台兼容的话，即使在 Vega Prime 的 Windows 版上进行开发，也只能选择使用控制台应用程序。在系统的开发中，一般使用的是基于MFC的应用程序。VC+ +6.0中的MFC包含了强大的基于Windows的应用框架，提供了丰富的窗口和事件管理函数，已经成为Vega Prime 的主要工作平台。具体的虚拟现实系统实现流程如图3-2所示。 图3-2 虚拟现实系统实现流程图3.3 虚拟现实与传统CAD和三维动画的区别虚拟现实系统强调沉浸感，逼真性，即要求有高的“真实感”；强调自然的交互方式，又要满足“实时”的“交互”要求。总而言之就是：“真实感”的环境，产生“沉浸感”，可以自然的“实时”、“交互”。 这就使 VR 系统建模与传统 CAD 和动画建模有着本质上的不同： （1）VR 建模中要说明的内容要比传统系统建模要多，除说明造型外还要说明许多系统连接，如自由度（DOF，Degree of Freedom），层次细节（LOD）等； （2）由于要实时运行三维模型，其建模方法与以造型为主的建模有很大的不同，大多用其他技术（如纹理）而不是增加几何造型复杂度来提高逼真度。 虚拟现实建模与三维动画主要区别如表3-1所示。虚拟现实建模，考虑交互性和实现意图，与动画模型相比，通常细节比较少，以提高“实时性”的效果。这里并不是意味着虚拟现实建模不需要美学和视觉效果，相反，虚拟现实建模所有的追求，只有一个目标：“真实感”，在满足“实时性”的基础上，极力提高整个模型的真实感。在现有的基础上，人们只能在牺牲已经完美准确的视觉艺术，通过和“实时性”的平衡，来达到更高层次的“真实感”。 表3-1 虚拟现实与三维动画比较 4 虚拟数控机床及应用 虚拟数控机床是虚拟制造技术中的一个执行单元，在数控加工过程中为产品设计提供了可制造性的分析，在数控系统的学习和培训中，为各类学校和企业技术人员提供了完善的学习和培训。虚拟制造技术（VMT）以企业的柔性、快速响应市场、以及一次制造成功为标志，它将给制造业带来革命性的影响。下面主要介绍虚拟数控机床的特点、功能和体系结构。4.1 虚拟数控机床的特点及功能4.1.1 虚拟数控机床应具备的特点 （1）良好的结构：1)与真实机床相似的结构。具有与真实机床相似的结构使虚拟机床能模仿真实机床的任何功能而不致因为采用某种近似代替而导致某种结构的失真或丢失；2)机床各模块的颗粒性。虚拟机床各模块的颗粒性使每个模块能彼此独立的被开发和工作，从而增强了虚拟机床的可操作性和可管理性；3)各模块合适的颗粒度。虚拟机床各模块颗粒度的合适与否取决于每个模块的抽象度是否定义合适，以便使虚拟机床既是一个能概括各种类型数控机床的抽象框架，又能方便的挂接具体的模块来仿真某种特定类型的数控机床； （2）完善的图形接口：完善的图形接口使用户既能像在真实环境中那样完全操作数控机床，又能完全真实地以图像的形式观察机床运行的各种状态和各种机床运行参数，从而最大限度的提高人机融合度； （3）完全的符号数据接口：完全的符号数据接口能使虚拟机床的各种静止和运行状态以符号数据的形式被外界感知，从而提供了与其他制造软件的无缝链接。外界也能通过输入符号数据对虚拟机床进行控制； （4）强大的网络支持功能：强大的网络支持功能能使虚拟机床为各种真正的制造资源服务，从而在连接意义上提供与外界制造资源的相互操作性； （5）标准数据格式：虚拟机床由于采用标准数据格式存储、传输和处理数据因而能够在语义意义上提高与外界制造资源的相互操作性。4.1.2虚拟数控机床的功能 虚拟数控机床应该能够仿真不同的加工方法和不同的加工材料，能够完成数控机床的各项操作，逼真地显示数控机床的各种动作，并且能够显示和评估加工结果。因此系统要求具有如下功能。 （1）模拟加工过程：显示和仿真CNC控制功能、动画加工过程，检查刀具轨迹和干涉、过切、碰撞等并给予警告； （2）评估工件品质：显示工件3D实体表面的拓扑关系、尺寸、公差和表面品质； （3）估算加工成本：通过仿真加工过程，能进行加工成本的估算；（4）加工过程的监控：监控加工过程的各个方面。 虚拟数控机床和各设计软件的接口，为建模提供了方便，尤其是在特定的环境下，为产品的可靠性，产品的生产全过程，工艺规范以及产品方案的工艺计划进行性能评价。下面结合传统机械设计和虚拟设计（分别如图4-1，图4-2所示），分析虚拟数控机床的优势。在传统的产品开发过程中，通常是在完成设计后制造物理样机来验证设计的正确性，当发现缺陷后只能回头修改设计并再次制造样机进行验证，一般要经过反复若干次的修改才能达到性能要求，设计周期长，严重制约了产品的质量提高、成本降低和对市场的快速反应。虚拟现实技术与CAD技术在产品开发过程中的有机结合，改善了虚拟设计中人与计算机的交互方式，在沉浸式的虚拟环境中，设计者通过直接三维操作对产品模型进行管理，以直观自然的方式表达设计概念，并通过视觉、听觉、触觉等的反馈，感知产品模型的几何属性、物理属性与行为表现。在设计过程中，借助交互设备可以方便的完成产品模型构建，修改设计缺陷，对模型进行运动仿真和检验，对整个系统不断改进，直至获得最优设计方案，设计者还可以把自己的经验和想象结合到计算机的虚拟模型里，让想象力和创造力充分发挥。图4-1 传统机械设计流程图4-2 虚拟样机技术设计流程4.2虚拟数控机床的体系结构 虚拟机床与实际机床一样，可以认为是一组相互连接的活动部件的集合，它们完成要求的相对运动，提供工件和工件刀具系统上相关点的瞬间空间位置关系。因为机床的类型各式各样，品种千变万化，要想能够表达各种机床，就需要采用模块化的原理，定制各种标准的模块，这样经过少量的修改就可以建立各种机床的模型。各模块应该标准化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化、并具有互换性、相容性和相关性，使系统具有开放性和适应性。根据虚拟数控机床的特点与功能，可以将虚拟数控机床系统的功能模块划分如图4-3所示。图4-3 虚拟数控机床体系结构 （1）NC编译模块：为了使虚拟数控机床能够识别NC程序，开发了NC编译模块，它的功能是接受数控代码并将其翻译为机床部件、刀具等运动的信息； （2）运动控制模块：运动控制模块根据NC程序决定机床刀具和各个轴的运动状态，向各个运动部件发送运动指令并采集各轴的反馈信息； （3）操作面板模块：操作面板模块包括真实数控机床的操作面板按钮功能和虚拟数控机床的菜单； （4）切削计算模块：根据工件与刀具的相对位置，进行干涉判断，对发生干涉的工件进行切削计算并重新生成工件模型；（5） 机床场景模块：建立虚拟机床的工作环境。4.3 虚拟数控机床的应用 虚拟数控机床的应用非常的广泛，可初步进行无纸设计、装 配和测试等；利用CAD 形成的机床三维实体模型，结合CAE 软件，可对机床结构进行分析，机床部件的多种布局方案进行论证，择优。并可利用有限元分析、优化设计等对机械结构、布局进行改进和优化。虚拟机床是虚拟加工的工具和环境。在此基础上，可实现虚拟工厂，分析用机床进行产品加工的整个过程的各个环节，对整个生产系统进行虚拟和控制。另外， 用虚拟现实技术或三维技术制作的产品广告具有逼真的效果， 不仅可以展示产品的外形， 还可显示产品的内部结构、装配和维修过程、使用方法、工作过程工作性能等。5 总结 虚拟现实作为一门新颖并且充满生命力的技术，它的应用研究已经引起越来越多的学者和工程技术人员的关注。我国对虚拟现实技术应用于机械工程领域进行了大量研究，取得了很多可喜成果，但在工厂的实际应用方面却仍处于初级阶段，应该认真吸取发达国家虚拟设计、虚拟数控、虚拟装配、维修训练和维修设计的先进经验，让虚拟现实技术成为我国振兴机械装备制造业的技术支撑。参 考 文 献1李卫刚，刘慧英.基于Creator/Vega平台动态模型的控制实现J.科学技术与工程，2008，8(4)：1109-1112.2孙福臻，汉斯彼德兰特斯.机械虚拟现实技术的应用与发展J.机械设计与制造，2010(5)：264-266.3胡梓楠，于劲松.基于MFC编程框架的Vega Prime软件集成技术的研究J.系统仿真学报，2009，21(14)：4291-4294，4299.4夏显明，陈宁，佘建国，刘炜.基于MultiGen Creator和Vega工程机械仿真研究J.江苏科技