虚拟信息技术构建数控虚拟实训体系研究

钟强强　王晶

摘 要：虚拟现实技术是信息领域前沿技术，其中VR构建的虚拟环境可带来良好的沉浸感。虚拟数控实训体系的构建需先进行虚拟仿真场景构造，同时需对虚拟加工交互过程进行研究，最后将虚拟加工程序与VR硬件集成。该虚拟实训体系可检查加工工艺的可行性，提高学生的学习效率，提高实训的安全性等，同时还具有资金投入较少的特点。

关键词：虚拟信息技术;数控;沉浸;实训

引言

虚拟现实技术是信息领域前沿技术，其中VR构建的虚拟环境可带来良好的沉浸感[1]。国内各大高校对VR等虚拟信息技术在工程应用中的仿真模拟进行了相关课题研究：清华大学开发的VASS虚拟装配训练系统、浙江大学开发的VDVAS系统、西北工业大学开发的DMAS系统等[2]。

虽然虚拟信息技术在工程应用仿真模拟中已有较大进展，但在数控实训领域的研究却十分少见。目前，各大高职院校中数控等工科学科的发展需巨大的资金投入，然而有限的经费导致很少有高校能实现学生一人一机的实训体验。虚拟信息技术在数控实训应用中可减轻实训教学过程对于实体设备的依赖，让学生沉浸于虚拟的数控加工环境中，获得与实际实训过程一样的体验。

一、虚拟数控实训体系的构建方式

数控是一门实践性要求很高的学科，在掌握数控机床的物理结构、运动方式、软件编程等知识的基础上，需经过一定的实训才能让学生更好地掌握所学知识。应用VR技术构建的沉浸式虚拟数控实训环境可实现“真实”的操作，获得深刻的学习体验。为了更好地构建数控虚拟实训体系，本文将从以下几个方面进行分析研究：

（一）虚拟仿真场景构造

实现数控加工过程的仿真，需构建一个实现数控现加工交互功能的虚拟环境，因此构建数控加工虚拟仿真场景是基础。本课题通过实地调研，获取数控实训车间实际环境素材，并以此构建虚拟仿真所需的机床及环境模型，再将该仿真场景导入到Unity 3D软件中进行渲染并添加灯光效果，最终创建一个“真实”的虚拟现实场景。

（二）虚拟加工交互过程研究

數控加工过程的虚拟仿真系统的开发研究，要以实际的数控加工技术为核心编写交互程序，并将程序传递到虚拟现实软件中的三维模型结合，利用计算机强大的物理引擎、U系统及虚拟现实软件丰富的效果插件等，将加工过程在虚拟现实场景中表达出来，使虚拟加工过程具备交互式、沉浸式的虚拟现实特点。

（三）虚拟加工程序与VR硬件的集成

虚拟加工过程的实现还需硬件设备的支撑：虚拟现实世界生成设备、虚拟现实系统输出与输入设备。虚拟现实系统由虚拟现实世界生成设备创建虚拟环境，再以输出设备将虚拟环境可视化，最后由交互设备及三维定位追踪设备实现人与虚拟现实世界的交互作用。其中，基于Unity 3D的虚拟加工程序与VR硬件的集成可使用“Middle VR”之类的中间软件进行处理：先使用该软件创建基于该VR 硬件系统的描述，称之为“Configuration file”（配置文件），再以.vrx格式存储为XML文件，然后应用Middle VR插件来匹配3D交互应用程序。

二、虚拟数控实训体系的应用价值

（一）检查加工工艺的可行性

数控加工过程的虚拟仿真是以实际的数控加工技术为核心所构建的交互环境，可直观、准确地表达数控加工的每个过程。并且，基于虚拟环境本身的特殊性，学生还能仔细观察加工过程中机床各部件的运动情况，用以检查加工工艺的可行性。

（二）提高学生的学习效率

高职院校中数控实训的发展因无法满足学生“一人一机”的需求速度受到严重的制约。虚拟信息技术应用于数控实训后，可实现满足每位学生的实训需求同时保持原有数控实训过程的临场感。

（三）提高实训安全性

虚拟现实实训过程可带来逼真实训体验，同时又因所有的实训过程都在虚拟世界中进行，可避免真实的数控实训过程的潜在危险，不论学生是否正确操作都不会对其人身安全造成损伤。

（四）降低资金投入

实现虚拟现实实训场景的构建，主要应用的技术有3ds Max、Unity 3D、Quest 3D、VRP等，同时所投入的这些技术与设备可应用于数控实训以外的其他领域，等同进一步降低所需的经费投入。

总结

1.虚拟数控实训体系的构建需先应用Unity 3D软件创建一个基于数控实训车间实际环境虚拟现实场景;再利用计算机强大的物理引擎、UI系统与虚拟现实软件丰富的效果插件等，将加工过程在虚拟现实场景中表达出来;最后将虚拟加工程序与VR硬件进行集成，以实现沉浸性与交互性。

2.虚拟数控实训体系可在虚拟环境中观察机床的运动形式，检查加工工艺的可行性;同时，该实训体系能让每个学生都获得实训体验，加深对所学知识的理解，基于其虚拟的特质，可有效地保障实训的安全性，该实训体系还具有资金投入较少的特点。

参考文献

[1] 雷霞.虚拟现实主动性感知意义探析[J].现代传播（中国传媒大学学报），2017，39（12）：86-89.

[2] 胡安超.基于VR技术的船舶分段装配虚拟仿真研究[D].江苏科技大学，2018.