基于虚拟现实技术的车床仿真系统的研究与开发

摘 要：虚拟现实技术在车床仿真方面的应用已逐渐成为研究热点，针对目前车床仿真系统的不足之处，例如精度不高、交互性差等问题，对虚拟现实技术的基础内容进行了介绍，提出车床仿真系统的设计方案，包括功能需求分析、基本架构设计等方面的内容，在设计方案的基础上，利用三维建模技术和VR等技术进行具体的系统实现。旨在实现对车床加工过程的高精度仿真和提升用户体验的目标，为车床加工行业的发展提供有力的支撑。

关键词：虚拟现实技术；车床仿真系统；研究；开发

1 前言

随着工业技术的不断发展，数控车床已经成为现代制造业中不可或缺的一部分。然而，由于传统的数控机床教学方式单一，难以满足现代制造业对于高质量、高效率的生产需求。因此，基于虚拟现实技术的车床仿真系统的研究与开发已成为当前的热点问题。目前，国内外对于车床仿真系统的研究已经取得了一定的进展。例如，胡兆勇利用Visual C++集成平台，构建了集文本、动画、视频、仿真交互等形式为主的虚拟仿真系统，实现了机床传动机构的可视化仿真；何福本等人则借助增强现实技术对普通车床的车削加工进行了虚拟仿真，以三维注册技术、区域识别方法为技术支持的APP的形式，实现虚拟教学的交互、知识讲解。然而，以上研究只从某一或几个方面对普通车床进行演示、仿真，无法全面涵盖车床的知识点。本文将基于虚拟现实技术，设计并开发一款具备真实车床操作环境的仿真系统，有效地降低风险和安全隐患，帮助增强车床操作员的安全意识和保证生产安全，为推进工程教育和工业自动化领域的发展做出重要贡献。

2虚拟现实技术介绍

2.1虚拟现实技术发展历程

虚拟现实技术起源于20世纪60年代，最初不是作为娱乐或游戏媒介，而是为了军事培训和航天模拟等领域而研发。20世纪90年代初，虚拟现实加速发展，出现了头戴式显示器、手柄操控等设备，同时也出现了第一个商业化虚拟现实游戏《虚拟战争》。然而由于技术上的限制以及商业现实，虚拟现实在20世纪90年代末期经历了瓶颈期，知名VR公司陆续倒闭。2010年后，随着技术的不断进步，VR产业再次迎来昌盛发展，包括Oculus、HTC等大厂都陆续推出虚拟现实头戴设备，并推出多款优秀游戏，VR技术也逐渐走向大众化。

2.2虚拟现实技术原理

虚拟现实技术的实现与计算机图形学、人机交互技术、数字信号处理和物理仿真等的技术密切相关。VR技术通过将计算机生成的三维视图投射到使用者头戴式设备的显示器上，使用者可以看到虚拟现实场景，并对其进行交互。这样的交互方式通常涉及具有位置跟踪能力的跟踪器、操纵杆或手柄等设备。

2.3虚拟现实技术在车床仿真领域的应用现状

2.3.1产品设计模拟

虚拟现实技术可以模拟出汽车零部件的三维模型，通过视觉和触觉的反馈，使设计师可以更加贴近实际，更快地进行设计和测试，从而提高设计效率和准确度。

2.3.2工艺规划模拟

虛拟现实技术可以模拟出零部件加工的整个流程，包括车床的设置、加工刀具的选择和零部件的卡紧方式等，可以为工艺规划提供重要的参考。

2.3.3操作培训模拟

虚拟现实技术可以模拟出实际操作车床的整个过程，包括操作方式和工具的使用方法等，可以为新员工培训提供强有力的帮助[1]。

2.3.4故障排除模拟

虚拟现实技术可以模拟车床故障的情况，帮助技术人员快速定位故障，并做出相应的维修措施。

3基于虚拟现实技术的车床仿真系统设计

3.1系统功能需求分析

3.1.1车床加工流程的可视化

基于虚拟现实技术的车床仿真系统可以实现加工流程的数字化和可视化，将车床加工过程的每个阶段都呈现出来，从而操作者可以更快、更容易地理解车床加工的流程。

3.1.2车床加工工序的模拟控制

基于虚拟现实技术的车床仿真系统需要模拟加工过程中的一些机能控制。通过这种创新方式，操作员可以在虚拟环境中模拟流程，指导车床加工操作过程中的操作人员，使操作人员能够更好地操作以及指导便携，并提高生产效率[2]。

3.1.3使用多种不同的工艺参数来模拟加工过程

基于虚拟现实技术的车床仿真系统可以支持不同的工艺参数和不同的车床加工设置。因此，操作员可以在不同的加工环境和工艺条件下进行加工操作，以实现对不同加工流程进行处理。

3.1.4提供复杂的数控编程信息

基于虚拟现实技术的车床仿真系统需要支持复杂数控编程的信息，该系统将车床控制程序的操作步骤可视化，使操作员可以更有效地输入数控程序信息。这种功能可以帮助操作员轻松输入数据信息，防止出错。

3.1.5提供加工过程中的实时监控和分析

基于虚拟现实技术的车床仿真系统需要监测车床加工过程的各个阶段的数据，并进行实时分析。例如，可以监控加工过程中的温度、工具磨损程度以及机床、工件和刀具等组件的状况等。这种功能可以在加工过程中及时发现和纠正错误，以避免对最终产品造成影响。

3.1.6在线维护支持

基于虚拟现实技术的车床仿真系统需要支持在线维护服务功能。例如，通过远程维修支持、在线更新和升级软件等方式，使用户能够及时获得新功能和其他支持服务。

3.1.7支持网络互联

基于虚拟现实技术的车床仿真系统需要支持网络互联。这样，在多个位置的车床加工操作员可以联网并在虚拟环境中进行协作，从而进一步提高生产效率。

3.2系统基本架构设计

在进行系统基本架构设计时，需要考虑系统的整体框架结构、各个部分的技术细节和数据传输等问题。为了实现系统的高精度仿真和可视化，本系统使用了Unity 3D引擎，该引擎可以方便地创建基于虚拟现实技术的场景，同时也可以支持高精度仿真。因此，本系统的核心部分是基于Unity 3D的仿真引擎。对于车床加工的过程和状态的可视化，系统采用的是头戴式显示设备，这种设备能够使用户感受到场景的沉浸感，从而方便地了解车床加工的过程和状态。

在用户和虚拟世界之间的交互方面，本系统采用了手柄设备，该设备可以通过手势控制物品在虚拟现实世界中移动、旋转或缩放。此外，系统还配备了键盘等额外的输入设备，以实现更方便的操作。

系统的主要数据源是CAD模型，该模型可以方便地转换为三维模型，并通过仿真引擎对车床的加工过程进行模拟。同时，系统还可以通过传感器等外部设备收集车床的实时运行状态，并进行实时观测和监控（如图所示）[3]。

4基于虚拟现实技术的车床仿真系统应用及评估

4.1系统在车床加工过程中的应用

车床仿真系统主要应用于数控车床的加工过程中，通过虚拟仿真的方式来模拟加工过程，并提供智能化的操作界面，让操作者更好地掌握车床加工流程，提高加工效率，降低生产成本。

4.1.1模拟车床加工过程

车床仿真系统可以模拟车床的加工过程，包括选择不同的工艺参数、不同的工具、设定不同的加工参数等等。通过计算机仿真技术，系统可以对加工过程进行预测，提前判断加工过程中可能出现的问题，并提供相应的解决方案，从而降低由于操作不当而引起的损失和浪费。

4.1.2操作界面智能化

车床仿真系统提供智能化的操作界面，通过人机交互的方式来控制车床的加工。在加工过程中，系统会根据设定的参数来调整操作界面，减少操作员的疲劳程度，提高操作效率。同时，通过车床仿真系统，操作员还可获得加工过程中的实时反馈信息，包括加工时间、加工速度、进给速度等等，进一步提高加工精度和效率。

4.2系统性能评估

4.2.1视觉效果方面的评估

车床仿真系统的视觉效果对于操作者的真实感和模拟体验是十分重要的，可以通过以下几个方面进行评估：

（1）成像清晰度：检验系统图像的清晰度。

（2）色彩还原：评估系统对颜色的还原。

（3）模型真实性：判定模型是否逼真，与实物是否一致。

（4）灯光效果：检验车床仿真系统灯光效果的真实性，包括反光和阴影等效果是否逼真。

4.2.2虚拟体验方面的评估

虚拟体验是车床仿真系统的核心，是操作者能否了解和掌握加工过程的重要条件，可以通过以下几个方面进行评估：

（1）人机交互操作方便性：检验系统的操作界面是否友好，操作是否方便。

（2）动态效果：可以检验加工过程的动态效果，包括车刀加工、销齿加工等等。

（3）步骤流畅性：检验操作者进行操作是否流畅且具有连贯性。

4.2.3仿真效率方面的评估

仿真效率是车床仿真系統性能评估中的一个重要方面，可以通过以下几个方面进行评估：

（1）程序的响应时间：测试程序启动和响应时间。

（2）系统的稳定性：测试系统是否稳定，并能够长时间运行。

（3）运行速度：检测程序的运行速度和加工时间，以验证系统的运行效率。

4.3系统优化

由于车床仿真系统的重要性，如何将虚拟现实技术应用到此领域中成为本文研究的重点。在已有的车床仿真系统中，发现存在着一些问题，如系统操作繁琐、图形质量不高等。以下提出几点优化方案：

4.3.1系统操作繁琐

在目前的车床仿真系统中，用户需要通过键盘或者鼠标等外设进行操作，但是这种方式的交互效果并不是很好，用户需要进行复杂的操作才能完成一系列的操作。这种繁琐的操作方式非常容易造成用户的操作失误，对于初学者来说，更是不够友好。对于这种问题，可以采用基于手势和语音控制的方式进行操作，这种方式可以使得操作者能够更加方便地进行车床的模拟操作。基于手势的操作可以直接在智能硬件上进行，而语音控制可以通过麦克风把指令发出来即可。

4.3.2图形质量不高

在车床仿真系统中，需要保证图形质量的高度，由于图形质量的高低将直接影响到操作者的视觉感受，缺乏高质量的图形将会影响到操作者保持注意力、产生眼部疲劳等问题。对于图形质量不高的问题，可以采用更加强大的计算机来提供足够的渲染能力，同时需要对系统中的光源配置进行优化，可以采用更加逼真的光照模拟技术，提供更加真实的视觉体验。

5结论

本论文通过对虚拟现实技术进行了深入的研究，并针对车床加工领域的实际应用需求，设计开发了一款基于虚拟现实技术的车床仿真系统。在系统开发过程中，运用了三维建模技术、仿真运动技术、动态模拟技术等多种技术手段，实现了车床加工的全过程仿真。综上所述，本文为虚拟现实技术在车床加工领域的应用和发展提供了重要的参考和借鉴，也为相关领域的研究和实践提供了有益的借鉴和启示。同时，对于车床仿真系统的完善和优化，以及虚拟现实技术在其他领域的应用也有一定的借鉴价值。

参考文献

[1]马仲依.基于虚拟现实技术的车床模拟培训系统的研究及开发[D].山东建筑大学，2016.

[2]蔡宝，石坤举，朱文华.基于虚拟现实技术的车床仿真系统[J].计算机系统应用，2018，27（5）：5.

[3]王广官.基于虚拟现实技术的数控车床仿真系统的研究与开发[D].浙江大学，2016.

作者简介：林凯（1986.7－），男 ， 汉族，黑龙江哈尔滨人，研究生，讲师，主要研究方向：机械加工，特种加工等。

课题：基于MR（混合现实技术）的车工虚拟仿真软件的开发与应用。 编号：HBKC217033。