虚拟现实技术在自动化加工中的应用

沈国森 （天津市铁合金厂，天津 300400)

虚拟现实技术在自动化加工中的应用

沈国森 （天津市铁合金厂，天津 300400)

介绍了虚拟现实技术的概念、特点、基本要素及重要性。分析了虚拟现实技术在工业自动化加工过程中的应用，如三维造型、虚拟制造等，对其应用发展前景进行了展望。随着三维造型技术及虚拟现实技术的不断发展，机械加工过程将会全面实现自动化。

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1 引言

在过去的几十年中，计算机技术得到了飞速的发展，已深入到人类生产生活中的各个领域。计算机技术不仅把人们从繁重的计算任务中解放出来，同时还为人们提供了友好的交互界面。如何同计算机进行有效的交流便成为一项重要的任务，现在主要的交流方式是通过键盘、鼠标、显示器等设备，并没有实现人机之间的交互性。人与计算机的交流并没有实现像现实环境中人与人或者人与周围环境的交流那样进行。为方便人与计算机的交流，使人置身于一种“真实”的环境中，Sutherland在1965年提出“通过屏幕人们可以观察一个看起来真实、动起来真实、听起来真实、感觉真实的虚拟世界”。虚拟现实技术（virtual reality，VR)是由计算机产生一个集视、听、触、力等感觉于一体的沉浸式交互式环境，操作者借助必要的设备以人类自然的方式同虚拟三维环境中的物体进行交互，产生身临其境的感受与体验。虚拟现实技术融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、网络技术、传感器与测量技术、仿真与人工智能等多个信息技术。虚拟现实系统是以计算机硬件的飞速发展及软件的多样化为基础，使参与者能交互地观察和操纵系统生成的虚拟世界。

2 虚拟现实技术及基本要素

2．1 虚拟现实技术的特点

虚拟现实有三大特点：沉浸性（immersion)、交互性（interactivity)和构想性（imagination)。虚拟现实技术的目的就是使用户感觉自己处在计算机系统所建立的虚拟环境之中，使人能全方位体验虚拟世界中的各个因素，感觉自己是其中参与者。在虚拟环境中，用户的真实度感受是衡量虚拟现实技术的一项重要指标。在这种“真实”环境中人们不仅能够看到，而且还可以听到、“触摸”到，甚至可以通过嗅觉来感受虚拟环境中发生的一切。这种感觉使人们完全沉浸在虚拟世界所创造的环境中，这就是虚拟现实技术的首要特征——沉浸性。在虚拟环境中，用户可以直接控制虚拟场景中虚拟物体的各种参数，如运动的速度、方向等，虚拟现实技术能够实时向用户反馈操纵信息和结果，同时用户可以将自己的动作通过数据采集设备将数据传输到虚拟系统中，这就是虚拟现实技术的交互性[1-3]。构想性是指虚拟场景的构建是人们思想的直接体现，是人们为了达到一定目的而构建的，人类的思想在其中具有指导性。

2．2 虚拟现实技术的基本要素

虚拟现实技术主要由检测模块、反馈模块、传感器模块、控制模块、建模模块、3D模块等部分组成，如图1所示。

图1 虚拟现实系统构成

检测、反馈模块包括多种感知手段的硬件设备及传感器，它包括显示器、头盔显示器、立体投影、立体音响设备以及各种力的测量及反馈设备。用户通过控制模块，包括头盔跟踪器、数据手套、肢体衣等来实现用户对周围环境指令的下达，控制虚拟场景中虚拟物体的实时交互动作。

虚拟现实技术的控制主要由两部分完成：技术工具和人体自身。在虚拟现实环境技术中，人不仅可以控制当下的活动和可能产生的结果，还可以通过虚拟现实技术控制异时异地的活动和结果[4-7]。人的控制在整个虚拟现实系统中发挥了决定性作用，其主观能动性得到了充分的发挥，同时体现了计算机技术控制系统的精确、数据量大等特点。

3 虚拟现实在工业自动化生产中的应用

在工业领域中，实现自动化一直是各制造部门所追求的目标。随着虚拟现实技术的不断发展，其越来越多地应用到自动化生产中。虚拟现实的应用不仅可以提高生产效率，更重要的是可以避免一些不必要的损失和浪费，虚拟现实技术将在将来的工业生产中发挥越来越重要的作用。以下简单介绍虚拟现实在工业生产中的主要应用。

3．1 三维造型

三维造型技术是工业自动化的基础，通过虚拟的三维图像可使产品更加直观。它是通过三维造型软件对待加工工件的线框、曲面等进行描述来建立起立体的、有光有色的虚拟产品。三维图像更加符合人们的思维习惯和视觉习惯。在产品设计过程中充分体现了创作者的构想性。作为虚拟现实的基础，三维造型为整个虚拟现实技术提供了虚拟的场景及场景中的物体。目前比较常用的三维造型软件有UG、ProE、SolidWorks、3DMAX、MDT等。典型硬件见图2。

图2 虚拟现实技术硬件

三维造型技术在产品开发、生产、销售各个阶段起到越来越重要的作用。在产品设计阶段，它能够为机械工程师提供直观的产品模型，节约时间和成本;在产品生产过程中，它向生产者呈现一个更加直观的效果，避免了二维图容易产生错误的可能;在产品市场调研销售阶段，它可以为用户提供一个直观的概念，便于携带，并且节约了样机的生产成本。

3．2 虚拟制造

虚拟现实技术在工业自动化领域也得到了广泛应用，虚拟制造就是其中重要的一种。虚拟现实技术的引入实现了加工过程的可视化、易管理化，提高了生产效率。

3．2．1 虚拟机床系统

虚拟机床系统包括：虚拟机床库、虚拟刀具库、虚拟加工工艺等内容。本研究是在数控虚拟机床上完成的，虚拟机床系统界面如图3所示。

图3 虚拟机床界面

图3中，左侧为虚拟加工场景;右侧为模拟数控机床控制面板，其中左上角为现实程序，其余为控制按钮，该界面完全仿照实际数控机床界面制作。该系统能够模拟在数控机床上能够完成的各种操作。

本实验所用的虚拟机床能够实现从编程到加工的所有流程，并且具有多种形式的加工轨迹现实和仿真形式，可以自由选配各种类型加工方式。该虚拟机床具有操作简单、界面逼真、系统维护方便，开放性好和便于用户进行二次开发和集成等特点。

3．2．2 加工轨迹规划

它能够根据零件毛坯所要加工出的零件的尺寸形状、零件同夹具之间的空间和刀具的特征参数，自动选择合适的加工方法，包括刀具的进给路径、切削路径、退刀路径及每次进给量，并能够自动完成粗加工和精加工的调节，预测在加工过程中是否会发生干涉、撞刀等危险，选择合适的进刀点和退刀点。

本研究通过模拟加工长140 mm、直径50 mm的棒料，加工过程根据程序设计，分析刀具切入点是否会发生干涉，每次进刀量、退刀路径等内容的最佳选择;虚拟现实技术的引入避免了实际加工过程中物料的损失和不必要的伤害。图4所示为本研究中模拟的刀具轨迹。

图4 模拟道具轨迹图

4 虚拟现实的应用展望

虚拟现实是一个充满活力、具有巨大应用前景的高新技术领域，其研究内容涉及到计算机科学、计算机图形学、人工智能、传感器、心理学等，是许多相关学科领域交叉的产物。虽然虚拟现实技术应用前景非常广阔，但它目前仍处于初级阶段，存在着许多尚未解决的理论问题和技术障碍，这些方向都是将来研究工作的重点。在工业应用方面，三维绘图软件经过几十年的发展已经比较完善，特别是UG、ProE、Solid－Works、3DMAX、MDT等专业三维软件的发展在三维造型及虚拟加工上已取得了一定的成果。由于三维软件和机械加工的接口上还存在缺口，促使了虚拟技术在工业自动化生产过程中的应用。随着三维造型技术及虚拟现实技术的不断发展，相信机械加工过程将全面实现自动化。

[1]左令燕，杨鹏．虚拟现实技术在医学上的应用 [J]．医学信息，2002，15（5)：260-261．

[2]苏学勇，汤彦君．虚拟技术在现代医学教育中的应用[J]．中国医药导报，2008，5（33)：89-90．

[3]苏建明，张续红，胡庆夕．展望虚拟现实技术[J]．计算机仿真，2004（1)：18-21．

[4]何明雄，李兆廷．VR技术在教学中的应用[J]．中国科教创新导刊，2007（472)：205．

[5]付长亮．虚拟现实技术简介[J]．信息与电脑，2009（11)：60-61．

[6]罗玉华，左军，李岩．虚拟现实技术及其应用[J]．科技信息，2010（1)：63．

[7]郑彦平，贺钧．虚拟现实技术的应用现状及发展[J]．信息技术，2005（12)：94-98．

Application of Virtual Reality Technology to Automatic Machining

Shen Guosen

The concept,characteristics,basic elements and importance of virtual reality technology are introduced.The author analyzes its application to industrial automatic machining,such as 3D modeling and virtual reality manufacturing,and forecasts its development prospects.With the continuous development of 3D modeling and virtual reality technology,full automation in machining process will be achieved.

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（收稿 2011－03－27 责编 潘娜)

沈国森，毕业于天津大学自动化专业，主要从事35 kV电站的管理工作。