導(dǎo)語：虛擬數(shù)控加工培訓(xùn)論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

0.引言

長期以來,我國數(shù)控方面高深層次人才的匱乏和流失,成為阻礙我國數(shù)控技術(shù)發(fā)展的最大障礙。企業(yè)有資金引進(jìn)高精密的數(shù)控設(shè)備,卻尋找不到能夠維護(hù)和熟練操作的人員,面對厚重的用戶手冊無力消化吸收,更談不上技術(shù)的改造和創(chuàng)新。由此可見,人才競爭是根本,人才戰(zhàn)略是關(guān)鍵。數(shù)控技術(shù)的復(fù)雜性決定了引入高效、直觀的培訓(xùn)機(jī)制是提高人才素質(zhì)的有效途徑,而此培訓(xùn)機(jī)制的關(guān)鍵是要開發(fā)一套適合學(xué)員的培訓(xùn)系統(tǒng)。隨著利用VRML和JAVA開發(fā)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)和USB技術(shù)的日益成熟,可以很好地解決了這個難題。這套技術(shù)結(jié)合計算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理學(xué)、模式識別、智能接口、人工智能、傳感器、網(wǎng)絡(luò)和并行處理等多學(xué)科的虛擬現(xiàn)實技術(shù)使得人機(jī)交互方式有了質(zhì)的突破。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控加工中心的培訓(xùn)系統(tǒng)中,就是通過計算機(jī)產(chǎn)生數(shù)控加工中心、被加工工件的虛擬造型,加入音響效果和運動仿真,并配有控制面板,學(xué)員根據(jù)虛擬環(huán)境提供的視覺、聽覺、觸覺感受,可以感受到與操作實際的數(shù)控加工中心一樣的狀態(tài)。與傳統(tǒng)的數(shù)控加工中心培訓(xùn)相比,此系統(tǒng)擺脫了“試切”、“軌跡顯示”等方法,極大地提高了系統(tǒng)的主動性、交互性和沉浸感等性能,給學(xué)員逼真的感受,改善了數(shù)控加工培訓(xùn)的教學(xué)效果,并且大大降低了開發(fā)成本。

1.Java和VRML通信實現(xiàn)機(jī)理

Java是Sun公司于1995年5月23日推出的,當(dāng)時并沒有引起太多的注意。但是隨著Internet的迅猛發(fā)展,環(huán)球信息網(wǎng)WWW的快速增長,促進(jìn)了Java語言研究的進(jìn)展,使得它逐漸成為Internet上受歡迎的開發(fā)與編程語言。Java語言具有簡單、面向?qū)ο蟆⒎植际健⒔忉寛?zhí)行、魯棒、安全、體系結(jié)構(gòu)中立、可移植、高性能、多線程以及動態(tài)性的特點,正是這些特點為開發(fā)人員開發(fā)強(qiáng)大的仿真系統(tǒng)提供了便利。

VRML(VirtualRealityModelingLanguage,虛擬現(xiàn)實造型語言)包含了3D動畫、3D音效、傳感器觸發(fā)、時間輸入輸出、行為控制、支持多種腳本與多重使用者等功能,真正在Web上實現(xiàn)了動態(tài)頁面,并加強(qiáng)了互動功能,達(dá)到真正的虛擬效果。VRML可以用在各行各業(yè),如創(chuàng)建虛擬城市、虛擬校園、虛擬超市、虛擬公司等。VRML210的基本元素是節(jié)點,節(jié)點是組成3D場景的基本元素,大約定義了50多個節(jié)點,利用它們可以簡單、輕松地創(chuàng)建虛擬的三維空間。

對VRML的訪問是基于傳統(tǒng)C/S模式擴(kuò)展的B/S模式,B/S采用Internet上廣泛使用的Web瀏覽器作為客戶前端,操作界面友好、一致。B/S的最大優(yōu)勢還在于其強(qiáng)大的跨平臺移植能力,能夠極大地降低異構(gòu)系統(tǒng)的開發(fā)難度。目前,VRML主流編程是基于Java、JavaScript,特別是Javaapplet小程序可以與VRML世界嵌在同一WEB頁上。EAI(ExternalAu2thoringInterface),是一種介于VRML世界與外部環(huán)境的創(chuàng)作接口。通過EAI為VRML與外部世界建立一個通信接口,可以使用戶通過這個接口真正成為VRML中的一個角色、一個參與者。EAI提供了一套針對VRML瀏覽器的Java類,通過這些類,外部環(huán)境可以訪問當(dāng)前所運行的VRML世界,還可以完成動態(tài)的添加、刪除和驅(qū)動仿真實體等功能。

2.培訓(xùn)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

該培訓(xùn)系統(tǒng)是以韓國大宇PUMA200、215軸數(shù)控車削中心為具體仿真實例開發(fā)的。如圖1所示為本文所述的虛擬數(shù)控車削中心加工仿真系統(tǒng)界面,其中客戶前端為Web瀏覽器,瀏覽器左側(cè)為提供功能模塊選擇的視圖區(qū),右側(cè)為對應(yīng)的場景區(qū)。

數(shù)控加工中心培訓(xùn)系統(tǒng)硬件設(shè)備由多媒體計算機(jī)、投影設(shè)備、USB通訊接口、音箱及電器小元件等構(gòu)成。計算機(jī)最低配置為PentiumⅢ550,內(nèi)存為128MB,10/100MB以太網(wǎng)卡,可以滿足動態(tài)三維圖形較大的資源消耗。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由操作仿真模塊、視覺仿真模塊、音響仿真模塊、運動仿真模塊組成,如圖2所示。其中視景仿真模塊是實現(xiàn)培訓(xùn)系統(tǒng)沉浸感的重要因素,操作仿真模塊是實現(xiàn)學(xué)員與虛擬數(shù)控機(jī)床之間交互作用的主要手段。

2.1操作仿真模塊

數(shù)控加工中心培訓(xùn)系統(tǒng)中控制面板的布置與實際的一樣,并與實際的面板有相近的動作范圍和相似的力感,如圖3所示,如轉(zhuǎn)動手輪時有真實的手感,按下按鈕、撥動開關(guān)有真實的力感,學(xué)員在看到加工過程中有異常情況可以按下急停鍵,并且可以保持狀態(tài)。操作過程中,有些鍵必須配合使用,如進(jìn)給倍率與手輪的配合、刀號與換刀按鈕的配合、主軸正反轉(zhuǎn)與主軸啟動的配合,這些配合鍵使用的設(shè)置,使操作更加接近實際操作情況。

2.2視景仿真模塊

視景仿真模塊利用計算機(jī)圖形圖像技術(shù)和3D技術(shù),生成數(shù)控機(jī)床的各個部件,如門、刀庫及刀具、夾具、坯料、油管、散熱孔等。為了使圖像處理實時且逼真,要選用高檔的顯卡、高性能的圖形加速卡等硬件條件的支持,更需要圖形技術(shù)和開發(fā)平臺的發(fā)展。視景仿真模塊采用計算機(jī)平臺和專用三維建模軟件的三維圖形開發(fā)技術(shù)。

2.3音響仿真模塊

音響仿真模塊利用計算機(jī)多媒體技術(shù),生成數(shù)控機(jī)床加工過程中的聲音信息,包括機(jī)床在加工工件中的聲音信息、刀具進(jìn)給的聲音信息、主軸正反轉(zhuǎn)的聲音信息、裝夾工件的聲音信息以及換刀的聲音信息。其中刀具進(jìn)給聲由進(jìn)給倍率決定,主軸轉(zhuǎn)動聲由主軸倍率決定。音響仿真系統(tǒng)采用支持多媒體保準(zhǔn)接口的聲卡取代專用的數(shù)字信號處理器,具有通用性好、易移植、易升級等優(yōu)點,并且大大降低了系統(tǒng)成本。

2.4運動仿真模塊運動仿真模塊通過模擬數(shù)控機(jī)床中的運動機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng),實現(xiàn)操作過程中逼真的感受,如刀具進(jìn)給時由于軌道不光滑產(chǎn)生的輕微晃動。運動仿真模塊是提高培訓(xùn)系統(tǒng)逼真度的有效手段。建立虛擬數(shù)控機(jī)床作業(yè)環(huán)境,可隨意移動、旋轉(zhuǎn)、縮放及變換視點,尤其是適用于三軸以上數(shù)控機(jī)床針對加工過程中過切及干涉的校驗。數(shù)控車削中心運動仿真模塊主要包括回參考點、刀具進(jìn)給、主軸啟動、卡盤松緊、選刀等。

3.仿真控制一體化平臺的技術(shù)實現(xiàn)

3.1技術(shù)實現(xiàn)方案

3.1.1靜態(tài)造型及機(jī)械動作的實現(xiàn)

首先對所研究的數(shù)控加工中心進(jìn)行建模、仿真,利用Autodesk公司推出的最新版的三維動畫與造型軟件3DSMAX610對數(shù)控加工中心進(jìn)行建模、靜態(tài)造型。造型結(jié)束后,根據(jù)部件運動時的狀況設(shè)計動畫。最后把3DSMAX文件轉(zhuǎn)換成VRML格式,分析各個運動部件,并進(jìn)行時間分配,調(diào)節(jié)VRML源代碼中各個部件運動時間周期使之符合實際情況──實現(xiàn)機(jī)械部分的靜態(tài)、動態(tài)造型。

3.1.2電器控制開發(fā)過程

根據(jù)數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)奶攸c,我們充分利用了USB技術(shù)的優(yōu)點。自主開發(fā)的USB高速多功能卡是基于USB210協(xié)議的,所以其速率可高達(dá)480Mbps,完全滿足高實時性的數(shù)據(jù)采集場合。實踐證明該方案取得了良好的效果。總體硬件框圖如圖4所示。

3.1.3CAI軟件測試與安裝

為了驗證CAI軟件的可行性,我們與山東濟(jì)南星科公司合作,完成CAI軟件在多臺個人計算機(jī)上的安裝,測試了軟件的穩(wěn)定性和時間響應(yīng)。經(jīng)過長時間的調(diào)試,系統(tǒng)的穩(wěn)定性是可靠的,時間響應(yīng)也在允許范圍之內(nèi)。多家職業(yè)學(xué)校使用該軟件進(jìn)行專業(yè)學(xué)員的培訓(xùn)工作,取得了良好的反響。

3.2開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)點

3.2.1材質(zhì)透明化處理

在VRML空間中幾何體的透明度是通過Material節(jié)點中transparency域的域值指定的,其值從完全不透明表面的0.0到完全透明表面的1.0。該域的缺省值為0,表明不透明。如圖5所示,材質(zhì)的透明效果使得學(xué)生可以一目了然地看明白數(shù)控機(jī)床加工工件的過程,增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

3.2.2視點變換處理在VRML2.0中所謂視點就是瀏覽者在空間中所處的某一特定的位置和朝向,在這個位置通過朝向,瀏覽者可以瀏覽到虛擬世界中相關(guān)的場景。用vrmlscript可以控制視點的變化,使瀏覽者可以從當(dāng)前視點快速切換到其它視點。在VRML中先用DEF定義Viewpoint節(jié)點,然后再定義Script,具體代碼如下:

DEFssScript

{//定義節(jié)點名

eventInSFBoolget_touch1

//Script節(jié)點輸入接口

eventOutSFBoolset_view1

//Script節(jié)點輸出接口

url"vrmlscript:functionget_touch1(){//

url提供節(jié)點和程序之間的聯(lián)系

set_view1=1;}"}

在該數(shù)控加工中心培訓(xùn)系統(tǒng)中,運用視點轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生的效果如圖6所示。圖6(a)可以觀看數(shù)控機(jī)床的整體,對數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生整體的印象;圖6(b)可以觀看加工工件的過程以及插補情況;圖6(c)展示了加工工件時的G代碼,可以了解NC代碼;圖6(d)可以觀看刀具回零點和換刀的情況。

3.2.3現(xiàn)場聲音的設(shè)定VRML場景中可以添加聲音,與靜態(tài)網(wǎng)頁上的聲音相比,VRML場景所播放的聲音不是簡單的2D聲音,而是有自己的聲源,以及模擬現(xiàn)實中的聲音傳播路徑的3D聲音,它會給人和現(xiàn)實中一樣的聽覺感應(yīng)。VRML所支持的聲音文件有WAV、MIDI和MPEG-1文件,AudioClip只支持前兩種文件格式。利用AudioClip節(jié)點引入一個外部聲音文件,并規(guī)定這個聲音文件的播放參數(shù),必須作為Sound節(jié)點的source域的域值來使用,Sound節(jié)點中的域值都可通過Javaapplet來重新設(shè)定。Sound節(jié)點格式如下:

Sound{

sourceDEFFeedSoundAudioClip

{//引入一個外部聲音文件節(jié)點

url"FeedSound1wav"

//指定聲音文件的URL地址

description"FeedSound"http://

指定一組描述所引用聲音文件的文本

loopFALSE

//是否循環(huán)播放

tartTime1

//所引用聲音文件開始播放的絕對時間

pitch1//

加快或減慢播放速度

intensity1//聲音強(qiáng)度

location000//指定聲源位置

direction001//指定是否聲音立體化

minBack1//空間聲源的最小后點

minFront1//空間聲源的最小前點

maxBack1000000//空間聲源的最大后點

maxFront1000000//空間聲源的最大前點

首先用MP3錄制數(shù)控機(jī)床各種動作時的現(xiàn)場聲音,然后進(jìn)行聲音剪裁、分段。通過相應(yīng)的聲音節(jié)點在VRML世界需要的場合添加合適的聲音,使整個VRML世界更加具有真實感,更加生動逼真、栩栩如生。

3.2.4文件的優(yōu)化措施

(1)在不影響視覺效果的前提下,簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)。

(2)對于復(fù)雜模型用模型優(yōu)化器(optimizer或wingz或Gzip)進(jìn)行優(yōu)化。

(3)對于反復(fù)使用的部件,可先對其命名(DEF),然后再重復(fù)使用(USE)。

(4)必要時使用帖圖。

4.結(jié)論

本文介紹了數(shù)控加工中心培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā),對于軟件的結(jié)構(gòu)體系、實現(xiàn)機(jī)理、關(guān)鍵技術(shù)作了詳細(xì)的說明。該系統(tǒng)與使用錄像和實物的傳統(tǒng)培訓(xùn)系統(tǒng)相比,具有系統(tǒng)造價低、訓(xùn)練費用少、訓(xùn)練周期短、訓(xùn)練效果顯著等特點,對我國數(shù)控人才的培養(yǎng)起到了重要的推動作用。

通過該系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和反復(fù)操作,有利于啟發(fā)學(xué)生的思維、培養(yǎng)學(xué)生邏輯判斷能力和創(chuàng)造力,同時能夠提高教師教學(xué)質(zhì)量。該系統(tǒng)軟件開發(fā)出來后,已被應(yīng)用于山東部分職業(yè)學(xué)校、企業(yè)等單位,并得到了不少專家、教師和學(xué)生的好評。