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一、虚拟现实技术与应用
虚拟现实技术是20世纪80年代末90年代初崛起的一种实用技术。它是由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的三维信息人工环境——虚拟环境,可以真实地模拟现实世界可以实现的(甚至是不可实现的)物理上、功能上的事物和环境。用户投入到这种环境中,有“亲临其境”的感觉,并可亲自操作、实践,与虚拟环境交互作用。虚拟现实技术建立在三维计算机图形学技术、多功能传感及交互接口技术、高清晰度显示技术等一系列新技术的基础上。虚拟现实系统主要由计算机、显示设备、位置跟踪设备及其他交互设备等硬件及相关软件构成。虚拟现实技术已在产品和建筑设计、产品(如汽车)寿命及安全试验、电影拍摄、娱乐休闲、体育健身、教育培训、军事演习、医疗诊断等诸多领域得到广泛应用,是21世纪的一种新型技术。
虚拟现实技术在机械方面也得到了广泛应用。在数控加工仿真方面,国内外的研究过程大体相似,经历了从二维图形仿真、线框模型仿真到三维实体模型仿真的阶段。虚拟数控机床可以模拟出数控机床的操作步骤以及原理。利用虚拟现实软件建立出一个虚拟的数控机床模型,根据其工作原理以及工作流程做成虚拟动画,并嵌入视频、图片、文字、解说词等各种多媒体手段,制成一个完整的数控机床教学软件。与动画不同的是,利用虚拟现实技术不仅可以让学习者能看到数控机床操作的画面,而且能够深入其中进行各种交互操作。学习者不仅是教学画面的被动接受者,也是画面的控制者,大大提高了学习者的参与性和互动性,让教与学乐在其中。虚拟现实技术能够使教师、学习者从任意角度实时看到设备操作效果,更好地掌握设备的操作流程和规律。这是传统文字、流程图、效果图、录像乃至动画等教学手段所不能达到的。通过使用虚拟数控机床进行互动操作,学习者可以更好地学习数控机床的原理和操作流程。并在电脑里模拟完成机床的所有操作,利用虚拟互动技术完成数控机床的所有功能。这样不需要购置昂贵的机床设备,也不受场地和空间限制,只要足够的电脑设备即可。一个软件就可以提供给很多学习者参与学习和培训机会,从而大大提高了学习效率,节约了培训成本。
Lj-10MC虚拟机床是利用数控技术和虚拟现实技术相结合完成的一种虚拟操作机床。LJ-10MC虚拟机床仿真软件主要利用CATIA、3dmax、Virtools等软件对实际存在的物体进行虚拟。虚拟现实技术应用于数控车铣中心的培训系统中,可以通过计算机产生数控车铣中心被加工工件的虚拟造型,加入音响效果和运动仿真,并配有控制面板, 学员根据虚拟环境提供的视觉、听觉、触觉感受, 可以感受到与操作实际的数控车铣中心一样的状态。与传统的数控车铣中心培训相比, 此系统极大地提高了系统的主动性、交互性和沉浸感等性能, 给学员逼真的感受, 改善了数控加工培训的教学效果, 并且大大降低了开发成本,避免由于操作不当造成的危险,大大提高了实际操作的精确性,减少事故的发生。
Lj-10MC虚拟机床有许多部分组成,其中床身部分的设计主要就是为了完成以下动作:机床防护门的打开与关闭、卡盘的夹紧与松开、主轴的旋转与停转、尾座的移动、对刀时对刀仪的落下。
要完成以上动作的虚拟首先要用CATIA软件对机床床身各部分进行三维建模,然后再利用3dmax软件对建好的三维模型进行优化,贴材质、渲染、烘焙等操作。最后将模型倒入virtools软件中对其进行脚本的编制以完成机床各个动作的正确运作,利用Virtools的VR Pack模块,完成多种虚拟实境硬件整合。配合三维立体显示系统,实现近乎真实的虚拟现实机床的运作。
二、各部件尺寸的测绘
数控车铣中心(Lj-10MC)机床床身主要由以下几部分组成:机床防护门、卡盘(包括卡爪)、刀架、导轨、尾座、对刀仪。
最开始要做的工作是对实际机床床身的各部件进行测量,得出准确的尺寸数据。根据测得的数据绘制草图,尾座草图如上图所示。
三、CATIA软件中的建模
对各个部件进行建模是设计的关键步骤。要在虚拟现实环境中进行基于实景的建模要考虑的问题包含三个方面:逼真性、实时性、可控性。建模主要取决于图形处理的软硬件体系结构,特别是硬件加速器的图形处理能力以及图形生成所采用的各种加速技术。根据虚拟场景的复杂程度和真实感程度,灵活选择建模技术,是目前建模研究的主要内容。基于上述因素采用CATIA软件对实体进行三维建模,因为CATIA软件具有强大的三维建模功能,可以满足任何三维造型设计的要求。
在创建三维模型时,CATIA软件的一般做法是先在草绘模式下根据实际测得的床身各部件尺寸严格的绘制二维平面图,然后由二维平面图生成三维实体或曲面图。
四、机床模型的组装
各零部件模型建立完毕后,要对其逐一进行组装最终完成机床的模型。在进行组件装配管理时,CATIA的基本结构能够使用户利用一些直观的命令,例如:【相合】、【联系】、【偏移】、【角度】等命令很容易地把零件装配起来,同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理,这些装配体中零件的数量不受限制。
五、后期工作
1.渲染
在将建好的模型导入到Virtools之前,要对场景里的各个模型进行优化和美化,即给模型赋予材质和贴图,也就是营造真实的三维场景。用实际物体的材质和贴图,赋予建立好的三维模型,整个过程就是三维场景的渲染,结果是在3d max中用渲染技术模拟出一接近真实的三维场景。
2.烘焙
渲染之后还要对模型进行烘焙,主要是为了减少计算机资源的占有量。烘焙技术也叫Render To Textures,简单来说就是一种把max光照信息渲染成贴图的方式,然后把烘焙后的贴图再贴回到场景中去。这样就使光照信息变成了贴图,不需要CPU再费时计算了,所以速度极快。由于在烘焙前需要对场景进行渲染,所以贴图烘焙技术对于静帧来讲意义不大。这种技术主要应用于游戏和建筑漫游动画里面,这种技术实现了把费时的光能传递计算应用到动画中去的实用性,也能省去光能传递时动画抖动的麻烦。
3.VIRTOOLS软件中实现互动效果
在场景烘焙完以后,并将贴图一一修改好,接下来利用虚拟现实软件Virtools,根据机床的实际运转方式通过脚本的编辑实现各部分动作。
Virtools通过直觉式图形开发介面,开发人员只需要拖曳所需要的行为模组就可以建构出复杂的互动应用程序。可以同时满足无程序背景的设计人员以及高阶程序设计师的需要,再复杂互动应用程序也可以用最简单的方式完成。Virtools可以让3D美术设计与程序人员进行良好的分工与合作,有效缩短专案或产品的开发时间。由于内建超过450组的行为模组,更可以让使用者快速设计出多样的3D数位内容。
(作者单位:山东省莱芜市高级技工学校)
虚拟现实技术是20世纪80年代末90年代初崛起的一种实用技术。它是由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的三维信息人工环境——虚拟环境,可以真实地模拟现实世界可以实现的(甚至是不可实现的)物理上、功能上的事物和环境。用户投入到这种环境中,有“亲临其境”的感觉,并可亲自操作、实践,与虚拟环境交互作用。虚拟现实技术建立在三维计算机图形学技术、多功能传感及交互接口技术、高清晰度显示技术等一系列新技术的基础上。虚拟现实系统主要由计算机、显示设备、位置跟踪设备及其他交互设备等硬件及相关软件构成。虚拟现实技术已在产品和建筑设计、产品(如汽车)寿命及安全试验、电影拍摄、娱乐休闲、体育健身、教育培训、军事演习、医疗诊断等诸多领域得到广泛应用,是21世纪的一种新型技术。
虚拟现实技术在机械方面也得到了广泛应用。在数控加工仿真方面,国内外的研究过程大体相似,经历了从二维图形仿真、线框模型仿真到三维实体模型仿真的阶段。虚拟数控机床可以模拟出数控机床的操作步骤以及原理。利用虚拟现实软件建立出一个虚拟的数控机床模型,根据其工作原理以及工作流程做成虚拟动画,并嵌入视频、图片、文字、解说词等各种多媒体手段,制成一个完整的数控机床教学软件。与动画不同的是,利用虚拟现实技术不仅可以让学习者能看到数控机床操作的画面,而且能够深入其中进行各种交互操作。学习者不仅是教学画面的被动接受者,也是画面的控制者,大大提高了学习者的参与性和互动性,让教与学乐在其中。虚拟现实技术能够使教师、学习者从任意角度实时看到设备操作效果,更好地掌握设备的操作流程和规律。这是传统文字、流程图、效果图、录像乃至动画等教学手段所不能达到的。通过使用虚拟数控机床进行互动操作,学习者可以更好地学习数控机床的原理和操作流程。并在电脑里模拟完成机床的所有操作,利用虚拟互动技术完成数控机床的所有功能。这样不需要购置昂贵的机床设备,也不受场地和空间限制,只要足够的电脑设备即可。一个软件就可以提供给很多学习者参与学习和培训机会,从而大大提高了学习效率,节约了培训成本。
Lj-10MC虚拟机床是利用数控技术和虚拟现实技术相结合完成的一种虚拟操作机床。LJ-10MC虚拟机床仿真软件主要利用CATIA、3dmax、Virtools等软件对实际存在的物体进行虚拟。虚拟现实技术应用于数控车铣中心的培训系统中,可以通过计算机产生数控车铣中心被加工工件的虚拟造型,加入音响效果和运动仿真,并配有控制面板, 学员根据虚拟环境提供的视觉、听觉、触觉感受, 可以感受到与操作实际的数控车铣中心一样的状态。与传统的数控车铣中心培训相比, 此系统极大地提高了系统的主动性、交互性和沉浸感等性能, 给学员逼真的感受, 改善了数控加工培训的教学效果, 并且大大降低了开发成本,避免由于操作不当造成的危险,大大提高了实际操作的精确性,减少事故的发生。
Lj-10MC虚拟机床有许多部分组成,其中床身部分的设计主要就是为了完成以下动作:机床防护门的打开与关闭、卡盘的夹紧与松开、主轴的旋转与停转、尾座的移动、对刀时对刀仪的落下。
要完成以上动作的虚拟首先要用CATIA软件对机床床身各部分进行三维建模,然后再利用3dmax软件对建好的三维模型进行优化,贴材质、渲染、烘焙等操作。最后将模型倒入virtools软件中对其进行脚本的编制以完成机床各个动作的正确运作,利用Virtools的VR Pack模块,完成多种虚拟实境硬件整合。配合三维立体显示系统,实现近乎真实的虚拟现实机床的运作。
二、各部件尺寸的测绘
数控车铣中心(Lj-10MC)机床床身主要由以下几部分组成:机床防护门、卡盘(包括卡爪)、刀架、导轨、尾座、对刀仪。
最开始要做的工作是对实际机床床身的各部件进行测量,得出准确的尺寸数据。根据测得的数据绘制草图,尾座草图如上图所示。
三、CATIA软件中的建模
对各个部件进行建模是设计的关键步骤。要在虚拟现实环境中进行基于实景的建模要考虑的问题包含三个方面:逼真性、实时性、可控性。建模主要取决于图形处理的软硬件体系结构,特别是硬件加速器的图形处理能力以及图形生成所采用的各种加速技术。根据虚拟场景的复杂程度和真实感程度,灵活选择建模技术,是目前建模研究的主要内容。基于上述因素采用CATIA软件对实体进行三维建模,因为CATIA软件具有强大的三维建模功能,可以满足任何三维造型设计的要求。
在创建三维模型时,CATIA软件的一般做法是先在草绘模式下根据实际测得的床身各部件尺寸严格的绘制二维平面图,然后由二维平面图生成三维实体或曲面图。
四、机床模型的组装
各零部件模型建立完毕后,要对其逐一进行组装最终完成机床的模型。在进行组件装配管理时,CATIA的基本结构能够使用户利用一些直观的命令,例如:【相合】、【联系】、【偏移】、【角度】等命令很容易地把零件装配起来,同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理,这些装配体中零件的数量不受限制。
五、后期工作
1.渲染
在将建好的模型导入到Virtools之前,要对场景里的各个模型进行优化和美化,即给模型赋予材质和贴图,也就是营造真实的三维场景。用实际物体的材质和贴图,赋予建立好的三维模型,整个过程就是三维场景的渲染,结果是在3d max中用渲染技术模拟出一接近真实的三维场景。
2.烘焙
渲染之后还要对模型进行烘焙,主要是为了减少计算机资源的占有量。烘焙技术也叫Render To Textures,简单来说就是一种把max光照信息渲染成贴图的方式,然后把烘焙后的贴图再贴回到场景中去。这样就使光照信息变成了贴图,不需要CPU再费时计算了,所以速度极快。由于在烘焙前需要对场景进行渲染,所以贴图烘焙技术对于静帧来讲意义不大。这种技术主要应用于游戏和建筑漫游动画里面,这种技术实现了把费时的光能传递计算应用到动画中去的实用性,也能省去光能传递时动画抖动的麻烦。
3.VIRTOOLS软件中实现互动效果
在场景烘焙完以后,并将贴图一一修改好,接下来利用虚拟现实软件Virtools,根据机床的实际运转方式通过脚本的编辑实现各部分动作。
Virtools通过直觉式图形开发介面,开发人员只需要拖曳所需要的行为模组就可以建构出复杂的互动应用程序。可以同时满足无程序背景的设计人员以及高阶程序设计师的需要,再复杂互动应用程序也可以用最简单的方式完成。Virtools可以让3D美术设计与程序人员进行良好的分工与合作,有效缩短专案或产品的开发时间。由于内建超过450组的行为模组,更可以让使用者快速设计出多样的3D数位内容。
(作者单位:山东省莱芜市高级技工学校)