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�、解釋�?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)強大的仿真系統(tǒng)提供了便利。
VRML (Virtual Reality Modeling Language, 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、 JavaScrip t, 特別是Java app let 小程序可以與VRML世界嵌在同一WEB 頁上。EA I ( External Au2thoring Interface) , 是一種介于VRML 世界與外部環(huán)境的創(chuàng)作接口。通過EA I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。EA I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)。
圖1 虛擬數(shù)控車削中心加工仿真系統(tǒng)界面
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Pentium Ⅲ 550, 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。
圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
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)。
圖3 數(shù)控機(jī)床操作仿真面板
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
圖4 總體硬件框圖
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USB 210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。
3.1.3 CA I軟件測試與安裝
為了驗證CA I軟件的可行性, 我們與山東濟(jì)南星科公司合作, 完成CA I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, 增強了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。
圖5 透明化處理效果
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vrmlscrip t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Scrip t, 具體代碼如下:
DEF ss Scrip t
{ / /定義節(jié)點名
eventIn SFBool get_touch1
/ /Scrip t節(jié)點輸入接口
eventOut SFBool set_view1
/ /Scrip t節(jié)點輸出接口
url " vrmlscrip t: function get_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。
圖6 視景的變換圖
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、MID I 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Java app let來重新設(shè)定。Sound節(jié)點格式如下:
Sound {
source DEF FeedSound AudioClip
{ / /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
descrip tion " FeedSound"/ /
指定一組描述所引用聲音文件的文本
loop FALSE
/ /是否循環(huán)播放
tartTime 1
/ /所引用聲音文件開始播放的絕對時間
p itch 1/ /
加快或減慢播放速度
intensity 1 / /聲音強度
location 0 0 0 / /指定聲源位置
direction 0 0 1 / /指定是否聲音立體化
minBack 1 / /空間聲源的最小后點
minFront 1 / /空間聲源的最小前點
maxBack 1000000 / /空間聲源的最大后點
maxFront 1000000 / /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( op timizer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。
