莊建軍, 張博凱, 劉 喆

(1.南京信息工程大學 電子與信息工程學院, 南京 210044; 2.南京信息工程大學 工程訓練中心, 南京 210044)

機械加工是智能制造中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。為了更好地掌握該領域的技能和知識,進入車間實訓室進行機械加工操作的學習過程是不可或缺的。目前高校學習機加工技術的主要途徑還是課堂理論知識與車間實訓室實習相結合的方式?，F(xiàn)實機加工車間對學生而言較為陌生,學習過程中意外事故時有發(fā)生。加工過程中,學生缺乏理論知識,對繁多的操作步驟缺乏理解,而有限的教師和實驗室設備資源也難以滿足大量學生的學習需要。目前國內多數高校的理工類課程都開設了機械加工實訓課程[1],實驗設備作為實驗室中的固定設備,缺乏擴展性和更新的可能,會隨著課程進步與實際應用脫節(jié)。學校通常只能配置有限數量的車床,距離滿足實際需求仍然具有一定差距[2]。

隨著虛擬現(xiàn)實(virtual reality,VR)技術的發(fā)展和硬件設備的提升,各行各業(yè)對VR技術的需求日益旺盛,VR技術也取得了巨大進步,傳統(tǒng)的線下教學活動已經無法滿足高校師生專業(yè)學習的需求。為了突破現(xiàn)實硬件瓶頸限制,一些高校將虛擬仿真技術引入教學及實驗。VR技術在機械加工實訓教學領域中應用眾多。尚振國等[3]研究了組合夾具設計“虛實結合”實驗平臺的開發(fā),研發(fā)了一套標準化、可擴展的機械元件庫;蔡寶等[4]研究了虛擬現(xiàn)實技術在銑削加工實訓教學中的應用。VR技術在實驗教學等領域有著巨大的潛力,能使教學、實驗過程更加形象化[5],在提高學生的專注度及教學效率的同時,也可助力“新工科”“工程教育專業(yè)認證”等相關教育模式的研究與發(fā)展。

目前,高校教學方式發(fā)生了從線下到線上的重大轉換,為深化教育教學與信息技術深度融合、持續(xù)推進線上線下混合式教學改革與學習革命提供了重大機遇。新冠肺炎疫情的爆發(fā)讓線下實訓難以進行,一些需要和工廠企業(yè)合作的培訓項目更是受到防控的阻礙[6]?；谔摂M現(xiàn)實平臺的機加工實訓系統(tǒng)為機械加工教學提供了新手段。該系統(tǒng)針對VR技術在機械加工領域的應用,選取其中一部分進行詳細功能設計和開發(fā)介紹,將實訓過程搬到虛擬空間中,細化理論知識,精講操作環(huán)節(jié),將機械加工知識有邏輯性地呈現(xiàn)在學習者面前。將基于VR技術的仿真實訓系統(tǒng)引入到教學中可以讓學生自己動手在虛擬空間中反復操作,豐富實驗教學過程,促進理論知識理解,激發(fā)學生學習興趣,提高實際操作效率,降低事故發(fā)生概率。

1 機加工虛擬仿真實訓系統(tǒng)設計

機加工虛擬仿真實訓系統(tǒng)針對普車加工,依托 Solidworks 和 3Ds Max 建模軟件完成車間地形環(huán)境和虛擬機床的建模,利用3Ds Max將實體模型轉換為三角面模型降低數據處理量,完成模型優(yōu)化;利用 Unity 3D 引擎和 C# 腳本語言構建多級交互系統(tǒng)。其開發(fā)過程以實際需求為導向,融合實際加工實驗過程中多個學習操作環(huán)節(jié),設計了場景漫游、設備認知、理論知識和操作模擬4大模塊單元(圖1),讓用戶在逼真的虛擬環(huán)境中沉浸式熟悉實訓環(huán)境,認識加工設備,理解加工原理,學習理論知識,熟悉加工步驟。4大模塊設計概念如下。

圖1 實訓系統(tǒng)方案

場景漫游模塊:場景漫游模塊設計了逼真的三維場景,模擬了現(xiàn)實中機械加工車間的布局,系統(tǒng)將用戶傳送到固定的起始漫游點,用戶可通過鍵鼠操作控制漫游觀察三維場景。

設備認知模塊:為了使用戶對車床設備有整體認知,設備認知模塊設計了各零部件實物認知和各零部件功能介紹兩大模塊,用戶即使沒有接觸過真實車床設備也可以迅速建立對車床的了解。

理論知識模塊:為了考核新手在上手操作前對機加工理論知識的了解,系統(tǒng)設計了理論學習考核模塊,搭建了答題系統(tǒng)界面,界面讀取預存的題庫供用戶思考學習,完成后系統(tǒng)自動考核打分供教師評估學生的學習成果。

操作模擬模塊:操作訓練模塊中針對機加工車間中常見的加工操作設計了演示和實操流程,用戶可根據場景界面提示的步驟操作機床,依次對機械元件進行加工,鍛煉使用者的操作能力。系統(tǒng)將現(xiàn)實實訓室虛擬化,擺脫現(xiàn)實儀器設備的限制。用戶僅需維護軟件系統(tǒng),無須架設機械加工設備。虛擬化的實驗環(huán)境具有可試錯、高用戶量上限、教師實時測評方便、低維護成本的特點。

相較于現(xiàn)有的虛擬實訓軟件,本文中所設計的系統(tǒng)旨在模擬機械加工的車工學習全流程。其中,學習流程的全流程設計和新穎的答題考核方式增加了系統(tǒng)的學習流程完整性和可玩性。操作模擬模塊的設計實現(xiàn)了機床實操的虛擬化,即使沒有真實的機械加工設備,用戶也能在虛擬實驗環(huán)境中進行實操訓練,從而擺脫了現(xiàn)實儀器設備的限制,充分發(fā)揮虛擬實訓的優(yōu)勢。

2 實訓系統(tǒng)技術實現(xiàn)

2.1 整體實現(xiàn)邏輯

機加工虛擬仿真實訓系統(tǒng)根據現(xiàn)實中車間的比例制作地形環(huán)境和機加工車床模型,借助Solidworks和3Ds Max三維建模軟件搭建模擬機床模型和虛擬車間地形的布局,創(chuàng)建虛擬元件資產庫。三維模型的準備包含幾何形狀建模、貼圖建模、運動邏輯建模[3]。三維模型制作的流程主要包括以下幾部分:收集整理模型所需資料、三維建模、模型優(yōu)化、材質貼圖、渲染烘焙、輸出文件[7]。幾何形狀建模依托Solidworks軟件搭建車間車床設備的基本幾何形狀白模,建模過程中考慮區(qū)分靜止部件和運動部件,方便后續(xù)編輯部件的運動邏輯。為了讓用戶體驗更加真實的操作設備,貼圖建模使用Photoshop設計制作了符合實際效果的三維模型貼圖和交互界面樣式,經過校正處理后作為幾何模型的貼圖素材[8]。將制作好的模型和界面導入Unity 3D環(huán)境中進行運動建模,在Visual Studio中使用C#語言編寫邏輯交互功能,通過部件的旋轉和平移模擬機械加工的切削過程。系統(tǒng)搭建的技術實現(xiàn)邏輯如圖2所示。

圖2 實訓系統(tǒng)設計的技術實現(xiàn)邏輯

2.2 環(huán)境和設備建模

Unity3D支持導入多種格式的模型和貼圖,將在Solidworks和3Ds Max中搭建的車床模型等數字資產導入Unity 3D中[9],賦予材質貼圖并設計相應操作交互即可搭建逼真的虛擬實訓場景。由于 Solidworks 建立的模型為實體模型,直接導入 Unity 3D中會產生較大計算量降低系統(tǒng)演示性能,因此輸出STL格式并導入3Ds Max中,運行軟件的面優(yōu)化命令,添加面平滑命令將實體模型轉換為三角面模型,減少模型之間重疊或相交的多余面[10],降低 Unity 平臺的數據處理量,完成模型優(yōu)化[11]。

2.3 UI交互設計

本系統(tǒng)注重體現(xiàn)三維沉浸感的交互,最主要的方式是通過射線與碰撞實現(xiàn)用戶可以通過在三維空間中沿著一條無限長的射線進行選取和操作,響應碰撞事件來完成相應的交互。射線軌跡一旦與添加了碰撞器的物體發(fā)生碰撞,軟件會記錄碰撞,執(zhí)行操作(圖3)。系統(tǒng)中的射線可以實現(xiàn)如點擊懸浮在半空的用戶界面(UI)以及虛擬按鍵等目標選擇操作[12]。為了模擬學生在機加工學習中的多個關鍵環(huán)節(jié),針對設備認知、理論知識和實際操作展開教學,場景中設計了手部菜單,方便用戶導航至不同功能場景操作學習。手部面板利用Unity中的 UI 面板進行制作,利用Canvas組件搭建菜單面板,面板上各按鈕用Button 組件控制[13]。在實際操作過程中,通過不斷按下鼠標中鍵可對手部菜單進行顯示/隱藏切換,避免遮擋視線中進行的操作。系統(tǒng)按照用戶學習的邏輯層級設計了兩級漸進式菜單,用戶可以逐步點擊按鈕到達自己需要了解學習的部件信息。菜單以列表形式展示,有邏輯性,讓整個系統(tǒng)清晰易懂。交互界面友好,使學習者能夠直觀地操作和使用系統(tǒng)(圖4)。場景中添加了背景音樂,輕松舒緩,使用戶在輕松愉快的氛圍里完成操作與學習。

圖3 碰撞檢測邏輯

圖4 手部菜單和設備認知模塊展示

界面設計遵循置界面于用戶控制之下、減少用戶的記憶負擔、保持界面一致性等原則[14]。設備認知模塊中設計了兩層級的菜單按鈕,可使用手柄上的指針與菜單按鈕進行交互,點擊不同部件的按鈕彈出對應部位文字介紹,同時對指定部分進行藍色外發(fā)光提示。通過手部菜單的多層級操作,用戶可以了解車床的各個組成部分,通過各部分的介紹文字學習使用車床的規(guī)范操作。為了更好地展示文字效果,采用outline外發(fā)光處理各按鈕,上下偏移和左右偏移根據實際效果設置。顏色透明通道選擇合適的透明度,這樣可以讓文字顯得更有質感。對于“主輪箱”“交換齒輪箱”“三爪卡盤”“刀架”“進給箱”“絲杠”“光杠”“操作杠”8個不同的部件按鈕添加不同的按鈕監(jiān)聽,以便實現(xiàn)點擊不同按鈕時出現(xiàn)監(jiān)聽內容,包括外發(fā)光、按鈕文字提示以及介紹文字。

由于車床不同部位案例數量較多,設計中如何將它們方便、高效地展示是一個關鍵問題。因為每個按鈕都對應一個部位、一個介紹銘牌和一個介紹面板。所以統(tǒng)一格式劃分為一個類,命名為Buttons。外部分別將按鈕以及對應部件,對應介紹面板拖入buttons列表內,方便直接調用。外發(fā)光以及部位介紹面板顯示隱藏。

2.4 理論知識模塊和操作模擬模塊實現(xiàn)

為方便教師考核學生對理論知識的掌握情況,系統(tǒng)設計了理論知識考核模塊。將預編寫的題庫寫入Excel文檔,再通過FileStream函數對Excel里的數據按照規(guī)定的格式進行讀取并調用。

記分系統(tǒng)針對答題對錯進行得分統(tǒng)計,得出用戶成績通過點擊手部菜單上的“理論知識”按鈕,可直接瞬移到答題指定位置。手柄上的指針與UI進行交互,選擇選項點擊確定即可完成答題。模塊根據每題得分累加,滿分為100分(圖5)。

圖5 理論知識模塊界面

2.5 操作模擬模塊實現(xiàn)

針對機床操作模擬,系統(tǒng)設計了用戶可定義的多個自由度,包含轉速控制、車刀架橫向運動、車刀架縱向運動等。Transform類是Unity中最為常用的應用程序接口(API)之一,它被用于描述和控制物體的位置、旋轉、縮放屬性。通過使用Transform類,可以輕松地在三維世界中定位和操縱游戲對象[15]。部件操作動畫是根據用戶操作,調用相應的Transform組件,控制車床各組成零部件的移動來實現(xiàn)的[16]。通過Unity3D的iTween函數靈活控制虛擬車床零部件的移動和旋轉,腳本繼承VRTK_InteractableObject組件以進行物體交互。系統(tǒng)在車床上方設計了懸浮的轉速控制滑塊,靈活控制卡盤轉軸的轉速并每隔0.5 s抓取顯示(圖6)。車刀包含橫向、縱向運動等多個操作自由度,用戶觸發(fā)相應的進給運動按鈕后,將手輪旋轉到正確的位置,此時絲杠或光杠開始旋轉,并帶動溜板箱里的傳動機構,從而實現(xiàn)刀架的縱向或橫向平移運動[17]。在虛擬操作中,如果模型互相穿透重疊也就是產生“穿?！爆F(xiàn)象將會大大影響模擬效果。為了使三維物體接觸碰撞后不重疊,需要對組件中的 Constraints 屬性進行設置,為物體添加剛體組件[18]。系統(tǒng)設計中強調安全生產,用戶需抓取并戴上安全帽及手套才可繼續(xù)后續(xù)操作。

圖6 車刀座運動及轉速顯示

切削算法是實現(xiàn)機械切削效果的核心,在計算機圖形學、數值模擬中有很多常用的算法。切削過程基于對運動過程的積分解析,常見的積分算法包括歐拉前向法、歐拉后向法、Verlet積分等。各種積分算法各自有不同的特點和應用場景。各種積分算法的基本邏輯是:確定時間步長dt,然后根據這一刻的初始值計算延時dt的速度量和位移量,執(zhí)行切削操作。在模擬車刀切削過程中,各種數值積分算法有各自的優(yōu)缺點。

具體仿真中,歐拉前向模擬物體運動效果的精度有限。因此,在使用歐拉前向法進行切削模擬時,需要根據具體需求進行調整,縮短仿真的時間步長或者加入更多的物理模型來優(yōu)化模擬效果。歐拉前向法簡單易懂,易于實現(xiàn),但它的穩(wěn)定性不夠,并且誤差會隨著時間步長的增加而增大,不夠精確,容易出現(xiàn)震蕩。因此,為了保證仿真加工過程的精度,仿真使用Verlet積分法。Verlet積分算法具有很好的保真度和穩(wěn)定性,而且計算精度比歐拉法高,不易出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。系統(tǒng)場景中,游戲物體由一系列的多邊形頂點組成。運動和加工過程中這些頂點的位置可以通過Verlet積分進行更新。在每個時間步長內,計算車刀和工件的運動和受力情況,并使用Verlet積分來更新頂點的位置。

根據速度和加速度計算物體的位置,并且使用平均速度來推導位置,然后用新位置重新計算加速度,模擬物體在給定時間步長內的運動,由此更新物體的狀態(tài)。根據牛頓第二定律,可以計算出物體在每個時間步長內的加速度,然后使用以下公式來更新其位置和速度:

p(t+dt)=2p(t)-p(t-dt)+a(t)dt2

(1)

式中:p(t)為物體在時間t時的位置;a(t)為粒子在當前時間點受到的加速度(通常由牛頓第二定律計算得出);dt為時間步長。Verlet積分算法的優(yōu)點是它是無條件穩(wěn)定的,而且在處理非線性問題時具有很好的保真度。Verlet積分算法基于基本的牛頓運動定律,即力等于質量乘以加速度。由于它只依賴上一時刻的位置和加速度信息,因此在實現(xiàn)時并不需要存儲過多的歷史數據。

車床的運動方向包含橫向、縱向運動維度。車床的車刀架是進行切削的主要部件之一,它的運動方式決定了車削加工的效率和精度。車刀架主要有以下運動方式。

前后橫移:車刀架左右橫移是指車刀架沿著床身橫向移動,用于調整車刀與工件的距離和定位位置。車刀架前后橫移可以通過手動操作或自動控制來實現(xiàn),自動控制可以提高生產效率和加工精度。

垂直升降:車刀架垂直升降是指車刀架沿著床身豎直方向上下移動,用于調整車刀與工件的接觸壓力和切削深度。車刀架垂直升降可以通過手動操作或自動控制來實現(xiàn),自動控制可以根據加工工藝和工件形狀實時調整升降速度和位置,提高加工精度和表面質量。

多種運動方式的組合和協(xié)調,可以實現(xiàn)各種不同的車削加工操作,如粗車、精車、車削圓柱面、車削錐面、車削螺紋、退刀等。

車刀架運動腳本實現(xiàn)了車床操作的啟動、前移、切削、退刀等功能。在進入前移狀態(tài)后,程序會先將前移操作的互動框高亮顯示,然后給互動框綁定 clickRotate2.action 委托,在進行前移操作后會使互動框高亮取消,進入切削狀態(tài)。

在進入切削狀態(tài)后,程序會將切削操作的互動框高亮,并給互動框綁定 clickRotate.action 委托,在進行切削操作后會使互動框高亮取消,進入退刀狀態(tài)。

為模擬車刀架運動物理交互,腳本需繼承VRTK_InteractableObject。

2.6 切削過程仿真實現(xiàn)與優(yōu)化

針對車刀切削過程,本模塊采用Verlet積分方法模擬其物理過程。算法使用了協(xié)程和動態(tài)時間步長(Time.deltaTime)來優(yōu)化性能并保證切削過程在不同設備上具有一致的表現(xiàn)。

協(xié)程:協(xié)程是一種編程結構,允許腳本在多幀之間分配計算任務,從而提高性能。在Unity中,協(xié)程是通過IEnumerator接口實現(xiàn)的,可以在執(zhí)行過程中暫停和恢復。在本腳本中,使用協(xié)程來執(zhí)行切削操作,每次迭代都執(zhí)行一次碰撞檢測和切削形狀更新。

動態(tài)時間步長:由于模擬切削過程需要一定的運算量,若設置固定的時間步長(如0.01 s),系統(tǒng)運行過程中硬件配置和計算量會影響游戲過程的幀率,固定的時間步長無法與實際幀率相匹配,因此需要根據實際幀率動態(tài)調整時間步長。為此,算法使用Time.deltaTime作為時間步長,它表示上一幀到當前幀所用的時間。Time.deltaTime表示上一幀到當前幀所用的時間,可以用作動態(tài)時間步長。這可以確保在不同設備上具有一致的表現(xiàn)。在本腳本中,使用Time.deltaTime來計算刀具的新位置。

Verlet積分算法是一種常用的數值積分算法,由于速度量基于隱式推導,速度和位置的同步性較高。車刀切削腳本實現(xiàn)了一個基于Verlet積分算法的車床運動切削算法,并增加了碰撞檢測和切削形狀更新。在Start()方法中,首先獲取待加工物體的MeshFilter組件,并獲取其網格數據。初始化位置和加速度數組,其中oldPositions初始化為網格頂點數組,currentPositions和accelerations與其大小相同。開始模擬,通過啟動協(xié)程SimulationCoroutine()來進行模擬。在SimulationCoroutine()方法中:

1)獲取待加工物體的MeshFilter組件和網格數據。

2)獲取網格的法線數據,用于計算切削力的方向。

3)遍歷質點的當前位置數組currentPositions。

4)計算受到的力,這里將切削力定義為切削力量基準cutForce乘以切削深度cutDepth乘以前進速度feedRate再乘以法線向量normals[i],表示力的方向與法線方向一致。

5)計算加速度,假設質量為1,所以加速度等于力。

6)使用Verlet積分算法更新位置,根據式(1)來計算新的位置。

7)更新位置數組,將當前位置保存到舊的位置數組,將新的位置保存到當前位置數組。

8)更新網格的頂點數據,將當前位置數組賦值給網格的頂點數組,并重新計算網格的邊界和法線。

9)等待下一幀,通過yield return null來讓協(xié)程暫停,并在下一幀繼續(xù)執(zhí)行。

腳本為切削過程添加了切削參數,包含切削深度、前進速度等。通過添加了兩個切削參數:切削深度(cutDepth)和前進速度(feedRate),這兩個參數是以公有字段(public fields)的形式定義的,因此可以在Unity編輯器中直接設置。定義參數如下:

public float cutDepth = 0.1f; //切削深度;

public float feedRate = 0.01f; //前進速度。

此外,為模擬真實切削過程,腳本實現(xiàn)了一個更真實的切削力模型,切削力會隨著切削深度、前進速度等參數的變化而變化。車刀前進的阻力應與切削深度成正比。定義切削力參數如下:

Vector3 force = cutForce * cutDepth *

feedRate * normals[i]。

cutForce是切削力的基準值,normals[i]是物體表面在頂點處的法線方向,切削力沿著法線方向作用。最后,腳本用切削力數值來計算加速度,將加速度導入Verlet積分法,根據記錄的每時刻位置計算下一時刻位置坐標,從而更新頂點位置、完成切削過程。

3 硬件平臺與系統(tǒng)發(fā)布

系統(tǒng)選用Oculus Quest 2作為操作的硬件平臺。作為Meta公司于2020年Facebook Connect上正式推出的一款的VR一體機,它使用液晶顯示屏(LCD),搭載高通Snapdragon XR2作為計算平臺,配備6 GB運行內存。單眼分辨率為1 832×1 920,雙眼分辨率為3 664×1 920,支持72 Hz和90 Hz的刷新率。Oculus Quest 2包含一對6自由度感知的操作手柄,可以實現(xiàn)本機加工虛擬實訓系統(tǒng)的所有手勢操作功能,如對物體的抓取、手柄射線、虛擬按鈕點擊等。Unity 3D為開發(fā)者提供了適用于各種VR設備的接口,可以在諸如Oculus Quest 2等設備上消費VR內容。

系統(tǒng)調用VRTK組件中的VRTK_ ControllerEvents腳本,該腳本包含虛擬環(huán)境中的多種交互手勢,包括VRTK_Interact Grab(抓取)、VRTK_Interact Touch(觸摸)、 VRTK_Interact Use(可使用特定物體,扣動手柄扳機啟動)、Controller_SimplePointer(遠程定點移動)[19]。配置好Unity 3D環(huán)境,導入模型資產并設計交互后,用戶可以利用VRTK組件和Oculus Quest 2等VR頭顯設備進行交互,瀏覽虛擬場景并完成學習訓練。系統(tǒng)內的場景內容和理論題庫可以靈活定制,教師可預設機加工操作步驟讓用戶根據情況學習不同的理論知識和加工步驟,增加系統(tǒng)的交互性和實用性。系統(tǒng)各模塊緊密銜接,有利于用戶入門機加工操作,通過鼠標、鍵盤以及 VR 眼鏡、手柄等交互設備沉浸在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中,建立起對車床機械加工的整體認知。

4 結語

設計了一種基于VR技術的機加工虛擬仿真實訓教學系統(tǒng),包括場景漫游、設備認知、理論知識和操作模擬4大模塊單元,系統(tǒng)具有較強的實戰(zhàn)性,對于操作者不需要依賴真實車床,只需要程序運行即可對車床進行操作與學習,能夠較好地實現(xiàn)人與車床的交互?，F(xiàn)如今,VR早已步入機械行業(yè)[20],能夠讓使用者更快更好地學會如何操作機器,從而最大程度降低受傷的風險,諸如此類的應用中VR車床只是其中之一。虛擬實驗在虛擬的空間中模擬了機械加工的交互界面,為用戶沉浸式地提供了富有構想性的交互體驗[21]。隨著現(xiàn)代信息化技術的不斷發(fā)展,虛擬現(xiàn)實技術也逐漸滲透到工程實踐和教學的各個方面,虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)仿真實驗實訓教學改革是一項有益的探索。