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虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)控機(jī)床培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)控培訓(xùn)，是數(shù)控培訓(xùn)技術(shù)發(fā)展的一個飛躍，它營造了“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式代之為學(xué)習(xí)者通過自身與信息環(huán)境的相互作用來得到知識、技能的新型學(xué)習(xí)方式。 

 

利用虛擬數(shù)控機(jī)床培訓(xùn)系統(tǒng)建立起來的各種虛擬機(jī)床拆裝實(shí)訓(xùn)平臺等其“設(shè)備”與“部件”多是虛擬的，并可根據(jù)需要隨時(shí)生成新的設(shè)備。且教學(xué)內(nèi)容可以不斷更新，使實(shí)踐訓(xùn)練及時(shí)跟上技術(shù)的發(fā)展。從多方面證明了虛擬操作擁有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室難以比擬的優(yōu)勢。 

 

虛擬數(shù)控機(jī)床培訓(xùn)系統(tǒng)采用C++、PHP、Javascript等主流語言程序開發(fā)，最后全部通過打包加密后再利用編譯程序進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，這樣大大加快了系統(tǒng)整體運(yùn)行速度。在建模方面系統(tǒng)采取的是市場主流的 ISA 為建模工具，其支持的數(shù)據(jù)庫為：大型的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，如：SQL Server, Oracel，MySQL等。本系統(tǒng)在運(yùn)行過程中學(xué)員操作的3D動畫的動作是通過TCP/IP 協(xié)議發(fā)送給服務(wù)器端程序的，而該系統(tǒng)中的 TCP/IP 協(xié)議采取的是UDP 用戶數(shù)據(jù)包模式，這樣就保證了數(shù)據(jù)不會輕易的丟失與延遲。 

 

 

在虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)控機(jī)床培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)的前期，需要采用3D掃描儀（三維掃描器）對機(jī)床、各種工具、產(chǎn)品部件建立數(shù)字模型，之后利用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件開發(fā)平臺對所建立的數(shù)字模型進(jìn)行加工，并設(shè)計(jì)出可實(shí)現(xiàn)交互功能的軟件平臺，最后結(jié)合各種3D交互設(shè)備及三維立體顯示環(huán)境，搭建出具備沉浸感、交互性的虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)控機(jī)床培訓(xùn)系統(tǒng)。在此我們對系統(tǒng)開發(fā)中的主要部分即3D建模、虛擬現(xiàn)實(shí)軟件開發(fā)平臺、3D交互設(shè)備、三維立體顯示環(huán)境進(jìn)行簡單介紹。

 

一、3D建模

 

3D建模通俗來講就是利用三維制作軟硬件通過虛擬三維空間構(gòu)建出具有三維數(shù)據(jù)的模型，3D掃描儀的誕生為3D建模帶來新的方法和手段，3D掃描儀的用途是創(chuàng)建物體幾何表面的點(diǎn)云，這些點(diǎn)可用來插補(bǔ)成物體的表面形狀，越密集的點(diǎn)云可以創(chuàng)建更精確的模型。目前，一些3D掃描儀還能夠取得表面顏色，可進(jìn)一步在重建的表面上粘貼，亦即所謂的紋理映射。一般情況下用3D掃描儀所得到的3D模型還要在3D建模軟件中進(jìn)行少許的加工。

 

1、3D掃描儀

 

3D掃描儀(3D scanner) 是一種科學(xué)儀器，用來偵測并分析現(xiàn)實(shí)世界中物體或環(huán)境的形狀（幾何構(gòu)造）與外觀數(shù)據(jù)（如顏色、表面反照率等性質(zhì)）。搜集到的數(shù)據(jù)常被用來進(jìn)行三維重建計(jì)算，在虛擬世界中創(chuàng)建實(shí)際物體的數(shù)字模型。這些模型具有相當(dāng)廣泛的用途，舉凡工業(yè)設(shè)計(jì)、瑕疵檢測、逆向工程、機(jī)器人導(dǎo)引、地貌測量、醫(yī)學(xué)信息、生物信息、刑事鑒定、數(shù)字文物典藏、電影制片、游戲創(chuàng)作素材等等都可見其應(yīng)用。

 

推薦產(chǎn)品：Polhemus FastScan 雙攝像頭3D激光掃描儀、NDI VicraSCAN 3D激光掃描儀、Creaform Handyscan VIUscan 彩色3D激光掃描儀、3D Camega PCP-300手持式三維掃描器。

 

2、3D建模軟件

 

3D建模通俗來講就是通過三維制作軟件通過虛擬三維空間構(gòu)建出具有三維數(shù)據(jù)的模型。3D建模大概可分為:NURBS和多邊形網(wǎng)格。 NURBS對要求精細(xì)、彈性與復(fù)雜的模型有較好的應(yīng)用，適合量化生產(chǎn)用途 。多邊形網(wǎng)格建模是靠拉面方式，適合做效果圖與復(fù)雜場景動畫.綜合說來各有長處。

 

推薦產(chǎn)品：Geomagic FreeForm Modeling Plus、3Ds MAX、Maya。

 

 

通過虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺，整套虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)控機(jī)床培訓(xùn)系統(tǒng)的各個硬件才可以發(fā)揮其獨(dú)有功能，保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行，虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺是通過虛擬現(xiàn)實(shí)軟件開發(fā)平臺設(shè)計(jì)的，其中的各種功能可根據(jù)自己的需求自行設(shè)計(jì)、添加。

 

推薦產(chǎn)品：Virtools™ 5.0--3D 可視化編程開發(fā)平臺、Unity3D PRO 虛擬現(xiàn)實(shí)、跨平臺應(yīng)用程序開發(fā)引擎、TechViz Virtual Workbench。

 

 

采用3D交互設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)操作人員與虛擬環(huán)境實(shí)時(shí)交互，可以對虛擬環(huán)境中的各種物體進(jìn)行各種設(shè)定好的操作，常用的3D交互設(shè)備有位置追蹤器、數(shù)據(jù)手套、力反饋設(shè)備、3D鼠標(biāo)等。下面分別介紹。

 

1、位置追蹤器

 

位置追蹤器又稱位置跟蹤器，是指作用于空間跟蹤與定位的裝置，一般與其他VR設(shè)備結(jié)合使用，如：數(shù)據(jù)頭盔、立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套等，使參與者在空間上能夠自由移動、旋轉(zhuǎn)，不局限于固定的空間位置。操作更加靈活、自如、隨意。產(chǎn)品有六個自由度和三個自由度之分，當(dāng)接收傳感器在空間移動時(shí)，能夠精確地計(jì)算出其位置和方位。該設(shè)備 消除了延遲帶來的問題，因?yàn)樗峁┝藙討B(tài)的、實(shí)時(shí)的六自由度的測量位置(X, Y, 和 Z 笛卡爾坐標(biāo)) 和方位（俯仰角、偏行角、滾動角），無論在虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用領(lǐng)域，還是在控制模擬器的投影機(jī)運(yùn)動時(shí)，還是在生物醫(yī)學(xué)的研究中，它是測量運(yùn)動范圍和肢體旋轉(zhuǎn)的理想選擇。它是快速、精確、而且容易使用。

 

推薦品牌：Polhemus 電磁式無線追蹤系統(tǒng)、Xsens慣性位置追蹤器、Ascension電磁式位置追蹤器。

 

2、數(shù)據(jù)手套

 

數(shù)據(jù)手套是虛擬仿真中最常用的交互工具。數(shù)據(jù)手套設(shè)有彎曲傳感器，彎曲傳感器由柔性電路板、力敏元件、彈性封裝材料組成，通過導(dǎo)線連接至信號處理電路；在柔性電路板上設(shè)有至少兩根導(dǎo)線，以力敏材料包覆于柔性電路板大部，再在力敏材料上包覆一層彈性封裝材料，柔性電路板留一端在外，以導(dǎo)線與外電路連接。把人手姿態(tài)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地傳遞給虛擬環(huán)境。

 

推薦品牌：Cyberglove數(shù)據(jù)手套、DGTech數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)手套、5DT數(shù)據(jù)手套。

 

3、力反饋設(shè)備

 

所謂力反饋（Force Feedback），本來是應(yīng)用于軍事上的一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它利用機(jī)械表現(xiàn)出的反作用力，將游戲數(shù)據(jù)通過力反饋設(shè)備表現(xiàn)出來，可以讓用戶身臨其境地體驗(yàn)游戲中的各種效果。 力反饋技術(shù)能將游戲中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成用戶可以感覺到的效果，例如道路上的顛簸或者轉(zhuǎn)動方向盤感受到的反作用力，這些效果都是力反饋控制芯片“播放”出來的，

 

推薦品牌：HAPTION力反饋設(shè)備、Sensable力反饋設(shè)備。

 

4、3D鼠標(biāo)

 

3D鼠標(biāo)具備多自由度的傳感器，多個導(dǎo)航設(shè)置鍵等可實(shí)現(xiàn)對虛擬立體空間內(nèi)的虛擬物體的操作。

 

推薦產(chǎn)品：3D Connexion SpaceMouse 專業(yè)版、3DConnexion SpacePilot PRO、3DConnexion 探索者 SpaceExplorer serial、3DConnexion SpacePilot宇航者、3DConnexion 魔幻手 SpaceNavigator

 

 

三維立體顯示環(huán)境有多通道立體顯示系統(tǒng)、桌面型立體顯示系統(tǒng)、頭戴式立體顯示系統(tǒng)三種類型，不同類型使用于不同領(lǐng)域，用戶可根據(jù)實(shí)際需求自行選擇，下面分別介紹。

 

1、多通道立體顯示系統(tǒng)

 

多通道立體顯示系統(tǒng)是指采用多組被動式或主動式立體投影機(jī)，結(jié)合邊緣融合技術(shù)，將影像投射在大型環(huán)形、弧形、平板型投影幕或者CAVE上，提供大尺寸、高清晰度極具沖擊力的沉浸式立體顯示環(huán)境。

 

推薦：多通道環(huán)幕投影、多通道平板投影、沉浸式CAVE系統(tǒng)

 

2、桌面型立體顯示系統(tǒng)

 

桌面型立體顯示系統(tǒng)即3D立體顯示器，3D立體顯示領(lǐng)域包含多種實(shí)現(xiàn)方式，比如：全息技術(shù)、投影技術(shù)、眼鏡式技術(shù)以及無需眼鏡立體顯示技術(shù)（裸眼立體顯示技術(shù)）等。目前具備市場化潛力的是眼鏡式立體顯示技術(shù)和裸眼立體顯示技術(shù)，這兩種技術(shù)都是基于平面立體成像的技術(shù)。裸眼立體顯示器的特點(diǎn)是無需借助任何輔助設(shè)備、多視點(diǎn)、高亮度、高清晰、大縱深等；眼鏡式立體顯示器的特點(diǎn)是需要借助眼鏡才可以觀看，立體效果強(qiáng)。用戶可以根據(jù)自身情況選擇。

 

推薦品牌：Exceptional3D裸眼立體顯示器、Visumotion裸眼立體顯示器、Alioscopy裸眼立體顯示器；Miracube偏振立體顯示器、VRLOGIC偏振立體顯示器。

 

3、頭戴式立體顯示系統(tǒng)

 

頭戴式立體顯示系統(tǒng)（又叫數(shù)字頭盔、數(shù)據(jù)頭盔、立體頭盔等）是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的3DVR圖形顯示與觀察設(shè)備，可單獨(dú)與主機(jī)相連以接受來自主機(jī)的3DVR圖形圖像信號。使用方式為頭戴式，輔以三個自由度的空間跟蹤定位器可進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)輸出效果觀察，同時(shí)觀察者可做空間上的自由移動，如；自由行走、旋轉(zhuǎn)等，沉浸感極強(qiáng)，在虛擬現(xiàn)實(shí)硬件觀察設(shè)備中，頭盔顯示器的沉浸感優(yōu)于桌面型立體顯示系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)觀察效果，遜于虛擬多通道立體顯示系統(tǒng)的觀察效果，在投影式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，頭盔顯示器作為系統(tǒng)功能和設(shè)備的一種補(bǔ)充和輔助。 

 

頭戴式立體顯示系統(tǒng)的光學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)日趨完善，不僅作為個人應(yīng)用顯示器，它還是緊湊型大屏幕投影系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，可將小型LCD顯示器件的影像透過光學(xué)系統(tǒng)做成全像大屏幕。除了在現(xiàn)代先進(jìn)軍事電子技術(shù)中得到普遍應(yīng)用成為單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)的必備裝備外，還拓展到民用電子技術(shù)中，虛擬現(xiàn)實(shí)電子技術(shù)系統(tǒng)首先應(yīng)用了頭戴式立體顯示系統(tǒng)。

 

推薦品牌：Virtual Research頭戴式立體顯示器、5DT頭戴式立體顯示器、eMagin頭戴式立體顯示器

 

 

適用于高校、數(shù)控機(jī)床研究所、數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家、數(shù)控機(jī)床培訓(xùn)等。