虛擬現實數控機床培訓系統應用于數控培訓，是數控培訓技術發展的一個飛躍，它營造了“自主學習”的環境，由傳統的“以教促學”的學習方式代之為學習者通過自身與信息環境的相互作用來得到知識、技能的新型學習方式。 

 

利用虛擬數控機床培訓系統建立起來的各種虛擬機床拆裝實訓平臺等其“設備”與“部件”多是虛擬的，并可根據需要隨時生成新的設備。且教學內容可以不斷更新，使實踐訓練及時跟上技術的發展。從多方面證明了虛擬操作擁有傳統實驗室難以比擬的優勢。 

 

虛擬數控機床培訓系統采用C++、PHP、Javascript等主流語言程序開發，最后全部通過打包加密后再利用編譯程序進行系統優化，這樣大大加快了系統整體運行速度。在建模方面系統采取的是市場主流的 ISA 為建模工具，其支持的數據庫為：大型的關系型數據庫，如：SQL Server, Oracel，MySQL等。本系統在運行過程中學員操作的3D動畫的動作是通過TCP/IP 協議發送給服務器端程序的，而該系統中的 TCP/IP 協議采取的是UDP 用戶數據包模式，這樣就保證了數據不會輕易的丟失與延遲。 

 

 

在虛擬現實數控機床培訓系統開發的前期，需要采用3D掃描儀（三維掃描器）對機床、各種工具、產品部件建立數字模型，之后利用虛擬現實軟件開發平臺對所建立的數字模型進行加工，并設計出可實現交互功能的軟件平臺，最后結合各種3D交互設備及三維立體顯示環境，搭建出具備沉浸感、交互性的虛擬現實數控機床培訓系統。在此我們對系統開發中的主要部分即3D建模、虛擬現實軟件開發平臺、3D交互設備、三維立體顯示環境進行簡單介紹。

 

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建出具有三維數據的模型，3D掃描儀的誕生為3D建模帶來新的方法和手段，3D掃描儀的用途是創建物體幾何表面的點云，這些點可用來插補成物體的表面形狀，越密集的點云可以創建更精確的模型。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建模軟件中進行少許的加工。

 

1、3D掃描儀

 

3D掃描儀(3D scanner) 是一種科學儀器，用來偵測并分析現實世界中物體或環境的形狀（幾何構造）與外觀數據（如顏色、表面反照率等性質）。搜集到的數據常被用來進行三維重建計算，在虛擬世界中創建實際物體的數字模型。這些模型具有相當廣泛的用途，舉凡工業設計、瑕疵檢測、逆向工程、機器人導引、地貌測量、醫學信息、生物信息、刑事鑒定、數字文物典藏、電影制片、游戲創作素材等等都可見其應用。

 

推薦產品：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建出具有三維數據的模型。3D建模大概可分為:NURBS和多邊形網格。 NURBS對要求精細、彈性與復雜的模型有較好的應用，適合量化生產用途 。多邊形網格建模是靠拉面方式，適合做效果圖與復雜場景動畫.綜合說來各有長處。

 

推薦產品：Geomagic FreeForm Modeling Plus、3Ds MAX、Maya。

 

 

通過虛擬現實軟件平臺，整套虛擬現實數控機床培訓系統的各個硬件才可以發揮其獨有功能，保證了系統的正常運行，虛擬現實軟件平臺是通過虛擬現實軟件開發平臺設計的，其中的各種功能可根據自己的需求自行設計、添加。

 

推薦產品：Virtools™ 5.0--3D 可視化編程開發平臺、Unity3D PRO 虛擬現實、跨平臺應用程序開發引擎、TechViz Virtual Workbench。

 

 

采用3D交互設備，可以實現操作人員與虛擬環境實時交互，可以對虛擬環境中的各種物體進行各種設定好的操作，常用的3D交互設備有位置追蹤器、數據手套、力反饋設備、3D鼠標等。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設備結合使用，如：數據頭盔、立體眼鏡、數據手套等，使參與者在空間上能夠自由移動、旋轉，不局限于固定的空間位置。操作更加靈活、自如、隨意。產品有六個自由度和三個自由度之分，當接收傳感器在空間移動時，能夠精確地計算出其位置和方位。該設備 消除了延遲帶來的問題，因為它提供了動態的、實時的六自由度的測量位置(X, Y, 和 Z 笛卡爾坐標) 和方位（俯仰角、偏行角、滾動角），無論在虛擬現實應用領域，還是在控制模擬器的投影機運動時，還是在生物醫學的研究中，它是測量運動范圍和肢體旋轉的理想選擇。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、Xsens慣性位置追蹤器、Ascension電磁式位置追蹤器。

 

2、數據手套

 

數據手套是虛擬仿真中最常用的交互工具。數據手套設有彎曲傳感器，彎曲傳感器由柔性電路板、力敏元件、彈性封裝材料組成，通過導線連接至信號處理電路；在柔性電路板上設有至少兩根導線，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，以導線與外電路連接。把人手姿態準確實時地傳遞給虛擬環境。

 

推薦品牌：Cyberglove數據手套、DGTech數據數據手套、5DT數據手套。

 

3、力反饋設備

 

所謂力反饋（Force Feedback），本來是應用于軍事上的一種虛擬現實技術，它利用機械表現出的反作用力，將游戲數據通過力反饋設備表現出來，可以讓用戶身臨其境地體驗游戲中的各種效果。 力反饋技術能將游戲中的數據轉化成用戶可以感覺到的效果，例如道路上的顛簸或者轉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力反饋設備、Sensable力反饋設備。

 

4、3D鼠標

 

3D鼠標具備多自由度的傳感器，多個導航設置鍵等可實現對虛擬立體空間內的虛擬物體的操作。

 

推薦產品：3D Connexion SpaceMouse 專業版、3DConnexion SpacePilot PRO、3DConnexion 探索者 SpaceExplorer serial、3DConnexion SpacePilot宇航者、3DConnexion 魔幻手 SpaceNavigator

 

 

三維立體顯示環境有多通道立體顯示系統、桌面型立體顯示系統、頭戴式立體顯示系統三種類型，不同類型使用于不同領域，用戶可根據實際需求自行選擇，下面分別介紹。

 

1、多通道立體顯示系統

 

多通道立體顯示系統是指采用多組被動式或主動式立體投影機，結合邊緣融合技術，將影像投射在大型環形、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境。

 

推薦：多通道環幕投影、多通道平板投影、沉浸式CAVE系統

 

2、桌面型立體顯示系統

 

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

 

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

 

頭戴式立體顯示系統（又叫數字頭盔、數據頭盔、立體頭盔等）是虛擬現實應用中的3DVR圖形顯示與觀察設備，可單獨與主機相連以接受來自主機的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行虛擬現實輸出效果觀察，同時觀察者可做空間上的自由移動，如；自由行走、旋轉等，沉浸感極強，在虛擬現實硬件觀察設備中，頭盔顯示器的沉浸感優于桌面型立體顯示系統的虛擬現實觀察效果，遜于虛擬多通道立體顯示系統的觀察效果，在投影式虛擬現實系統中，頭盔顯示器作為系統功能和設備的一種補充和輔助。 

 

頭戴式立體顯示系統的光學技術設計和制造技術日趨完善，不僅作為個人應用顯示器，它還是緊湊型大屏幕投影系統設計的基礎，可將小型LCD顯示器件的影像透過光學系統做成全像大屏幕。除了在現代先進軍事電子技術中得到普遍應用成為單兵作戰系統的必備裝備外，還拓展到民用電子技術中，虛擬現實電子技術系統首先應用了頭戴式立體顯示系統。

 

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、數控機床研究所、數控機床生產廠家、數控機床培訓等。