狄宝晶
(长安大学 工程机械学院,西安 710064)
三维动态虚拟现实仿真与大学机械类实验教学中的软件建设
狄宝晶
(长安大学 工程机械学院,西安 710064)
摘 要:虚拟仿真带来了人机交互的新概念、新内容、新方式和新方法,使得人机交互的内容更加丰富、形象,方式更加自然、和谐。虚拟现实为大学各机械类实验室降低硬件投入及软件建设开创了新的领域,使学生以全新的方式实现人机对话,极大地提高了学习效率。
关键词:计算机 虚拟仿真 实验室 机床剖析
本文将虚拟现实技术融入到课程教学中,以CA6140普通车床为基础,通过建立虚拟的机床剖析系统,使学生既能了解掌握机床的组成结构、拆装步骤和方法,同时还可以动手进行虚拟拆装的操作练习,让学生对机床结构、拆装过程有一个全面的认识。
1.1 沉浸感(Immersion)
虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)通过计算机产生一种人为虚拟的环境。当用户把媒体内容当作真实的事物来感知时,用户就会感觉自己置身于这个媒体环境中,这种感觉就是空间临场感。也就是说,当用户开始感觉自己就是媒体所创造的虚拟世界中的当事者时,就使用户产生一种空间临场感,这就是虚拟现实技术的沉浸感(Immersion)或临场参与感。
1.2 交互性(Interaction)
开放、双向、互动的实展示方式,通过控制与监视装置影响或被使用者影响。传统的发布者和用户现在都成为了虚拟信息的发布者,进而可以进行多方位的互动,而信息的互动性也使得用户实现由被动到主动的改变,即交互性(Interaction)。用户可以使用一个鼠标或其他跟踪器,随意“运行”在发布者建立的虚拟世界中。
1.3 虚幻性(Imagination)
虚幻性,即系统中的环境是虚幻的,是由人利用计算机等工具模拟出来的。既可以模拟客观世界中以前存在过的或是现在真实存在的环境,也可模拟出客观世界中当前并不存在的但将来可能出现的环境,还可模拟客观世界中并不会存在的而仅仅属于人们幻想的环境。
1.4 逼真性(reality)
虚拟仿真系统的逼真性表现在两个方面:一方面,虚拟环境给人的各种感觉与所模拟的客观世界非常相像,一切感觉都是那么逼真,如同在真实世界一样;另一方面,当人以自然的行为作用于虚拟环境时,环境做出的反应也符合客观世界的有关规律。
2.1 CA6140型普通车床的主要结构动态演示过程
(1)主轴箱:a.变速操纵机构,b.开停操纵机构,c.主轴结构部件,d.摩擦离合器,e.刹车装置。
(2)进给箱:a.变换螺纹种类操纵机构,b.基本组变速操作机构,c.增倍组操作机构。
(3)溜板箱:a.进给操作机构,c.超越离合器,d.安全离合器,e.互锁装置。
2.2 主轴箱变速操纵机构动态演示过程
图1 主轴箱变速操纵机构
如图1所示。主轴箱中有二套变速操纵机构,这套操纵机构操纵的是轴Ⅱ、轴Ⅲ上的滑移齿轮。其中,拨叉1操纵的是轴Ⅱ上的双联滑移齿轮,拨叉2操纵的是轴Ⅲ上的3联滑移齿轮。他们由凸轮和曲柄控制,曲柄转动一周,可使拨叉带动3联齿轮变换3个啮合位置,控制双联齿轮移动的凸轮槽,由2段半径不同的圆弧和过渡线组成,当杠杆的磙子处于不同半径时,会使双联齿轮有2个不同的啮合位置。当手柄转过一周时,靠曲柄和凸轮的配合,使轴Ⅱ和轴Ⅲ的齿轮有6种不同的搭配。该机构是轴Ⅳ和轴Ⅵ上滑移齿轮的变速操纵机构,拨叉1拨动的是双联齿轮Z80及Z50,拨叉2拨动的是双联齿轮Z20及Z51,这2个拨叉都是由凸轮1的曲线控制。实际传动中,这两对双联齿轮只需要3种搭配形式,拨叉3拨动的是主轴上的齿式离合器M2,M2从左到右有3个位置,分别是高速传动、空挡和低速传动,手柄从1到6可得到高速传动和空挡、低速传动1、低速传动2、空档、低速传动3
等6种不同的传动路线。
2.3 主轴箱开停操纵机构动态演示过程
如图2所示。开停操纵机构能使主轴实现正转、停止、反转,并在停车时制动。它们之间的动作都由一个元件齿条来控制的,齿条轴的一端联一个滑套。齿条移动时,滑套通过元宝销使离合器的压块移动,手柄向上,摩擦离合器左部压合,刹车带放松,主轴正转。中位时,主轴停车并制动,压下时,离合器右部压合,刹车带放松,主轴反转。
图2 主轴箱开停操纵机构
虚拟现实仿真技术的产生和发展,为解决和处理要巨额资金和巨大人力投入的各种问题提供了新方法,有着投入少、见效快、易推广、以软件替代硬件、实验占用场地少,尤其是为复杂抽象的内容及不得不承担人员伤亡危险的各种环境提供了新的解决方法等优点。它在大学机械类实验室有着广泛的应用前景,如机械制造、建筑机械、筑路机械、工业设计、车辆工程、材料成型、数控技术、航空航天、铁道车辆、无人机运用、3D打印等,都存在机构运动、结构剖析、运动原理、设备拆装等,都可以通过虚拟现实来实现。
参考文献
[1]戴曙主.金属切削机床[M].北京:机械工业出版社,2014:21-41.
Three Dimensional Dynamic Virtual Reality Simulation and Software Construction of College Mechanical Experiment Teaching
DI Baojing
(School of mechanical engineering Chang'an University, Xi'an 710064)
Abstract:Taking technology of the computer as the core of the modern hi-tech generation of realistic vision, hearing, touch integration of a specific range of the virtual environment, users with the necessary equipment to the natural environment with virtual objects interact and influence each other, resulting in“immersion”in the real environment of the same feelings and experience. Virtual simulation brings the new concept, new content, new method and new method of human-computer interaction, which m akes the content of human-computer interaction more abundant and image,and the way is more natural and harm onious. Virtual reality has created a new field to reduce the hardware input and the s oftware construction of the Mechani cal Laboratory of University, so that the new way to realize the man-machine conversation, and greatly improve the learning efficiency.
Key words:Computer, Virtual simulation, laboratory,Analysis of machine tool