虚拟现实及其在数控机床中的应用解析.doc

虚拟现实及其在数控机床中的应用 摘要：本文首先介绍了虚拟现实的基本概念，虚拟现实系统的构成、研究内容和关键技术，在此基础上介绍了一种虚拟现实系统的实现机制；然后通过虚拟数控机床的功能分析，提出了虚拟数控机床的体系结构，并介绍了虚拟数控机床的应用。 This paper firstly introduces the basic concepts of virtual reality, and composition, content and key technology of virtual reality systems, on the basis of which an implementation of virtual reality system mechanism is introduced ; then through a virtual machine tool’s functional analysis presents the architecture of virtual machine tool and describes the application of virtual machine tools. Keywords: virtual reality, implementation mechanism, virtual machine tools 1 虚拟现实简介 虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），这一名词是由美国科学家Jaron Lanier 上世纪在80年代初提出的，也称为灵境技术或人工环境。 目前比较公认的较精确的VR定义是：采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备（如特制的衣服、头盔、手套和鞋等）以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生沉浸于等同真实环境的感受和体验。 12 虚拟现实特点与优势 虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映，其基本特点如图1-1所示。 图1-1 虚拟现实的特点 沉浸感是指用户在虚拟环境中感受到的环境真实程度。 交互性是指用户对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度 即实时性 。 想象性是指用户沉浸在多维信息空间中，依靠自己的感知和认知能力全方位地获取知识，发挥主观能动性，寻求答案，形成新的观念。 鉴于此，与实际制造对比，在机械设计制造中中使用虚拟现实技术辅助设计制造的主要优势体现在以下几方面。 （1）产品设计制造流程完全在虚拟中进行，在计算机上进行产品设计、制造、检测，甚至设计人员或用户可进入虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和操作，虚拟现实的优势就是其参数完全是人为定义，所以对其改动将会非常快捷方便，而不需要对实体模型进行反复修改制造。 （2）虚拟现实技术充分的利用了计算机技术，可使分布在不同地点的人员通过互联网远程联接，在同一个虚拟环境下上同时工作、相互交流、信息共享 ， 这样可以克服地理隔离所造成的问题，使得不同行业的人员更容易合作，同时也加强了用户与制造商之间的交流，可以更加明确的制造产品。 （3）相关人员可以获得安全的设计、制造环境。 13 虚拟现实系统的构成 虚拟现实是计算机生成的给人多种感官刺激的虚拟世界（环境），是一种高级的人机交互系统。根据定义，虚拟现实由两部分组成：一部分为创建的虚拟世界（环境），另一部分为介入者（人）。虚拟现实的核心是强调两者之间的交互操作，即反映出人在虚拟世界（环境）的体验。这样，我们可以得到虚拟现实的概念模型如图1-2所示。 图1-2 虚拟现实系统构成 2 虚拟现实研究内容和关键技术 虚拟现实是多种技术的综合，其研究内容如图2-1所示，关键技术包括以下几个方面。 （1）动态环境建模技术——虚拟环境的建立是 VR 系统的核心内容，动态环境建模的目的就是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。 图2-1 虚拟现实系统研究内容 （2）实时三维图形生成技术——三维图形的生成技术已经较为成熟，但复杂场景的实时显示一直是计算机图形学“实时”生成。 （3）立体显示和传感器技术——虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展，现有的设备远远不能满足需要。 （4）应用系统开发工具——虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想像力和创造性。 （5）系统集成技术——由于 VR 系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别与合成技术等。 3 基于MultiGen Creator/Vega Prime的虚拟现实系统的实现机制 20 世纪 9