虚拟现实数控机床培训系统应用于数控培训，是数控培训技术发展的一个飞跃，它营造了“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式代之为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。 

 

利用虚拟数控机床培训系统建立起来的各种虚拟机床拆装实训平台等其“设备”与“部件”多是虚拟的，并可根据需要随时生成新的设备。且教学内容可以不断更新，使实践训练及时跟上技术的发展。从多方面证明了虚拟操作拥有传统实验室难以比拟的优势。 

 

虚拟数控机床培训系统采用C++、PHP、Javascript等主流语言程序开发，最后全部通过打包加密后再利用编译程序进行系统优化，这样大大加快了系统整体运行速度。在建模方面系统采取的是市场主流的 ISA 为建模工具，其支持的数据库为：大型的关系型数据库，如：SQL Server, Oracel，MySQL等。本系统在运行过程中学员操作的3D动画的动作是通过TCP/IP 协议发送给服务器端程序的，而该系统中的 TCP/IP 协议采取的是UDP 用户数据包模式，这样就保证了数据不会轻易的丢失与延迟。 

 

 

在虚拟现实数控机床培训系统开发的前期，需要采用3D扫描仪（三维扫描器）对机床、各种工具、产品部件建立数字模型，之后利用虚拟现实软件开发平台对所建立的数字模型进行加工，并设计出可实现交互功能的软件平台，最后结合各种3D交互设备及三维立体显示环境，搭建出具备沉浸感、交互性的虚拟现实数控机床培训系统。在此我们对系统开发中的主要部分即3D建模、虚拟现实软件开发平台、3D交互设备、三维立体显示环境进行简单介绍。

 

一、3D建模

 

3D建模通俗来讲就是利用三维制作软硬件通过虚拟三维空间构建出具有三维数据的模型，3D扫描仪的诞生为3D建模带来新的方法和手段，3D扫描仪的用途是创建物体几何表面的点云，这些点可用来插补成物体的表面形状，越密集的点云可以创建更精确的模型。目前，一些3D扫描仪还能够取得表面颜色，可进一步在重建的表面上粘贴，亦即所谓的纹理映射。一般情况下用3D扫描仪所得到的3D模型还要在3D建模软件中进行少许的加工。

 

1、3D扫描仪

 

3D扫描仪(3D scanner) 是一种科学仪器，用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状（几何构造）与外观数据（如颜色、表面反照率等性质）。搜集到的数据常被用来进行三维重建计算，在虚拟世界中创建实际物体的数字模型。这些模型具有相当广泛的用途，举凡工业设计、瑕疵检测、逆向工程、机器人导引、地貌测量、医学信息、生物信息、刑事鉴定、数字文物典藏、电影制片、游戏创作素材等等都可见其应用。

 

推荐产品：Polhemus FastScan 双摄像头3D激光扫描仪、NDI VicraSCAN 3D激光扫描仪、Creaform Handyscan VIUscan 彩色3D激光扫描仪、3D Camega PCP-300手持式三维扫描器。

 

2、3D建模软件

 

3D建模通俗来讲就是通过三维制作软件通过虚拟三维空间构建出具有三维数据的模型。3D建模大概可分为:NURBS和多边形网格。 NURBS对要求精细、弹性与复杂的模型有较好的应用，适合量化生产用途 。多边形网格建模是靠拉面方式，适合做效果图与复杂场景动画.综合说来各有长处。

 

推荐产品：Geomagic FreeForm Modeling Plus、3Ds MAX、Maya。

 

 

通过虚拟现实软件平台，整套虚拟现实数控机床培训系统的各个硬件才可以发挥其独有功能，保证了系统的正常运行，虚拟现实软件平台是通过虚拟现实软件开发平台设计的，其中的各种功能可根据自己的需求自行设计、添加。

 

推荐产品：Virtools™ 5.0--3D 可视化编程开发平台、Unity3D PRO 虚拟现实、跨平台应用程序开发引擎、TechViz Virtual Workbench。

 

 

采用3D交互设备，可以实现操作人员与虚拟环境实时交互，可以对虚拟环境中的各种物体进行各种设定好的操作，常用的3D交互设备有位置追踪器、数据手套、力反馈设备、3D鼠标等。下面分别介绍。

 

1、位置追踪器

 

位置追踪器又称位置跟踪器，是指作用于空间跟踪与定位的装置，一般与其他VR设备结合使用，如：数据头盔、立体眼镜、数据手套等，使参与者在空间上能够自由移动、旋转，不局限于固定的空间位置。操作更加灵活、自如、随意。产品有六个自由度和三个自由度之分，当接收传感器在空间移动时，能够精确地计算出其位置和方位。该设备 消除了延迟带来的问题，因为它提供了动态的、实时的六自由度的测量位置(X, Y, 和 Z 笛卡尔坐标) 和方位（俯仰角、偏行角、滚动角），无论在虚拟现实应用领域，还是在控制模拟器的投影机运动时，还是在生物医学的研究中，它是测量运动范围和肢体旋转的理想选择。它是快速、精确、而且容易使用。

 

推荐品牌：Polhemus 电磁式无线追踪系统、Xsens惯性位置追踪器、Ascension电磁式位置追踪器。

 

2、数据手套

 

数据手套是虚拟仿真中最常用的交互工具。数据手套设有弯曲传感器，弯曲传感器由柔性电路板、力敏元件、弹性封装材料组成，通过导线连接至信号处理电路；在柔性电路板上设有至少两根导线，以力敏材料包覆于柔性电路板大部，再在力敏材料上包覆一层弹性封装材料，柔性电路板留一端在外，以导线与外电路连接。把人手姿态准确实时地传递给虚拟环境。

 

推荐品牌：Cyberglove数据手套、DGTech数据数据手套、5DT数据手套。

 

3、力反馈设备

 

所谓力反馈（Force Feedback），本来是应用于军事上的一种虚拟现实技术，它利用机械表现出的反作用力，将游戏数据通过力反馈设备表现出来，可以让用户身临其境地体验游戏中的各种效果。 力反馈技术能将游戏中的数据转化成用户可以感觉到的效果，例如道路上的颠簸或者转动方向盘感受到的反作用力，这些效果都是力反馈控制芯片“播放”出来的，

 

推荐品牌：HAPTION力反馈设备、Sensable力反馈设备。

 

4、3D鼠标

 

3D鼠标具备多自由度的传感器，多个导航设置键等可实现对虚拟立体空间内的虚拟物体的操作。

 

推荐产品：3D Connexion SpaceMouse 专业版、3DConnexion SpacePilot PRO、3DConnexion 探索者 SpaceExplorer serial、3DConnexion SpacePilot宇航者、3DConnexion 魔幻手 SpaceNavigator

 

 

三维立体显示环境有多通道立体显示系统、桌面型立体显示系统、头戴式立体显示系统三种类型，不同类型使用于不同领域，用户可根据实际需求自行选择，下面分别介绍。

 

1、多通道立体显示系统

 

多通道立体显示系统是指采用多组被动式或主动式立体投影机，结合边缘融合技术，将影像投射在大型环形、弧形、平板型投影幕或者CAVE上，提供大尺寸、高清晰度极具冲击力的沉浸式立体显示环境。

 

推荐：多通道环幕投影、多通道平板投影、沉浸式CAVE系统

 

2、桌面型立体显示系统

 

桌面型立体显示系统即3D立体显示器，3D立体显示领域包含多种实现方式，比如：全息技术、投影技术、眼镜式技术以及无需眼镜立体显示技术（裸眼立体显示技术）等。目前具备市场化潜力的是眼镜式立体显示技术和裸眼立体显示技术，这两种技术都是基于平面立体成像的技术。裸眼立体显示器的特点是无需借助任何辅助设备、多视点、高亮度、高清晰、大纵深等；眼镜式立体显示器的特点是需要借助眼镜才可以观看，立体效果强。用户可以根据自身情况选择。

 

推荐品牌：Exceptional3D裸眼立体显示器、Visumotion裸眼立体显示器、Alioscopy裸眼立体显示器；Miracube偏振立体显示器、VRLOGIC偏振立体显示器。

 

3、头戴式立体显示系统

 

头戴式立体显示系统（又叫数字头盔、数据头盔、立体头盔等）是虚拟现实应用中的3DVR图形显示与观察设备，可单独与主机相连以接受来自主机的3DVR图形图像信号。使用方式为头戴式，辅以三个自由度的空间跟踪定位器可进行虚拟现实输出效果观察，同时观察者可做空间上的自由移动，如；自由行走、旋转等，沉浸感极强，在虚拟现实硬件观察设备中，头盔显示器的沉浸感优于桌面型立体显示系统的虚拟现实观察效果，逊于虚拟多通道立体显示系统的观察效果，在投影式虚拟现实系统中，头盔显示器作为系统功能和设备的一种补充和辅助。 

 

头戴式立体显示系统的光学技术设计和制造技术日趋完善，不仅作为个人应用显示器，它还是紧凑型大屏幕投影系统设计的基础，可将小型LCD显示器件的影像透过光学系统做成全像大屏幕。除了在现代先进军事电子技术中得到普遍应用成为单兵作战系统的必备装备外，还拓展到民用电子技术中，虚拟现实电子技术系统首先应用了头戴式立体显示系统。

 

推荐品牌：Virtual Research头戴式立体显示器、5DT头戴式立体显示器、eMagin头戴式立体显示器

 

 

适用于高校、数控机床研究所、数控机床生产厂家、数控机床培训等。