数控pȝ与数控实验台软g模拟实习(fn)
发表旉Q?009-07-16
摘要Q介l了虚拟现实技术的概念、基本特征与cdQƈ从虚拟现实技术的特点和应用出发,虚拟现实技术在教育领域Q尤其是在数控技术教学中的应用,从而丰富了数控技术教学与培训的方法和手段Q提高了机电(sh)一体化数控~程实验室设?/FONT>数控技术教学的效果和质量? 关键词:(x)虚拟现实技术;数控技术;教育教学Q?SPAN class=style18>数控车床?A href="http://m.zthing.cn/asp/product_detail.asp?id=133" target=_blank>数控加工中心
?a 随着U学技术的q猛发展Q新的教学手D不断涌玎ͼl多媒体技术之后,教学技术领域又出现一U新型教学媒体,它就是虚拟现实技术。虚拟现实技术是q几q来国内外科技界关注的一个热点,它的兴vQؓ(f)人机交互界面的发展开创了新的研究领域Qؓ(f)各类工程的大规模数据可视化提供了新的描述Ҏ(gu)? 目前Q虚拟现实技术已q泛应用于航I天、医学实?fn)、军事训l、徏{设计、教育培训等众多领域。以计算Z真和数控加工技术ؓ(f)基础Q利用计机来模仿真实的数控讑֤工作环境QŞ成了虚拟数控技术,如将其应用于数控技术教学上Q必对整个教学产生p的媄响? 1 虚拟现实技术简q?
虚拟现实数控铣床技术,单地_(d)是借助于计机技术及(qing)g讑֤Q实CUh们可以通过视、听、触、嗅{手D|感受到的虚拟qd。虚拟现实作Z尖端科技Q它集成了计机囑Ş技术、计机仿真技术、h工智能、传感技术、显C技术、网lƈ行处理等技术的最新发展成果,p机囑Ş构成三维数字模型Qƈ~制到计机中去生成一个以视觉感受ZQ也包括听觉、触觉的l合可感知的人工环境Q提供给Z通过计算机对复杂数据q行可视化操作与交互的一U全新方式。虚拟现实的最大特Ҏ(gu)用户可以用自然方式与虚拟环境q行交互操作Q改变了q去人类除了亲nl历Q就只能间接了解环境的模式,从而有效地扩展了h们的认知手段和领域? 2 虚拟现实pȝ的基本类? Ҏ(gu)用户教学型数控R?/FONT>参与虚拟现实的不同Ş式,可把虚拟现实pȝ划分成四c:(x) 3.1桌面式虚拟现实系l? 桌面式虚拟现实系l也UCؓ(f)易型虚拟现实pȝQ它是利用个机和低U工作站q行仿真Q将计算机的屏幕作ؓ(f)用户观察虚拟境界的一个窗口,使用者通过键盘、鼠标便可与虚拟环境q行交互。这U系l的特点是结构简单、h(hun)g廉,因此应用比较q泛Q是一套经实用的pȝ。但桌面式虚拟现实系l会(x)受到周围现实环境的干扎ͼ参与者缺完全的沉浸Q缺乏真实的现实体验? 3.2沉浸式虚拟现实系l? 沉浸式虚拟现实系l是一U高U的虚拟现实pȝQ它提供一个完全沉的体验Q用户有一U置w于虚拟境界之中的感觉。它利用数控车床l修实训?/FONT>头盔式显C器或其?A href="http://m.zthing.cn/asp/product_detail.asp?id=160" target=_blank>数控l修实验?/FONT>讑֤Q把参与者的视觉、听觉和其它感觉闭hQƈ提供一个新的、虚拟的感觉I间Qƈ利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者生一Un临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。沉式虚拟pȝ是一套比较复杂的pȝQ它的优Ҏ(gu)用户全n心地沉浸到虚拟世界中去,~点是系l设备h(hun)格昂贵,难以普及(qing)推广? 3.3增强式虚拟现实系l? 增强式虚拟现实系l是把真实环境和虚拟环境l合在一L(fng)一U系l,它既允许用户看到真实世界Q同时也可以看到叠加在真实世界的虚拟对象Q这U系l既可减对构成复杂真实环境的计,又可对实际物体进行操作,真正辑ֈ亦真亦的境界? 3.4分布式虚拟现实系l? 分布式虚拟现实系l是利用q程|络Q将异地的不同用戯lv来,多个用户通过|络同时参加一个虚拟空_(d)共同体验虚拟l历Q对同一虚拟世界q行观察和操作,辑ֈ协同工作的目的,从而将虚拟现实的应用提升到了一个更高的境界? 3. 虚拟现实技术的基本特征 虚拟现实技术具有以下四个基本特? 沉浸性——指用户感到作ؓ(f)数控车床l合实训考核装置主角存在于模拟环境中的真实程度。虚拟现实技术是Ҏ(gu)人类的视觉,听觉的生理心理特点,p机产生逼真的三l立体图像,使用者戴上头盔显C器和数据手套等交互讑֤Q便可将自己|n于虚拟环境中Q用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用,如同在现实世界中的一栗? 交互性——指用户Ҏ(gu)拟环境内物体的可操作E度和从环境得到反馈的自然程度。虚拟现实系l中的hZ互是一U近乎自然的交互Q用者不仅可以利用电(sh)脑键盘,鼠标q行交互Q而且能够通过Ҏ(gu)头盔Q数据手套等传感讑֤q行交互? 多感知性——是指除了一般计机技术所h的视觉感知之外,q有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知,甚至包括呌感知、嗅觉感知等。由于虚拟现实系l中装有视、听、触、动觉的传感?qing)反应装|,因此Q用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉等多种感知Q从而达到n临其境的感? 构想性——是指虚拟现实技术具有广阔的可想像空_(d)可拓宽hcȝ认知范围Q不仅可再现真实存在的环境,也可以随意构惛_观不存在的甚x不可能发生的环境Q它不仅可实现实物虚化,q可实现虚物实化{处理? 4 虚拟现实技术在教育教学中的实现意义 随着计算机、信息、网l等相关技术的发展Q计机作ؓ(f)一U高效能的信息传播工P数控铣床甉|控制与维修实训台在教育教学过E中得到来广泛的应用Q如果将虚拟现实技术作ZU新兴的教学媒体应用到教育教学中Q这U崭新的技术会(x)带给我们崭新的教育思维Q解x们以前无法解决的问题? 4.1虚拟现实技术开创了全新的学?fn)场景——彻底打破空间、时间的限制 利用虚拟现实技术,可以d打破I间的限Ӟ学生可以q入物体的内部进行观察,如学生可以进入虚拟的分子、原子、航天工作站{内部,考察物体内部的工作情c(din)虚拟技术还可以H破旉的限Ӟ一些需要几十年甚至上百q才能观察的变化q程Q通过虚拟现实技术,可以在很短的旉内呈现给学生观察。虚拟制造技术还可以应用计算机、交互外讑֏(qing)软g来构Z个虚拟的生环境Q学生能如同在刉现ZP与荧屏上出现的制造过E进行自׃。基于网l的虚拟现实技术ؓ(f)学习(fn)者提供了全新的学?fn)场景,构造出开放性的教学环境? 4.2虚拟现实技术提供了崭新的教学手D——构建实物虚化、虚物实化的Ҏ(gu) 通过虚拟现实、多媒体、网l等技术的l合应用Q可在课堂和数控车床实训考核讑֤实验室中展现在传l的教学模式中无法实现的教学q程。虚拟现实技术可以对学生学习(fn)q程中所提出的各U假设模型进行虚拟和虚物实化Q通过虚拟pȝ便可直观地观察到q一假设所产生的结果或效果。虚拟现实系l可以进行实物虚化,虚拟各种人物Q创拟课堂,在虚拟的译֠气氛中,学生可以与虚拟的教师、学生一起交讨论,开展启发式教学。运用虚拟现实技术,q可以学生通过在虚拟场景的w(f)其境和自L制的人机交互Q由视、听、触、觉获取外界的反应,通过学生自我l织Q制定ƈ执行学习(fn)计划Q进行自我评P开展适应式学?fn)。还可通过组或团队的形式Q组l学生进行学?A href="http://m.zthing.cn/asp/product_detail.asp?id=170" target=_blank>数控仿真软gQ成员间׃n成果Q开展协作式教学? 4.3虚拟现实技术变革了传统学习(fn)方式——营造开放性的|上探烦学习(fn) q用虚拟现实技术,H破传统教科书的限制Q每一位学?fn)者都可以Ҏ(gu)自己的学?fn)特点,在自己方便的旉从互联网上自由地选择适合的学?fn)资源,按照适合于自q方式和速度q行学习(fn)Q这U探索性的学习(fn)Q有利于Ȁ发学生的创造性思维Q学习(fn)者在具体情境中通过d的探索获得知识,从而提高学?fn)者的动力? 4.4虚拟现实技术丰富了译֠教学内容——展C全方位、多角度的教学内? 利用虚拟现实技术,可丰富教?A href="http://m.zthing.cn/asp/product_detail.asp?id=170" target=_blank>数控车床实验?/FONT>内容Q将实验、实训等技能训l?A href="http://m.zthing.cn/asp/product_detail.asp?id=170" target=_blank>数控车床实验?/FONT>搬到译֠中进行,׃q些虚拟的训l系l无M危险Q学生可以反复练?fn),直至掌握操作技能ؓ(f)止。应用虚拟现实技术,q可恰如其分地演CZ些复杂的、抽象的、不宜直接观察的自然q程和现象,全方位、多角度地展C教学内宏V利用计机多媒体技术,制作各种仿真课gQ创设所需要的某种虚拟情景Q让学生q行模拟实验Q从而极大丰富课堂的教学内容?
4.5虚拟现实技术节U了有限的教育成本——开展虚拟实验、进行虚拟生? 虚拟各种实验讑֤、实训环境和操作q程Q大多数课E可以在虚拟实验室中q行Q大多数的技能可以在虚拟实训车间中进行训l,从而不必购|昂늚实验实训讑֤。可以在节约大量昂贵的A器设备费用的前提下,解决在教学中Q因为实验设备、实验场地、教学经费等斚w的原因而无法进行的教学实验Q虚拟训l又可避免实验实训设备的损坏、训l材料的消耗等问题Q从而有效节U教育成本? 5 虚拟现实技术在数控技术教学中的应? 随着我国l济的飞速发展,C会(x)各行业对刉业提出了更高的要求Q数控技术是C机械刉业的核心技术,其技术的应用水^直接媄响品的加工水^。在C数控技术h才极度缺乏的情况下,如何最新、最实用的数控技术高效地传授l数控技术学?fn)者,是数控技术教学要着重考虑的问题。由于数控技术教学和培训都离不开数控机床Q而数控机床本wh(hun)格比较昂贵,限制了学校的购买能力Q若采用计算机徏模和仿真技术来模拟实际的数控加工环境,同样可以让学生尽快熟(zhn)数控机床的加工环境与真实的加工q程Q从而提高数控技术的教学效果和教学质量。虚拟现实技术可从以下几斚w应用在数控技术教学上? 5.1利用虚拟现实技术实现数控教学A器、设备、加工品的立体展示 在传l教学中Q学生只有通过在书本上察看机床甉|?sh)\实训考核鉴定装置各种教学仪器讑֤的^面图形,或在现场观察实际的教学设备外形来获得各种感性认识。^面的囑Ş限制了学生的I间惌能力Q实际现场教学又增加了学校的投入。采用用虚拟现实,我们可以构徏一个与实物同样的三l物体,如采用Pro/E建模Q将各种教学仪器、设备和产品q行实物虚化Q将q些物体以立体Ş式存攑֜虚拟教室中,我们只要q入q个虚拟I间Q就可随旉地地认识q些仪器讑֤Q而且可观察到讑֤内部的结构,可辅助数控技术教学的学习(fn)q程Q增强理解能力,提高学习(fn)效果。 5.2利用虚拟现实技术进行模拟实验和仿真教学 在教学中Q许多昂늚实验、培训器材,׃受h(hun)格的限制而无法普?qing)或有许多实验是?gu)不可能做的,如果利用虚拟现实技术,建立虚拟实验室,学习(fn)者便可以走进q个虚拟实验室,w(f)其境般的操作虚拟仪器Q如q行各种虚拟的数控系l的q接与组装。这U实验既不消耗器材,也不受场地等外界条g限制Q可重复操作Q直臛_出满意结果。虚拟实验室的另一优点q在于其l对的安全性,不会(x)因操作失误而造成n事故? 另外Q我们还可利用虚拟仿真技术,制作虚拟仿真软gQ在多媒体计机上进行数控机床操作面板的认识操作训练Q进行模拟编E训lƈ产生加工l果的仿真,可有效地解决教育机构实验条g与实验需求,实验效果之间的矛盾? 5.3利用虚拟现实技术实现的数控加工仿真教学pȝ 随着虚拟现实技术及(qing)计算机技术的发展Q出C可以万能机床?sh)\实训考核鉴定装置机床加工环境?qing)其工作状态的计算Z真加工系l,q就是某一特定数控pȝ借助计算Y、硬件的功能Q通过实验者的控制在计机上演C,分析数控加工从零件设计图到动态切削演C的实现的全q程。仿真机床操作的整个q程包括Q毛坯定义、工件装夏V压板安装、基准对刀、安装刀兗机床手动操作等内容?虚拟数控加工仿真教学pȝ完全模拟真实零g的加工过E,可以验各U数控指令是否正,能提供与真实机床完全相同的操作面板,其调试、编辑、修改和跟踪执行{功能也一应俱全。学?fn)者可w(f)其境的操作各cL控加工设备,能有充分的机?x)去l习(fn)数控加工中的常用操作Q如基本q行方式的选择操作、对刀操作、补偉K的确定及(qing)输入输出操作和程序的~辑修改操作{。解决了初学数控技术者需要的大量操作l习(fn)Q提高了机床操作训练的时间。把数控加工仿真教学pȝ引入到教学之中,q样既可以避免因误操作造成h昂贵的数控机床的损坏Q又可以使操作h员在对仿真数控机床操作过E中产生现场感和真实感。同时由于其成本较低Q可以大量地配置l端Q彻底解决了数控机床数量不的难题,使每位学生都能有_多的实践Z(x)Q从而ؓ(f)数控技术教学提供良好的教育q_? 5.4实现虚拟仿真教学与真实生产加工的联系 数控加工仿真教学pȝ既能单机pȝ独立q行Q又能实现在U运行。独立运行即机床甉|?sh)\仿真实训考核装置方式Q其培训设施只需一台计机Q数控机床的模拟操作在显C屏昄的仿真面板上q行Q而零件切削过E由机床模型通过三维动画演示。在U运行即机床工作方式Q在q种方式下,教学pȝ与实际机床q接Q由g实现零g切削q程Q这旉了操作者是用仿真面板操作外Q其它则与实际机床的真实情况一栗由于数控加工仿真教学系l具有完善的囑Ş和标准数据接口,用户既能在真实的环境中运行虚拟机床,又能观察它的各种q行参数Qƈ能将其他CADQCAM软gQ如Pro/E、UG、Mastercam{生的三维设计后置处理的NCE序Q直接调入加工? 5.5虚拟现实技术可实现|络数控培训?qing)考核 虚拟数控机床强大的网l功能,可实现远E教育培训,它不仅在局域网上具有双向互动的教学功能Q还hZ互联|进行双向互动的q程教学功能Q数据传送可以采用卫星、宽带等方式q行。这使得数控培训q程教学名副其实Q而且q可采用q程|络学习(fn)、作业、考试{功能,q实现答卷保存、自动评分、成l查询和分析{功能,L实现无纸化的考核与测评? 6 虚拟现实技术在教育应用中存在的问题?qing)展? 可以预测Q随着l济和技术的不断发展Q虚拟现实技术将日益q泛地应用于教育教学领域。但目前的虚拟现实技术还存在一定的问题Q主要表现在Q? 6.1虚拟环境与真实生产的差异 学生在虚拟的环境中学?fn),与在真实?SPAN class=style17>数控l修实验?/FONT>生中训l毕竟不同,因ؓ(f)如果仅考虑交互的真实性,那么无论如何w(f)其境Q真正动手操作机器的效果要强于Q何媒体教学。因此,虚拟现实技术不能完全代替具体真实的操作Q它只能在一定程度上代替某些实验Q而不能完全代替实跉|学,其不能代替有创造性目的的试验? 6.2虚拟现实的效果还有待加强 虚拟现实的表CZ重于几何表示Q缺乏逼真的物理、行为模型,虚拟现实技术在感知斚wQ视觉合成研I的较多Q听觉、触觉关注较?yu),真实性与实时性不I其虚拟的效果q需要进一步加强? 6.3g环境q有待提? 与虚拟现实技术相关的讑֤普遍存在使用不方便,效果不佳{情况,难以辑ֈ虚拟现实pȝ所需的要求,如中心计机的处理速度q不于满在虚拟世界中巨大数据量处理实时性的需要,Ҏ(gu)据存储能力也不Q基于嗅觉、味觉的讑֤q没有成熟及(qing)商品化。硬件设备品U有待进一步扩展? 6.4实现成本问题q有待降? 虚拟现实pȝ应用的相兌备h(hun)g比较昂贵Q且q些讑֤局限性很大,需要进一步发?SPAN class=style17>数控车床l修实训?/FONT>其结构和刉技术,使其dy化和降低成本Q才能更有利于推q应用? 虚拟现实技术作ZU新型的教学媒体Q目前已引v教育界的极大x。随着计算机技术的发展Q虚拟现实的g与Y件成本的逐渐降低Q这U新的教学媒体必广泛应用于教育教学中,最l在C教育领域中发挥其重要作用?/P> 信息来源Q?/div>
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