狄寶晶

（長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，西安 710064）

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三維動(dòng)態(tài)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真與大學(xué)機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的軟件建設(shè)

狄寶晶

（長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，西安 710064）

摘 要：虛擬仿真帶來(lái)了人機(jī)交互的新概念、新內(nèi)容、新方式和新方法，使得人機(jī)交互的內(nèi)容更加豐富、形象，方式更加自然、和諧。虛擬現(xiàn)實(shí)為大學(xué)各機(jī)械類實(shí)驗(yàn)室降低硬件投入及軟件建設(shè)開(kāi)創(chuàng)了新的領(lǐng)域，使學(xué)生以全新的方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，極大地提高了學(xué)習(xí)效率。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī) 虛擬仿真 實(shí)驗(yàn)室 機(jī)床剖析

引言

本文將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入到課程教學(xué)中，以CA6140普通車床為基礎(chǔ)，通過(guò)建立虛擬的機(jī)床剖析系統(tǒng)，使學(xué)生既能了解掌握機(jī)床的組成結(jié)構(gòu)、拆裝步驟和方法，同時(shí)還可以動(dòng)手進(jìn)行虛擬拆裝的操作練習(xí)，讓學(xué)生對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)、拆裝過(guò)程有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)特性

1.1 沉浸感（Immersion）

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）通過(guò)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境。當(dāng)用戶把媒體內(nèi)容當(dāng)作真實(shí)的事物來(lái)感知時(shí)，用戶就會(huì)感覺(jué)自己置身于這個(gè)媒體環(huán)境中，這種感覺(jué)就是空間臨場(chǎng)感。也就是說(shuō)，當(dāng)用戶開(kāi)始感覺(jué)自己就是媒體所創(chuàng)造的虛擬世界中的當(dāng)事者時(shí)，就使用戶產(chǎn)生一種空間臨場(chǎng)感，這就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸感（Immersion）或臨場(chǎng)參與感。

1.2 交互性（Interaction）

開(kāi)放、雙向、互動(dòng)的實(shí)展示方式，通過(guò)控制與監(jiān)視裝置影響或被使用者影響。傳統(tǒng)的發(fā)布者和用戶現(xiàn)在都成為了虛擬信息的發(fā)布者，進(jìn)而可以進(jìn)行多方位的互動(dòng)，而信息的互動(dòng)性也使得用戶實(shí)現(xiàn)由被動(dòng)到主動(dòng)的改變，即交互性（Interaction）。用戶可以使用一個(gè)鼠標(biāo)或其他跟蹤器，隨意“運(yùn)行”在發(fā)布者建立的虛擬世界中。

1.3 虛幻性（Imagination）

虛幻性，即系統(tǒng)中的環(huán)境是虛幻的，是由人利用計(jì)算機(jī)等工具模擬出來(lái)的。既可以模擬客觀世界中以前存在過(guò)的或是現(xiàn)在真實(shí)存在的環(huán)境，也可模擬出客觀世界中當(dāng)前并不存在的但將來(lái)可能出現(xiàn)的環(huán)境，還可模擬客觀世界中并不會(huì)存在的而僅僅屬于人們幻想的環(huán)境。

1.4 逼真性（reality）

虛擬仿真系統(tǒng)的逼真性表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，虛擬環(huán)境給人的各種感覺(jué)與所模擬的客觀世界非常相像，一切感覺(jué)都是那么逼真，如同在真實(shí)世界一樣；另一方面，當(dāng)人以自然的行為作用于虛擬環(huán)境時(shí)，環(huán)境做出的反應(yīng)也符合客觀世界的有關(guān)規(guī)律。

2 CA6140型普通車床剖析

2.1 CA6140型普通車床的主要結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演示過(guò)程

（1）主軸箱：a.變速操縱機(jī)構(gòu)，b.開(kāi)停操縱機(jī)構(gòu)，c.主軸結(jié)構(gòu)部件，d.摩擦離合器，e.剎車裝置。

（2）進(jìn)給箱：a.變換螺紋種類操縱機(jī)構(gòu)，b.基本組變速操作機(jī)構(gòu)，c.增倍組操作機(jī)構(gòu)。

（3）溜板箱：a.進(jìn)給操作機(jī)構(gòu)，c.超越離合器，d.安全離合器，e.互鎖裝置。

2.2 主軸箱變速操縱機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)演示過(guò)程

圖1 主軸箱變速操縱機(jī)構(gòu)

如圖1所示。主軸箱中有二套變速操縱機(jī)構(gòu)，這套操縱機(jī)構(gòu)操縱的是軸Ⅱ、軸Ⅲ上的滑移齒輪。其中，撥叉1操縱的是軸Ⅱ上的雙聯(lián)滑移齒輪，撥叉2操縱的是軸Ⅲ上的3聯(lián)滑移齒輪。他們由凸輪和曲柄控制，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一周，可使撥叉帶動(dòng)3聯(lián)齒輪變換3個(gè)嚙合位置，控制雙聯(lián)齒輪移動(dòng)的凸輪槽，由2段半徑不同的圓弧和過(guò)渡線組成，當(dāng)杠桿的磙子處于不同半徑時(shí)，會(huì)使雙聯(lián)齒輪有2個(gè)不同的嚙合位置。當(dāng)手柄轉(zhuǎn)過(guò)一周時(shí)，靠曲柄和凸輪的配合，使軸Ⅱ和軸Ⅲ的齒輪有6種不同的搭配。該機(jī)構(gòu)是軸Ⅳ和軸Ⅵ上滑移齒輪的變速操縱機(jī)構(gòu)，撥叉1撥動(dòng)的是雙聯(lián)齒輪Z80及Z50，撥叉2撥動(dòng)的是雙聯(lián)齒輪Z20及Z51，這2個(gè)撥叉都是由凸輪1的曲線控制。實(shí)際傳動(dòng)中，這兩對(duì)雙聯(lián)齒輪只需要3種搭配形式，撥叉3撥動(dòng)的是主軸上的齒式離合器M2，M2從左到右有3個(gè)位置，分別是高速傳動(dòng)、空擋和低速傳動(dòng)，手柄從1到6可得到高速傳動(dòng)和空擋、低速傳動(dòng)1、低速傳動(dòng)2、空檔、低速傳動(dòng)3

等6種不同的傳動(dòng)路線。

2.3 主軸箱開(kāi)停操縱機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)演示過(guò)程

如圖2所示。開(kāi)停操縱機(jī)構(gòu)能使主軸實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、停止、反轉(zhuǎn)，并在停車時(shí)制動(dòng)。它們之間的動(dòng)作都由一個(gè)元件齒條來(lái)控制的，齒條軸的一端聯(lián)一個(gè)滑套。齒條移動(dòng)時(shí)，滑套通過(guò)元寶銷使離合器的壓塊移動(dòng)，手柄向上，摩擦離合器左部壓合，剎車帶放松，主軸正轉(zhuǎn)。中位時(shí)，主軸停車并制動(dòng)，壓下時(shí)，離合器右部壓合，剎車帶放松，主軸反轉(zhuǎn)。

圖2 主軸箱開(kāi)停操縱機(jī)構(gòu)

3 應(yīng)用領(lǐng)域

虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，為解決和處理要巨額資金和巨大人力投入的各種問(wèn)題提供了新方法，有著投入少、見(jiàn)效快、易推廣、以軟件替代硬件、實(shí)驗(yàn)占用場(chǎng)地少，尤其是為復(fù)雜抽象的內(nèi)容及不得不承擔(dān)人員傷亡危險(xiǎn)的各種環(huán)境提供了新的解決方法等優(yōu)點(diǎn)。它在大學(xué)機(jī)械類實(shí)驗(yàn)室有著廣泛的應(yīng)用前景，如機(jī)械制造、建筑機(jī)械、筑路機(jī)械、工業(yè)設(shè)計(jì)、車輛工程、材料成型、數(shù)控技術(shù)、航空航天、鐵道車輛、無(wú)人機(jī)運(yùn)用、3D打印等，都存在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)剖析、運(yùn)動(dòng)原理、設(shè)備拆裝等，都可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

［1］戴曙主.金屬切削機(jī)床［M］.北京：機(jī)械工業(yè)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