引言
虚拟现实技术( Virtual Reality，VR）是一种可对参与者直接施加视觉、听觉和触觉感受，并允许其交互地观察和操作虚拟世界的技术。它有很强的沉浸性、交互性和多感知性，正广泛应用于虚拟科技开发、虚拟手术系统、模拟战争、虚拟游戏和虚拟教育等领域。
机床结构复杂、操作步骤多、教学成本高且具有一定危险性[1]。利用虚拟现实技术与机床教学相结合设计出的仿真系统有效克服物理系统的上述缺点，并且还可以通过可靠、简约、智能及时尚的UI界面[2]将枯燥乏味的教材内容用形象的图像图形表达出来[3]，因此学习者倾向于采用虚拟现实数控机床方式开展学习[4]。
其再进一步的混合现实技术（Mixed Reality，MR）是对虚拟现实技术进行现实增强和虚拟增强，通过在现实场景呈现虚拟场景信息，在真实世界、虚拟世界和用户之间搭起一个交互反馈的桥梁纽带，将真实世界和虚拟信息融合而产生新的可视化环境，在新的可视化环境里数字对象和物理对象共存，并可以进行实时交互[5]。混合现实技术一般以智能眼镜为载体，现在多应用于医疗、游戏、航空等领域。
普通车床是主要用车刀对旋转的工件进行车削加工的机床，由工人手工操作, 生产效率低, 适用于单件、小批生产及修配，是最简单、基础的机床系统[6]。用虚拟现实技术设计出虚拟车床，用于虚拟教学、虚拟培训，对车床的结构、加工以及操作参数等方面的自主学习具有重要意义[7]。
1 虚拟实现车床数字模型的建立
本设计的设计思路为先对所选机床进行建模，并且细化可操作部分模型，然后构建机箱零件展示动画与机床实物切割演示动画，同时设计操作菜单操纵刀具的替换和重要切削参数，达成控制机床演示动画的目的，最后将演示动画和指令导入VR设备，对出现的问题进行修改，直到项目实现既定目标。
本项目预期目标有两个：首先是构建机床虚拟模型，展示机床整体结构，重点展示机床主轴箱体内重要齿轮传动结构，并对箱体零件动画展示；然后制作机床切削演示动画。通过结合虚拟现实技术，可以给技术工人“动手”操作虚拟机床的机会，达到相应的教学与训练性目的。
1.1 车床的选型
由于普通车床加工对象广，主轴转速和进给量的调整范围大，能加工工件的内外回转表面、端面和内外螺纹、加工主要由手工操作等特点，以及其功能对虚拟现实操作系统有易于展示、可操作性强的优点，以CA6140的机床模型为基础建立的车床虚拟仿真系统更具通用性和普遍性。
（1）虚拟机床模型主要结构
虚拟机床主要结构包括：虚拟床身：起到支撑作用，保证其他部件在准确的位置；虚拟刀架：由纵溜板、横溜板、上溜板和方刀架组成，可以装夹车刀，完成纵向或横向移动；虚拟主轴箱：内部装有主轴和变速传动机构，起到支撑作用，并且可以将动力传递给主轴，使主轴带动工件按需要的转速旋转，以实现主运动；虚拟进给箱：内含操纵进给运动变换的机构，有改变加工螺纹导程和改变进给量的作用；虚拟溜板箱：和刀架配合做纵向运动，能够将光杠传来的运动再传递给刀架，使刀架可以完成快速移动、纵向或横向进给、车螺纹等运动；虚拟尾座：支撑较长的工件，能够安装铰刀和钻头来加工孔。
（2）虚拟机床主要参数
床身回转直径：400 mm ；刀架上回转直径：210 mm ；最大工件长度：750，1000，1500，2000mm；主轴中心至床身平面导轨距离：205 mm。
（3）虚拟机床运动形式
车削外圆时：工件作旋转运动，消耗的功率最多，切削速度最大，为主运动; 刀具的直线移动是辅助刀具参与切削运动，为进给运动。
钻孔时：工件作旋转运动，为主运动，钻头的直线移动为进给运动[9]。
1.2 车床模型的建立与优化
（1）车床模型的建立与优化
首先依据车床各零部件的实际尺寸，应用Solidworks软件对车床整体进行等比例建模，得到格式为.stp的车床模型，再将所获得的模型导入到3DS Max中进行渲染并转化为.obj格式。
由于最初建模时部分表面过于精细，导致导出文件大于1GB。文件过大对计算机性能是个很大的挑战，经过实践导入到虚拟眼镜中会造成计算机响应过慢、操作不流畅等问题从而严重影响操作者与虚拟车床的交互性。因此，为优化操作体验，必须对模型进行优化。采取的方法是对非着重展示的部件如铭牌、进给箱内部结构、车床支架上的过多细节等进行简化，并对主轴箱齿轮面、卡盘、溜板箱和刀架等进行多边形面的修改与优化。随后在3DS Max软件中导出.obj格式时不勾选添加光影等附加选项进行压缩导出，最大程度的减小文件所占内存。最终在不影响车床整体感观的前提下成功实现将文件大小控制在30MB以下，使卡顿问题得到解决，所建模型如图1所示。
图 1 CA6140车床整体模型
（2）车床主轴传动系统模型
根据车床主轴箱内部齿轮的实际尺寸和设计图纸，应用Solidworks软件对箱体内部的齿轮传动系统进行建模，优化表面之后得到齿轮组模型如图2所示。
图 2 主轴箱齿轮传动系统模型
（3）机箱及刀具模型
机箱的建模较为简单，齿轮传动系统加上外箱套即可。根据要实现的对原始棒料的车削加工和钻削加工选择合适的车刀和钻头：车刀选用YT15(16×16)的90度外圆车刀、钻头选用材料为6542高速钢的M16麻花钻，根据上述型号建立刀具模型。
2 机床虚拟现实系统
虚拟现实系统是基于Unity平台，使用c#开发脚本构建的。虚拟现实系统的车床运动仿真主要分为两部分，一部分是切割流程，另外一部分是结构展示。
切割流程主要为：
1.毛坯料的安装。使用AR眼睛的操作系统移动毛坯料，使其吸附安装到三爪卡盘上。
2.刀具的选择。使用按钮组件切换刀具，选择刀具，并实现自动对刀安装。
3.台阶面的加工。随着刀具的进给，调用刀具移动与被切削料的函数关系，使得刀具切削时，被加工部分逐渐缩小消失，加工出台阶面。
4.换刀。使用按钮组件切换刀具，切换到钻头，并使其自动对刀。
5.孔的加工。调用钻头和钻孔被切削料的函数关系，使得随着钻头的进给，被加工料的莫西沿着该方向缩小消失，加工出孔。
6.换刀并截断。切换到车刀，并将所需的部分截断。
为了能够更好地体现车床的加工部分，还设计了UI界面来设计更换切削速度，和进给量，并使用切换贴图的功能切换不同的贴图，以此来展现不同的加工参数下加工件的区别。
此外，为更好了解车床的运动原理，认识车床内部零件结构，加深对车床的传动规律、运动链传动比、车床的运动副转换和齿轮换挡的理解，在另外的结构展示部分主要展示机床主轴箱的内部零件，做出主轴箱所有传动轴的爆炸图，用按钮组件切换并附上已知的所有参数。
3 车床虚拟现实系统虚拟实验设计与实现
基于虚拟现实技术的CA6140车床系统可实现多个环节的车床教学，包括车床外部结构认知、主轴箱零件部件认知、车床切削运动教学、车床刀具选择与更换等。
（1）车床外部结构认知实验
在车床外部结构认知实验中，早在建模阶段即突出了车床外部的重要构件，隐藏了实际车床外部的复杂冗余结构，在进行结构教学时可通过给出交互动作将整个机床旋转，观察和认识车床外部的主要结构。
（2）车床主轴箱零件展示实验
在该部分实验中，通过添加透视效果对主轴箱内结构进行了展示，还可利用控制动画将主轴箱内的构件“拿出”主轴箱，以便更细致的观察。
此处功能实现的重点是透视功能的设计，采用input函数的交互指令来实现判断透明度何时改变。如果每一帧都通过判断指令是否存在来调节透明度，会导致程序臃肿，而且此处仿真不必如此精细，所以可以通过虚拟按键来实现。实现透明度的关键脚本如下：
renderer.material.color = new color(1f,1f,1f,alpha)
（3）车床切削运动虚拟实验
系统最重要的功能是设计车床切削的虚拟实验，根据不同切削要求让实验者选择不同的刀具、切削速度、进给量，并且将这些选项放在独立的虚拟菜单中。用户参与操作后，再利用刀具移动和棒料缩小的脚本让其看到相应刀具的切削动画，如图3所示。这样的虚拟现实操作方式既提高了人机互动性，还能让实验者对机床切削运动有更加立体、直观的认识。
图 3 车床主切削运动
实现车床切削运动的重点是完成切削运动展示功能和缩放功能。切削运动包括两部分：主运动，是指轴零件的旋转；进给运动，即车刀的横向移动。主运动的实现使用一个rotate函数来控制模型的的旋转运动，设置相应虚拟按键使得工件一直保持主运动的旋转，该部分的脚本使用move函数，交互指令仍然采用input函数。
Move的关键脚本如下：
movev -= m_speed * Time.deltaTime;
movev += m_speed * Time.deltaTime;
Input的交互指令如下：
if (Input.GetKey(KeyCode.V))（其中的V可以代换为其他）。
被切削材料的缩放功能设计与已经设计好的运动功能密切相关。由于在切削工程中材料的缩放应该和进给量相等，所以在调试脚本参数时考虑将进给运动的虚拟按键赋予缩放功能，使用一个虚拟按键，以相等的速度来完成加工。缩放功能的实现采用c#脚本，以unity自带的scale属性来缩放，使用scale函数来控制物体的缩放，交互指令仍然采用input函数。
Scale的关键脚本如下：
ty -= m_speed * Time.deltaTime;
this.transform.localScale = new Vector3(1, ty, 1)。
4 结语
本设计通过分析CA6140普通车的各项优点，结合虚拟现操作系统的设计需求，选定设计对象。利用SolidWorks建立对应机床的原始模型，再将机床模型冗余结构进行简化、对主轴箱和刀架等重要部件进行精细化处理得到所需机床模型。利用Unity 3D软件使用C#语言编程建立虚拟环境，依据车床切削、铰孔的步骤分别对机床的各个运动部件添加运动动画。设计出的机床操作系统将虚拟现实技术与机床模型相结合，导入Holoens后能够实现虚拟环境下的人机交互，提高了机床教学的互动性、虚拟操作的即时性，同时规避了现实机床操作的安全隐患、减少了经济成本。该操作系统的建立实现了“实幻交织”，也为日后使用虚拟设备控制不同实际机床的数字孪生领域提供了经验。
参考文献
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[2] 鲁言辉. 机床组合夹具虚拟仿真实验教学系统的研究与开发[D].山东建筑大学,2020.DOI:10.27273/d.cnki.gsajc.2020.000003.
[3] 董升忠.虚拟现实技术在数控机床装调与维修中的应用探究[J].中国设备工程,2020(08):59-60.
[4] 郭建,汪广扩,刘莹.基于虚拟现实技术的车床教学训练系统的研究[J].激光杂志,2013,34(01):59-60.
[5] 刘俊英,梁丰.基于混合现实的五轴数控机床全息教学应用系统开发[J].机电工程技术,2020,50(10):87-92.
[6] 厚国旺,陈清奎,高博,朱肖龙,焦守群.基于虚拟现实技术的CACA6140车床仿真教学系统开发[J].机电技术,2018(05):48-51+88.DOI:10.19508/j.cnki.1672-4801.2018.05.014.
[7] 蔡宝,石坤举,朱文华.基于虚拟现实技术的车床仿真系统[J].计算机系统应用,2018,27(05):86-90.DOI:10.15888/j.cnki.csa.006342.
[8] 卢秉恒.机械制造技术基础.北京:机械工业出版社.2004
[9] 陈益,马保献.常见机床切削运动形式的解析[J].河南科技,2013(10):76.
作者简介：
郝雪弟（1974.03--）男，机械电子工程系副教授，主要研究方向：煤矿生产设备智能化。
王硕（2001.05--）男，山东菏泽人，本科在读，主要研究方向：机械工程及其自动化。
韩世贸（2000.05--）男，贵州遵义人，本科在读，主要研究方向：机械工程及其自动化。
姜一博（2001.08--）男，吉林松原人，本科在读，主要研究方向：机械工程及其自动化。
孟敬伟（2000.06--）男，甘肃兰州人，本科在读，主要研究方向：机械工程及其自动化。
