虚拟现实在数控机床编程中的应用

为了简化机器编程，可以想象一台计算机数控(CNC)机床，它可以使用虚拟现实技术与操作员交互，使编程更简单、更快。

数控机床配备了各种接口，使其能够使用各种功能进行控制和编程，以支持操作员在编制加工程序的过程中。然而，数控机床，特别是五轴机床的操作，需要熟练的操作人员，特别是在基本编程知识的范围内。

有一个扩大的趋势，更直观和易于使用的机床控制系统。编程基本的技术操作应该足够简单和直观，不会给普通操作人员造成困难。来自西波美拉尼亚理工大学机电一体化中心的研究团队提出了一种解决方案，通过引入一种机床的手动控制和编程技术。如图所示，操作员可以使用适当的杠杆手动移动机床的主体元件，这些杠杆测量施加的力，并根据其值为机床控制系统提供正确的速度。这使得机器组件可以随着操作员的移动而移动。通过应用该技术，操作者可以教机床运动轨迹，并将单个运动序列保存在加工程序中。

采用虚拟现实(VR)技术，实现了在机床外的离线模式下对机床进行模拟编程。所开发的系统中使用的VR技术使操作员能够手动移动虚拟模型上的机床组件。介绍了数控机床编程虚拟现实系统的设计。

操作界面

所设计的操作界面由输入输出元件和驱动程序组成，以实现这些设备与PC机的通信。所设计系统的输入设备包括数字手套、操作员上肢运动扫描仪、头部跟踪系统和操作员身体定位系统。使用5DT数据手套5 Ultra测量左手和右手五指的平均手指屈曲度。设计并建造了两个扫描仪来测量手臂的运动。左上肢的扫描仪基于方向传感器，而右上肢的扫描仪基于带有电位器的机械结构。

第一种扫描仪使用Analog Devices公司的ADIS16405传感器，配备一个三分量加速度计、一个三分量陀螺仪和一个三分量磁强计。在意法半导体公司生产的SMT32微控制器上实现了磁、角速率和重力定向滤波器。

系统通过USB接口与PC机通信。通过使用简单的运动学测量上肢主要关节的方向，可以确定操作员手臂在空间中的位置。ADIS16405传感器跟踪操作员的头部和躯干方向。

输出元素是一个eMagine HMD(头戴式显示器)，包括两个为左眼和右眼呈现独立图像的显示器。利用图像的立体显示，操作员可以判断VR空间中物品的距离。图1展示了所设计接口的输入和输出元素的示意图。

VR仿真程序的设计目的是接收来自输入接口的所有信号，对其进行处理和解释，并在其基础上实时生成立体图像，这是操作员所执行操作的反映。该系统是用c++编写的，使用OpenGL图形库。

不写程序

主要目标是使操作员能够编程数控机床，而不需要编写程序。这是通过为操作员提供捕获生成的机床三维主体元素、移动它们并执行各种控制手势的可能性来实现的。操作符的适当手势启用:

• 检索保存或删除轨迹点的功能
• 更换工具
• 命令生成g码。

加工过的工件显示在机床上。操作员最初可以通过抓住墙壁并将它们拉向预定的方向来确定它的大小。操作者抓取并移动虚拟工作台和机床主轴箱，生成刀具在工件系统中的运动轨迹。如果刀具穿过物品，就有可能看到加工所产生的效果。操作员可以通过使用OK手势，抬起拇指来保存设置的位置，或者通过使用拇指向下的手势删除保存的点。点与有关工具及其工作参数的信息一起存储。操作者可以通过适当的手势来改变工具及其参数。最后，操作员可以通过举起左手和右手的拇指来发出生成g代码的命令。操作员可以在虚拟现实环境中移动，并通过移动头部来查看设置。

直觉，声音，反馈

所设计的系统实现了所设想的功能，直观易用。它是基于使用控制杠杆对实际机床进行编程所获得的经验。系统根据所执行操作的结果进行观察。图3展示了到目前为止所实现的工作以及为未来计划的任务。系统的进一步扩展将包括增加语音控制功能，以及声音反馈。

该研究部分由波兰科学和高等教育部项目No。NN503 243 138，题为“手动数控机床编程原型系统的项目开发和实验研究”。

- mirossawaw Pajor博士，DSc, ZUT教授，Kamil Stateczny硕士，和Krzysztof Pietrusewicz博士，DSc，西波美拉尼亚理工大学，什切申，研究开放架构控制系统的自诊断智能CNC加工。他们也是贡献者控制工程波兰．由CFE Media内容经理马克·t·霍斯克编辑，控制工程而且设备工程，mhoske@cfemedia.com．

在线

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www.controlengineering.pl

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