基于虚拟现实技术的车床模拟培训系统的研究及开发

摘要

虚拟现实技术的出现为课堂教学提供了一种崭新的途径，转换了老师和学生之间的位置，学生不再单纯依靠“听”来获取知识，更多的是通过实际动手“做”来加深学习的印象。虚拟现实技术作为一门新兴的前沿技术，以其易于操控的3D特性，直观形象的人机交互，以及良好的衍生性，给教育行业带来了光明的前景，迅猛的扩散开来。
　　本课题研究的基于虚拟现实技术的车床模拟培训系统是采用虚实结合教学理念研发一款教学软件。该系统使用现下流行的虚拟现实平台Unity作为开发平台，以真实车床的操作手柄作为信号源的输入，采用软硬件配套开发的模式研究完成。本文主要讲解车床虚拟仿真模拟培训系统的开发过程，分别论述该系统中软件开发方案和硬件手柄数据采集这两个子系统的搭建流程。研究内容包括涵盖以下几部分:
　　1、模拟培训系统素材的准备。虚拟现实技术的优势在于其三维可视化、沉浸感强等方面，因此搭建一个好的培训系统，完善的三维素材是不可缺少的。素材准备阶段需要制作CA6140普通车床的三维虚拟模型、模型的材质、动画、界面UI等，使用机械专用建模软件Solid Works，构建CA6140普通车床的零件，在建模软件中组装车床整机，使用动画常用建模软件3ds Max对已有的机械模型的进行格式转换、材质调节、动画制作，最后导入虚拟现实平台中备用。
　　2、模拟培训系统软件系统的开发。该模块主要讲解了教学大纲中规定的车床教学的相关知识点的程序开发。内容包括:车床把手的移动、高亮显示车床各部分的结构及名称、动画展示车床主要传动方式、车刀结构及各参考平面的动画视频等。
　　3、模拟培训系统硬件系统的开发。该模块主要介绍使用传感器-单片机数据采集系统搜集车床手柄的运动信号，改装报废车床的外形，安装传感器和单片机等控制元件，设计传感器-单片机系统的控制电路。
　　4、模拟培训系统的安装调试。依照系统要求分别设计完成车床模拟培训系统的软件和硬件方案之后，进行整机系统的安装调试，修改完善试运行程序中不合理的地方。
　　基于虚拟现实技术的车床模拟培训系统的最大优势在于使用先虚后实的教学方式，完善车床虚拟加工的环境中操作的安全性，虚实结合的互动操作提高了使用者的参与性和体验感。虚拟的车床加工能够减少加工耗材的损耗，节约能源，良好的系统交互画面及时反馈给用户真实的加工信息，提高了学生学习的兴趣。本系统的界面简单明了，便于操作的优点对于以后类似的虚拟仿真教学软件的开发具有启迪意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的背景及研究意义

1．2 虚拟现实技术的概述

1．3 虚拟现实技术的研究现状

1．3．1 虚拟现实技术的发展历程

1．3．2 虚拟现实技术在机床领域的研究现状

1．4 本文研究内容及结构安排

1．4．1 论文的研究内容

1．4．2 论文的结构安排

第2章 车床模拟培训系统的构建

2．1 系统要求

2．2 系统的设计方案

2．2．1 系统的总体设计方案

2．2．2 子系统的结构设计

2．3 小结

第3章 车床模拟培训系统的软件设计方案

3．1 引言

3．2 软件介绍及选择

3．2．1 建模软件介绍及选择

3．2．2 虚拟现实平台的介绍及选择

3．3车床模拟培训系统的软件开发流程

3．3．1三维模型的建立及格式的转化

3．3．2 渲染效果的实现及调节

3．3．3 操作界面设计

3．3．4 典型部件的操作代码的编写

3．4 小结

第4章 车床模拟培训系统的硬件设计方案

4．1 引言

4．2 车床模拟培训系统的传感器模块设计

4．2．1 传感器技术概述

4．2．2 传感器的选择与安装

4．3 车床模拟培训系统的单片机模块设计

4．3．1 单片机技术概述及选型

4．3．2 STCl 5F2K60S2单片机的基本电路设计

4．4 小结

第5章 车床模拟培训系统的组装调试

5．1 引言

5．2 传感器一单片机控制系统的安装调试

5．2．1 传感器一单片机控制系统电路设计

5．2．2 单片机一电脑串口电路设计

5．3 虚拟现实平台对接收数据的处理

5．3．1 溜板箱的移动和主轴转速的改变

5．3．2 控制刀具切削加工零件

5．4 小结

第6章 全文总结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况