CN106599418A - 一种轧制前滑测定虚拟实验方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轧制前滑测定虚拟实验方法，包括：策划和设计虚拟实验方案；采集整理现场实验数据和实验现象；建立虚拟实验的3D场景模型；得到实验操作模型；结合3D场景模型、实验操作模型、数据库、实验学习模块、实验考核模块得到3D仿真实验模型；运行3D仿真实验模型，基于3D仿真实验模型中的人机交互界面进行实验原理、实验方法的学习以及可重复性仿真实验的操作，并记录操作者的操作过程和关键数据的输入输出情况；系统通过记录的操作者的操作过程和关键数据的输入输出情况对实验结果进行评估；在后台数据库记录用户的实验操作、实验数据和评估结果。本发明具有优秀的可视化效果、高度的沉浸感和良好的交互性，大大降低了实验成本和风险。

Description

一种轧制前滑测定虚拟实验方法及系统

技术领域

本发明涉及虚拟仿真技术领域，尤其涉及一种轧制前滑测定虚拟实验方法及系统。

背景技术

在轧制过程中，在高度方向受到压缩的金属，一部分沿着纵向流动，使轧件形成延伸，另一部分金属沿着横向流动，使轧件形成宽展。轧件的延伸是被压下的金属向轧辊入口和出口两个方向流动的结果。在轧制过程中，轧件出口速度大于轧辊在该处线速度的现象称为前滑现象。轧制前滑现象是轧制基本原理的一部分，是轧制过程研究基础性内容。理解前滑现象是深入学习轧制原理的基础，前滑值的测定实验也是进行某些轧制原理和模型研究的必要手段。因此，在与冶金行业相关的企业、高校、大专院校及科研院所往往都会设有相关实验设备或课程。

然而，无论是企业、高校、大专院校，还是科研院所，操作人员都是预先通过教材或实验手册上的内容学习实验内容，然后在实验室按照操作步骤说明一步一步地进行实验。一方面，受硬件和空间成本的限制，实验设备的数量往往很有限，难以实现较多人同时进行实验；另一方面，实验过程中容易发生意外，损坏实验设备仪器，甚至造成实验人员伤亡，实验室安全很难保证；再有，对于教学用途的实验，学生仅通过理论知识和一次性的实验操作很难完全理解掌握，达不到很好的学习效果。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种轧制前滑测定虚拟实验方法及系统，用以解决现有技术安全性低，效果较差的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种轧制前滑测定虚拟实验方法，包括以下步骤：

步骤S1：策划和设计虚拟实验方案；

步骤S2：采集整理现场实验数据和实验现象；

步骤S3：基于采集的实验数据和实验现象，建立虚拟实验的3D场景模型；

步骤S4：基于虚拟实验的3D场景模型和实验操作步骤，得到实验操作模型；

步骤S5：结合3D场景模型、实验操作模型、数据库、实验学习模块、实验考核模块得到轧制前滑测定实验的3D仿真实验模型；

步骤S6：运行3D仿真实验模型，基于3D仿真实验模型中的人机交互界面进行实验原理、实验方法的学习以及可重复性仿真实验的操作，并记录操作者的操作过程和关键数据的输入输出情况；

步骤S7：通过记录的操作者的操作过程和关键数据的输入输出情况对实验结果进行评估；

步骤S8：在后台数据库记录用户的实验操作、实验数据和评估结果。

所述步骤S3中，建立虚拟实验的3D场景模型具体包括：对实验环境、实验设备、实验结果进行场景建模。

所述步骤S4中，得到实验操作模型的过程包括对人机交互界面以及标准实验操作步骤的参数和步骤进行编辑和设计。

所述3D场景模型中的实验环境、实验设备、实验结果在实验操作模型中体现；

所述实验操作模型中虚拟实验的操作对象是3D场景模型中的实验设备，虚拟实验的操作结果是3D场景模型中的实验结果，虚拟实验的环境具体由3D场景模型中的实验环境来表达。

所述步骤S5具体包括，将3D场景模型导入虚拟实验操作模型，建立实验操作模型在3D场景模型中的可视化效果和逻辑控制，再加入实验学习模块、实验考核模块、数据库，得到3D仿真实验模型，并对场景的效果和人机交互模块进行调试。

所述可视化效果包括：对实验操作练习模块的操作项进行高亮显示，实验轧机、实验结果展示；实验结果展示的可视化效果是基于采集的实验现象进行编辑、渲染的；

所述逻辑控制是指3D仿真实验模型中的实验操作模型与3D场景模型要素之间的调用和控制等交互，具体包括：实验操作模型调用3D场景模型中的要素，进行参数输入控制，3D场景模型给出相应的实验结果展示。

所述实验操作练习模块，还包括数据处理模块，所述数据处理模块用于利用后台数学模型，对实验数据进行自动计算处理，获得最终实验数据和曲线；

所述实验考核模块在实验操作逻辑的基础上，在关键步骤或参数调整位置设置考核点，并且不提供操作步骤提示，数据处理过程需要操作人员自行计算并输入；

所述数据库用于存储各模型要素、用户操作、实验结果和考评结果。

所述步骤S6中，用户通过对键盘和鼠标的操控对实验的虚拟场景进行多角度观察和转换，通过调节镜头的远近对实验进行细节的观察，通过设备“亮光”提示和界面“提示语”提示的方式进行操作练习，通过多次实验和测量提高实验数据的准确性。

包括：高性能虚拟环境处理计算机、输入模块、传感器模块、应用处理模块、输出模块和通信模块；

所述传感器模块为体感设备，连接到高性能虚拟环境处理计算机上，通过体感设备上设置的感应器，接收用户的动作或语音信息，并完成信号的转换，体感设备包括但不限于穿戴式手套、穿戴式手柄、手持式控制器、红外线控制器；

所述应用处理模块用于制作和编辑3D场景模型；

所述显示输出模块包括头戴显示器和非头戴显示器；所述头戴显示器通过各种头戴式显示设备，向眼睛发送光学信号，通过感应人们眼部活动，接受指令，再呈现图像；所述非头戴显示器是指不需佩戴在头部的显示设备。

本发明有益效果如下：

本发明将虚拟现实技术与真实的轧制前滑实验过程相结合，可以高度模拟真实的轧制前滑测定实验过程，将理论学习、实验练习和实验考核相结合，层层递进，具有优秀的可视化效果、高度的沉浸感和良好的交互性，极大地提高了学习效果，并获得符合真实实验趋势和逻辑的仿真实验结果，大大降低了实验成本和风险，同时也提高了实验教学效果；无需任何真实的实验场地、设备和材料，极大地降低了成本，同时也避免了安全风险，具有普遍性推广价值，在仿真、教育培训、虚拟实验等应用场合具有良好的应用前景。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是本发明轧制前滑测定虚拟实验方法的流程示意图；

图2是本发明轧制前滑测定虚拟实验系统的操作流程图；

图3(a)是本发明轧制前滑测定虚拟实验学习模块试验台示意图；

图3(b)是本发明轧制前滑测定虚拟实验学习模块轧机示意图；

图4是本发明轧制前滑测定虚拟实验考核模块示意图；

图5是本发明轧制前滑测定虚拟实验系统的考核结果及评价图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明实施例提供了一种轧制前滑测定虚拟实验系统，包括：高性能虚拟环境处理计算机、输入模块、传感器模块、应用处理模块、输出模块和通信模块。

所述高性能虚拟环境处理计算机包括控制模块和存储模块；

其中，所述控制模块用于实验过程中获取用户的输入信息、运行实验控制程序、对用户进行操作步骤提示、根据用户的操作得出实验数据和考核结果以及将实验数据和考核结果进行输出等；

所述存储模块用于存储虚拟实验室3D仿真实验模型以及记录用户实验操作、实验数据和考核结果；

所述输入模块用于将用户个人信息及操作指令输入至高性能虚拟环境处理计算机，输入模块包括鼠标、键盘、触摸屏以及手写笔等输入装置；

所述传感器模块为体感设备，连接到高性能虚拟环境处理计算机上，通过体感设备上设置的感应器，接收用户的动作或语音信息，并完成信号的转换，体感设备包括但不限于穿戴式手套、穿戴式手柄、手持式控制器、红外线控制器等；

所述应用处理模块用于制作和编辑3D场景模型，采用的软件包含但不限于3DMAX、Maya、CAD、Unity、illustrator、Photoshop、RealFlow、Adobe Premiere、After Effects等；

所述输出模块包括显示输出模块和语音输出模块；

其中，所述显示输出模块包括头戴显示器和非头戴显示器；

具体地，所述头戴显示器通过各种头戴式显示设备，向眼睛发送光学信号，通过感应人们眼部活动，接受指令，再呈现图像。包括但不限于：iPhone虚拟现实显示器、微软Kinect、Oculus Rift、三星Gear VR、微软HoloLens、VR Motion Controller、Virglass、索尼HMZ系列、暴风魔镜、Google Cardboard等；

所述非头戴显示器是指不需佩戴在头部的显示设备，包括但不限于显示器、投影仪等；

所述语音输出模块用于输出语音提示用户进行操作练习；

所述通信模块用于传输用户信息、实验课题等数据，包括无线通信接口、USB接口和视频输出接口；

其中，所述无线通信接口用于与其他具有相同虚拟实验室系统的设备进行通信以及输出用户实验操作记录、实验数据以及考核结果；

所述USB接口用于用户上传和下载数据；

所述视频输出接口用于连接显示输出模块，将实验内容和过程传输至显示输出模块。

本发明实施例还提供了一种轧制前滑测定虚拟实验方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1：策划和设计虚拟实验方案。

具体地，根据轧制前滑测定实验的要求制定虚拟实验方案。

步骤S2：采集整理现场实验数据和实验现象。

其中，所述实验数据来源于实验现场的观测，具体包括对实验现场中实验操作和实验现象的精确测量，得到多组真实实验数据。

步骤S3：基于采集的实验数据和实验现象，建立虚拟实验的3D场景模型。

所述建立虚拟实验的3D场景模型具体包括：对实验环境、实验设备、实验结果进行场景建模；

具体地，通过程序软件按照真实实验室中二辊冷轧实验轧机、实验台、游标卡尺等的比例关系建立虚拟实验环境、实验设备、实验结果的3D场景模型。

步骤S4：基于虚拟实验的3D场景模型和实验操作步骤，得到实验操作模型。

具体包括：对人机交互界面以及标准实验操作步骤的参数和步骤进行编辑和设计。

3D场景模型中的实验环境、实验设备、实验结果在实验操作模型中体现。实验操作模型中虚拟实验的操作对象是3D场景模型中的实验设备，虚拟实验的操作结果是3D场景模型中的实验结果，虚拟实验的环境具体由3D场景模型中的实验环境来表达。

轧制前滑测定的标准实验操作步骤如图2所示，具体包括：

1、点击游标卡尺测定轧制铅样上、中、下厚度取得平均值；

2、调节辊缝至4.300mm；

3、将铅样放置于轧机辊缝位置，启动轧机；

4、关闭轧机，点击游标卡尺测量铅样上、中、下厚度取平均值；

5、点击钢尺，测量两个凸点间距；

6、将辊缝分别调节到3.610、2.920、2.213、1.520重复步骤3-步骤5，测定厚度和凸点间距；

7、同样的方法进行润滑铅样的实验；

具体地，实验前在铅样的表面涂抹润滑油，按照步骤1-步骤6对铅样进行五次轧制实验测定厚度和凸点间距；

8、查看两组实验的实验数据；

9、点击绘制曲线进行曲线绘制。

步骤S5：结合3D场景模型、实验操作模型、数据库、实验学习模块、实验考核模块得到轧制前滑测定实验的3D仿真实验模型。

具体地，将建好的3D场景模型导入虚拟实验操作模型，建立实验操作模型在3D场景模型中的可视化效果和逻辑控制，再加入实验学习模块、实验考核模块、数据库，得到3D仿真实验模型，并对场景的效果和人机交互模块进行调试。

具体地，上述可视化效果包括：对实验操作练习模块的操作项进行高亮显示，实验轧机、实验结果展示等；实验结果展示的可视化效果是基于采集的实验现象进行编辑、渲染的；

上述逻辑控制是指3D仿真实验模型中的实验操作模型与3D场景模型要素之间的调用和控制等交互，具体包括：实验操作模型调用3D场景模型中的要素，进行参数输入控制，3D场景模型给出响应的实验结果展示；

其中，所述实验操作练习模块采用程序模拟真实的实验操作流程开发而成，基于大量人机交互操作来实现，用于为用户的操作练习提供详细的文字步骤提示，用户可重复进行实验操作练习，并且能够保证每次实验得到的实验结果不会重复；

具体地，所述实验操作练习模块，还包括数据处理模块，所述数据处理模块用于利用后台数学模型，对实验数据进行自动计算处理，获得最终实验数据和曲线；

图3(a)是本发明轧制前滑测定虚拟实验学习模块试验台示意图，图3(b)是本发明轧制前滑测定虚拟实验学习模块轧机示意图；

所述实验考核模块，如图4所示，在实验操作逻辑的基础上，在关键步骤或参数调整位置设置考核点，并且不提供操作步骤提示，数据处理过程需要操作人员自行计算并输入；

所述数据库用于存储各模型要素、用户操作、实验结果和考评结果；

优选地，对建立的3D仿真实验模型进行调试的内容包括：对程序的bug进行修改，对界面的显示结果进行修改，对考核扣分项及扣分标准进行修改等。经过上述调试，能使虚拟实验在表现形式、数据显示等方面更加真实的模拟真实实验。

步骤S6：运行3D仿真实验模型，基于3D仿真实验模型中的人机交互界面进行实验原理、实验方法的学习以及可重复性仿真实验的操作，并记录操作者的操作过程和关键数据的输入输出情况。

具体地，用户可通过对键盘和鼠标的操控对实验的虚拟场景进行多角度观察和转换，可以调节镜头的远近对实验进行细节的观察，通过设备“亮光”提示和界面“提示语”提示的方式进行操作练习，通过多次实验和测量提高实验数据的准确性。

步骤S7：通过记录的操作者的操作过程和关键数据的输入输出情况对实验结果进行评估。

具体地，如图5所示，系统可根据实验过程中的操作逻辑和实验后得到的数据结果，评价考核结果并给出考核成绩。

步骤S8：在后台数据库记录用户的实验操作、实验数据和评估结果。

具体地，所述后台数据库是指与本发明连接的网站平台数据库，在内部网站上可以查询用户的成绩，方便工作人员管理。

综上所述，本发明实施例提供了一种轧制前滑测定虚拟实验方法及其系统，所述系统严格按照真实轧制前滑实验设计制作，沉浸感强，仿真程度高，实验数据可靠。通过该系统，操作人员可以最大程度的摆脱时间、空间和硬件成本的限制，只通过一台电脑就可以对轧制前滑测定实验理论知识和实验操作进行详尽的学习和练习，极大程度的节约实验教学成本，提高教学效果，避免安全风险。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种轧制前滑测定虚拟实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：策划和设计虚拟实验方案；

步骤S2：采集整理现场实验数据和实验现象；

步骤S3：基于采集的实验数据和实验现象，建立虚拟实验的3D场景模型；

步骤S4：基于虚拟实验的3D场景模型和实验操作步骤，得到实验操作模型；

步骤S5：结合3D场景模型、实验操作模型、数据库、实验学习模块、实验考核模块得到轧制前滑测定实验的3D仿真实验模型；

步骤S6：运行3D仿真实验模型，基于3D仿真实验模型中的人机交互界面进行实验原理、实验方法的学习以及可重复性仿真实验的操作，并记录操作者的操作过程和关键数据的输入输出情况；

步骤S7：通过记录的操作者的操作过程和关键数据的输入输出情况对实验结果进行评估；

步骤S8：在后台数据库记录用户的实验操作、实验数据和评估结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，建立虚拟实验的3D场景模型具体包括：对实验环境、实验设备、实验结果进行场景建模。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，得到实验操作模型的过程包括对人机交互界面以及标准实验操作步骤的参数和步骤进行编辑和设计。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述3D场景模型中的实验环境、实验设备、实验结果在实验操作模型中体现；

所述实验操作模型中虚拟实验的操作对象是3D场景模型中的实验设备，虚拟实验的操作结果是3D场景模型中的实验结果，虚拟实验的环境具体由3D场景模型中的实验环境来表达。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括，将3D场景模型导入虚拟实验操作模型，建立实验操作模型在3D场景模型中的可视化效果和逻辑控制，再加入实验学习模块、实验考核模块、数据库，得到3D仿真实验模型，并对场景的效果和人机交互模块进行调试。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述可视化效果包括：对实验操作练习模块的操作项进行高亮显示，实验轧机、实验结果展示；实验结果展示的可视化效果是基于采集的实验现象进行编辑、渲染的；

所述逻辑控制是指3D仿真实验模型中的实验操作模型与3D场景模型要素之间的调用和控制等交互，具体包括：实验操作模型调用3D场景模型中的要素，进行参数输入控制，3D场景模型给出相应的实验结果展示。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述实验操作练习模块，还包括数据处理模块，所述数据处理模块用于利用后台数学模型，对实验数据进行自动计算处理，获得最终实验数据和曲线；

所述实验考核模块在实验操作逻辑的基础上，在关键步骤或参数调整位置设置考核点，并且不提供操作步骤提示，数据处理过程需要操作人员自行计算并输入；

所述数据库用于存储各模型要素、用户操作、实验结果和考评结果。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6中，用户通过对键盘和鼠标的操控对实验的虚拟场景进行多角度观察和转换，通过调节镜头的远近对实验进行细节的观察，通过设备“亮光”提示和界面“提示语”提示的方式进行操作练习，通过多次实验和测量提高实验数据的准确性。

9.一种轧制前滑测定虚拟实验系统，其特征在于，包括：高性能虚拟环境处理计算机、输入模块、传感器模块、应用处理模块、输出模块和通信模块；

所述传感器模块为体感设备，连接到高性能虚拟环境处理计算机上，通过体感设备上设置的感应器，接收用户的动作或语音信息，并完成信号的转换，体感设备包括但不限于穿戴式手套、穿戴式手柄、手持式控制器、红外线控制器；

所述应用处理模块用于制作和编辑3D场景模型；

所述显示输出模块包括头戴显示器和非头戴显示器；所述头戴显示器通过各种头戴式显示设备，向眼睛发送光学信号，通过感应人们眼部活动，接受指令，再呈现图像；所述非头戴显示器是指不需佩戴在头部的显示设备。