虛擬現實技術在機床夾具課程中的應用與實現

機床夾具結構形狀復雜，內容抽象，在機床夾具設計課程中采用傳統的教學方式令學生難以理解和掌握。針對存在的現狀，將虛擬現實技術應用到課程教學中，依據課程教學目標，以虛擬現實軟件EON Studio為開發平臺，開發了機床典型夾具虛擬拆裝系統。系統采用Pro/E軟件創建了夾具零部件三維實體模型，運用EON Studio提供的功能節點和元件，實現了人機交互、零部件拾取和拖放，碰撞檢測，網上發布等關鍵技術。實踐證明，在機床夾具設計課程教學中應用虛擬現實技術能夠提高教學效果，具有較高的實用價值。

【關鍵詞】虛擬現實技術 機床夾具 EON Studio 虛擬拆裝

《機床夾具設計》課程是高等職業院校機械類專業的一門重要專業課，具有很強的實踐性、應用性，名詞術語多、結構復雜等特點；學生在學習過程中容易產生枯燥乏味、思路不清難以理解的感覺。目前該課程教學一般是課堂講解并結合實物展示、掛圖、多媒體軟件等輔助手段進行，學生被動接受知識，很難對課程產生興趣。如果在課程中引入虛擬現實技術，為學生提供逼真、直觀可重復拆裝的夾具訓練虛擬系統，學生通過在虛擬環境中親手拆裝夾具，有助于學生掌握機床夾具設計的內容和方法，提高教學效果。

虛擬現實技術是以計算機技術為核心，集成了計算機圖形學、仿真技術、人工智能技術、網絡技術、傳感技術和并行處理技術等多項技術，具有視覺、聽覺、觸覺等一體化的虛擬環境，給用戶提供了一種身臨其境的體驗，并且用戶可以通過多種傳感設備與虛擬世界中的物質進行交互。目前，虛擬現實技術已廣泛應用于航空航天、軍事訓練、醫學、娛樂、建筑、教育培訓等眾多領域，在教育領域虛擬現實技術具有更廣泛的作用和影響。EON Studio是美國EON Reality公司開發的專業虛擬現實軟件，具有使用簡單，節點功能豐富，對常用三維建模軟件支持較好，交互功能和圖形處理功能強大，模擬程序文件小，程序發布方便等優點。本文應用EON軟件制作了典型機床夾具虛擬拆裝系統，將虛擬現實技術應用到機床夾具設計教學中進行了有效嘗試。

1 系統具有的功能和實現的教學目標

1.1 系統具有的功能

典型機床夾具一般包括：銑夾具、車夾具、鏜夾具和鉆夾具等類型，夾具又由夾具體、定位裝置和夾緊裝置、對刀裝置等組成。系統針對典型機床夾具設計了菜單項和彈出菜單，菜單項列出了四種典型機床夾具，每種夾具選用一個生產實際中比較典型的實例，彈出菜單列出虛擬拆卸、裝配和結構圖等功能，結構圖包括了夾具的二維圖片和夾具三維分解圖片。當運行中需要停止或退出時單擊相應按鈕，按住滾輪并拖動可以從不同視角觀察實物。另外，系統還配有文字提示，當鼠標經過定位裝置和夾緊裝置時，變成了小手形狀，按下鼠標左鍵即可看到提示文字，使學生能很快地熟悉夾具定位、夾緊作用和注意事項等。系統實現的功能框架圖如圖1所示，EON界面如圖2所示。例如當單擊銑夾具時彈出相應下拉菜單，圖形區域出現銑圓柱槽夾具（數字1，2，3……為快捷鍵），單擊相應按鈕在圖形區可進行銑夾具的拆卸和裝配等操作。

1.2 實現的教學目標

虛擬拆裝系統用于學生的課前預習和課后復習，課前預習即“預實踐”，能使學生把握新課的內容，了解重點，增強聽課的針對性；課后復習，學生可以在任何時間、任何地點反復進行學習和訓練，使學生對所學夾具知識加深理解，系統掌握，全面提高；系統實現的教學目標如下：

（1）工件的裝夾與找正；

（2）機床夾具的組成；

（3）定位的基本原理及定位元件使用；

（4）夾緊裝置的組成，夾緊的整個動作過程；

（5）夾具對刀方法。

2 夾具虛擬拆裝系統實現的關鍵技術

現以銑槽夾具為例，論述夾具虛擬拆裝系統的實現。夾具的裝配模型如圖3所示，拆卸模型如圖圖4所示。

2.1 模型建立及導入

三維虛擬模型的建立是虛擬系統的基礎。從模型建立到導入EON虛擬環境中需要三個步驟：

2.1.1 模型建立

EON平臺支持大部分的CAD類型模型，為很多的CAD系統都提供了數據接口。三維模型建立軟件有多種，其中，Pro/E軟件具有強大的實體造型、曲面造型和裝配等設計功能。本系統采用Pro/E軟件建立零部件和裝配三維模型，并分別導出為*.stl格式文件；

2.1.2 中間處理

將Pro/E建立的幾何模型導入3ds max中進行處理，利用3ds max進行渲染和著色，增強模型的虛擬環境中的真實感，隨后通過EON為3ds max提供的一個EON Raptor輸出的插件，將模型保存為EOZ格式文件。

2.1.3 導入EON軟件

在EON軟件中，打開上步建立的EOZ文件，模擬樹視圖中自動生產一個默認的模型層次數據結構。為了便于后續工作重新構建層次數據結構，對每個零件重新命名并設定父子節點。如圖5所示為模型建立和導入EON的過程圖。

2.2 裝配序列和裝配路徑規劃

進行裝配路徑規劃的目的是實現無碰撞、無干涉裝配，從而可以保護零部件，并且更快速、更有效的進行虛擬裝配。裝配序列生成方法一般有兩種，一類是基于裝配推理的裝配序列生成，另一類是基于拆卸的裝配序列生成，也叫拆卸法。拆卸法是將產品拆卸成一個個獨立零件，反過來獨立的零件被裝配成產品的過程，實現對零部件的裝配。本系統裝拆可逆，采用拆卸法并結合人為經驗獲得裝配序列，裝配序列為：夾具體→夾具體側板（兩個）→擋板→加工零件→對刀板。

2.3 人機交互實現

人機交互是指用戶對現實平臺中的物體執行操作并從虛擬環境中得到相應的反饋，它是構成虛擬拆裝的關鍵技術之一。本系統采用在文本框2D Text節點下添加彈出菜單POPUPMenu和鍵盤傳感器KeyBoardSensor實現的。如圖2所示在場景窗口的左上角列出了四個文本框，分別是“銑夾具”、“車夾具”、“鏜夾具”、“鉆夾具”。每種夾具對應設定一個彈出菜單包括5項：拆卸，快速復原，裝配，快速拆卸，結構圖，當點擊銑夾具時可以選擇相應操作，另外還可以單擊鍵盤上的數字鍵（1-4）實現快捷操作。人機交互的實現通過對路由圖標的編輯和邏輯連接，從功能節點的輸出域到對應節點的輸入域，如圖6所示為事件驅動的路由圖。endprint

2.4 零部件的拾取及拖放

虛擬環境中實現零部件的手動拆卸和裝配，需要借助鼠標、鍵盤在虛擬環境中選取一個或者多個零部件進行拖動來移動操作。

首先，放置DragManager元件到場景的Camera節點下，設置DragManager元件的自由度屬性，可約束零件的移動方向；然后在裝配體樹狀結構圖中找到需要拖動的零件所在的節點，在其下放置四個節點，兩個ClickSensor節點，一個DragSelect節點，一個Place節點。其中，一個ClickSensor節點觸發方式設為“Left”，另一個ClickSensor1節點觸發方式設為“Right”，最后將DragManager元件關聯復制到DragSelect節點的黃色擴展文件夾DragManager中，將四個節點拖到路由窗口中，建立邏輯關系，如圖7所示為銑刀拖放功能實現邏輯圖。單擊右鍵拾取拆卸零件，拖動零件到合適位置單擊左鍵放置零件。

2.5 碰撞檢測及響應

碰撞檢測是虛擬裝配技術的另一項關鍵技術之一。碰撞檢測的實質就是在虛擬場景中，碰撞檢測是夾具裝配中一個非常重要的環節。零部件在裝配過程中產生相互穿透的不真實現象，這樣會給裝配提供一些不完整信息，因此為了使夾具在裝配過程更加符合真實情況，在虛擬裝配過程中添加實時碰撞檢測。在EON Studio中，碰撞檢測節點（Collision）有效的解決了這一問題。如在模擬樹的對刀塊零件中放入CollisionObject節點，并設置相應屬性，當對刀塊在裝配時與其他零件發生碰撞時，系統做出文字顯示。在Camera下加入CollisionManger節點對所有零部件的CollisionObject節點統一管理。

2.6 網上發布

應用EON自帶有網頁發布精靈，專門用于將EON文件嵌入網頁文件中并發布到服務器上，供其他計算機訪問。點擊菜單File→Create Web Distribution進入網頁發布向導，向導將引入用戶進行一系列自定義設置，如分辨率、發布模式等相關參數的設定。再調用EON公司開發的Java Script腳本函數，便能實現虛擬夾具拆裝系統的網上發布，可以通過HTML網頁對機床夾具系統進行網上交流和學習。

3 小結

將虛擬現實技術引入到機床夾具設計課程中，可以使學生在虛擬環境中進行對夾具進行反復的拆裝訓練，從而使學生對夾具的整體結構有感性認識，直接看到夾具的定位組件、機構及工件在其上的定位和夾緊的整個動作過程，更加理解夾具結構和組成，工作原理。激發學生學習興趣，增加教學的直觀性，改善教學環境，提高學生實踐能力和創新能力，降低教學成本，彌補機床夾具課程教具模型和生產型夾具實物不健全的缺陷，使學生可以在任何時間、任何地點反復進行學習和練習，改善實訓條件，提高教學質量，都將起到積極作用。

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作者簡介

史翠蘭，女，碩士學位。遼寧機電職業技術學院教授。主要研究方向為CAD/CAM技術。

作者單位

遼寧機電職業技術學院 遼寧省丹東市 118002endprint