基于MATLAB和VRML的減速機虛擬裝配設計

江北大 劉治宏 蔡曉紅

機械裝配技術是士官職業技術教育機電類專業的一門專業基礎必修課，通過本課程的學習，為學生學習專業課和從事軍械維修工作打下堅實基礎。減速機的結構認識和裝配訓練是該課程的重點內容之一。學生普遍反饋減速機零部件眾多，直接上手拆裝難度較大。運用Matlab中的Simulink 3D Animation虛擬現實工具箱，結合VRML技術，制作出可交互減速機的虛擬裝配場景，不僅能夠將減速機的結構、原理、運動方式講解得更清楚，還能夠極大地激發學生的學習興趣，促進學生的訓練積極性。

1 Matlab虛擬現實工具箱簡介

Matlab是MathWorks公司出品的一款商業軟件，主要用于數據可視化、數據分析以及數值計算等用途，具有功能強大、容易調試、交互性好等特點。在機電類課程教學中，機構的運動仿真和虛擬裝配對于幫助學生理解機構的結構原理和運動特性至關重要。在Matlab中實現機構運動仿真的方法主要有三種，第一種是基于模型解算，首先列出機構的運動方程，然后通過編程進行數值計算得到機構中各構件的運動軌跡、速度、加速度等參數，缺點是結果大多通過大量的數據來顯示，不夠直觀。第二種是通過SimMechanics工具對機械系統進行建模和仿真，優點是編程工作量少，缺點是仿真結果難以通過三維模型形象地展示。最后一種則是運用Matlab提供的Simulink 3D Animation虛擬現實工具箱結合VRML語言編寫的三維模型來實現。VRML全稱為虛擬現實建模語言，已經通過ISO組織認證為國際標準，被各大主流建模軟件支持。Matlab從6.1版本增加了Simulink 3D Animation虛擬現實工具箱，提供了實現VRML格式三維模型對象交互的途徑。第三種方法結合了前面兩種方法的優點，不僅實現難度低而且仿真結果更加形象逼真。

2減速機虛擬裝配設計

2.1 總體思路

減速機是一種由齒輪傳動、蝸桿傳動所組成的傳動裝置，在原動機和工作機之間起匹配轉速和傳遞轉矩的作用，應用非常廣泛。

減速機的虛擬裝配設計涉及各零部件的平移和旋轉等運動形式。比如，通過向下平移箱蓋實現將其安裝到箱座上，螺釘的裝配則要求螺釘做旋轉和平移運動。在VRML語言中，驅動減速機各零部件的運動，主要用到ROUTE節點和TimeSensor、OrientationInterpolator、translationInterpolator等傳感器節點，在Matlab虛擬現實工具箱中，則是通過改變各零部件Transform節點的translation域和rotation域的域值來更加簡便地實現。

減速機虛擬裝配設計的基本思路是首先需要建立減速機的三維模型并轉換為wrl格式，然后進入Simulink中的VRSink模塊，根據減速機拆裝時各零部件的運動規律，編寫控制框圖。

2.2 減速機零部件建模

VRML語言支持使用基本幾何節點創建簡單的三維模型，比如使用Box節點創建一個長方體，但對于復雜的模型，使用專業的三維建模軟件UGNX建立零部件的模型再導出為wrl格式更為簡便。方法如下：

1）使用UGNX軟件建立減速機各零部件模型并裝配；

2）將裝配體導出為wrl格式，選擇輸出類型為VRML 2.0（動畫）；

3）使用Matlab軟件中的3D World Editor應用程序打開減速機wrl文件，將UGNX自動生成的數字形式的各零部件Transform名稱改為便于識別的英文名稱，以便在Simulink中區分。

2.3 減速機虛擬裝配的實現

在Simulink中新建一個空白Model，將VR Sink模塊添加到Model中，然后將Source file設置為減速機的wrl文件，并在Virtual World Tree中勾選減速機虛擬裝配中做平移運動的各零部件（箱蓋、軸、螺紋緊固件等）Transform節點的translation域，以及做旋轉運動的各零部件（螺紋緊固件等）Transform節點的rotation域。

以端蓋螺釘的虛擬裝配為例。首先添加一個VR Signal Expander模塊作為螺釘Transform節點的translation域的域值，Output width設置為3表示translation域的三個坐標軸變量，Output signal indices設置為[2]表示translation域的第二個坐標軸變量，然后添加一個Repeating table模塊作為VR Signal Expander的輸入值，根據端蓋螺釘裝配時間，Time values參數設置為[0 10 11]，Output values參數設置為[ 0 400 400]表示螺釘從初始位置沿旋入方向做勻速直線運動到螺紋孔然后停止。螺釘旋轉的實現相對于平移較為復雜，方法是通過Constant、Repeating table和Mux等模塊設置螺釘的固定旋轉坐標軸和遞增的角位移。螺釘的虛擬裝配仿真模型如圖1所示。

3結論

VRML格式作為國際標準，被主流三維建模軟件支持，非常適合作為機構運動仿真和虛擬拆裝的素材。運用Simulink 3D Animation虛擬現實工具箱和VRML技術實現常用減速機的虛擬拆裝，使機械裝配技術課程能夠更加形象直觀、充滿趣味，從而顯著提升教學效果。

（作者單位：陸軍工程大學軍械士官學?；A部機械基礎教研室）