基于Flexsim和VR的機(jī)加工生產(chǎn)實(shí)習(xí)仿真系統(tǒng)研究和開(kāi)發(fā)

胡明茂, 章弘毅, 孫 煜, 齊二石

(1. 湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 湖北 十堰 442002； 2. 天津大學(xué) 管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部, 天津 300072)

校外生產(chǎn)實(shí)習(xí)和認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)是一個(gè)重要的教學(xué)環(huán)節(jié),是學(xué)生強(qiáng)化工程意識(shí)、現(xiàn)場(chǎng)接觸與了解企業(yè)技術(shù)信息、獲得專業(yè)生產(chǎn)技術(shù)及管理知識(shí)、進(jìn)行工程師基本素質(zhì)訓(xùn)練的必要途徑。國(guó)內(nèi)高校在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和VR應(yīng)用方面取得了許多實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果[1-12],例如虛擬實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景搭建、虛擬拆裝訓(xùn)練等,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

本文利用Flexsim仿真軟件和VR技術(shù)開(kāi)發(fā)了生產(chǎn)實(shí)習(xí)仿真系統(tǒng),使學(xué)生能通過(guò)新穎的方式掌握和應(yīng)用本專業(yè)知識(shí),驗(yàn)證和鞏固已學(xué)過(guò)的專業(yè)課程,以求達(dá)到理論結(jié)合實(shí)際,并為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)及畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)過(guò)程打下良好的基礎(chǔ)。

1 機(jī)加工實(shí)習(xí)仿真平臺(tái)的研發(fā)背景

東風(fēng)汽車(chē)有限公司商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)廠是東風(fēng)汽車(chē)有限公司主要的發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠,有各類設(shè)備2 300多臺(tái)(套)。該廠與湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院合作共建的國(guó)家級(jí)實(shí)習(xí)基地,是培養(yǎng)與實(shí)際生產(chǎn)緊密結(jié)合的、具有較強(qiáng)工程意識(shí)的機(jī)械類工程師的重要實(shí)習(xí)場(chǎng)所。

該發(fā)動(dòng)機(jī)廠的曲軸車(chē)間是實(shí)習(xí)基地的重要實(shí)習(xí)場(chǎng)所,學(xué)生在這里熟悉和掌握曲軸機(jī)械加工工藝系統(tǒng)的機(jī)具,熟悉曲軸生產(chǎn)線設(shè)備的工作原理、基于Flexsim和VR的機(jī)加工生產(chǎn)實(shí)習(xí)仿真系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)特點(diǎn),熟悉和掌握曲軸機(jī)械加工工藝過(guò)程和每道工序的內(nèi)容、定位基準(zhǔn),熟悉和掌握每道工序所使用機(jī)床夾具的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、自由度的限定及使用范圍。

然而，學(xué)生到企業(yè)實(shí)習(xí),會(huì)增加企業(yè)生產(chǎn)和安全管理方面的壓力,因此學(xué)生到裝備制造一線實(shí)踐的時(shí)間和空間越來(lái)越少。此外，在2～4周的實(shí)習(xí)期間,學(xué)生要熟悉實(shí)習(xí)企業(yè)的某零件的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備也相當(dāng)困難,實(shí)習(xí)過(guò)程往往存在認(rèn)識(shí)不夠深入、理論結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際不緊密的問(wèn)題。這樣的生產(chǎn)實(shí)習(xí)難以達(dá)到預(yù)期效果,不利于在新工科背景下培養(yǎng)具有較強(qiáng)工程意識(shí)和動(dòng)手能力的高素質(zhì)制造業(yè)人才。

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),可以使學(xué)生在虛擬空間了解和掌握制造系統(tǒng)的主要工作流程、原理和關(guān)鍵技術(shù),從而提高學(xué)生對(duì)專業(yè)的興趣和理論聯(lián)系實(shí)際的能力。具體方案是：開(kāi)發(fā)具有高度沉浸感的虛擬場(chǎng)景和數(shù)字化模型,利用Flexsim三維虛擬仿真軟件和Sketch Up三維造型軟件,在計(jì)算機(jī)上對(duì)實(shí)習(xí)車(chē)間曲軸生產(chǎn)線進(jìn)行建模。通過(guò)仿真手段將生產(chǎn)過(guò)程虛擬化,使學(xué)生對(duì)制造工藝方案和加工過(guò)程形成映射；通過(guò)漫游技術(shù)和VR設(shè)備使學(xué)生可以觀看機(jī)床和零件加工部位、定位方式等實(shí)際加工情況；通過(guò)該系統(tǒng),使學(xué)生在實(shí)習(xí)前就能對(duì)企業(yè)車(chē)間布局、工件加工流程等有一個(gè)充分了解,并結(jié)合理論知識(shí)提出針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的問(wèn)題,即采用虛實(shí)結(jié)合方法提高實(shí)習(xí)效果。

2 現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和仿真建模

4H曲軸加工工藝復(fù)雜,有20多道工序,包括：車(chē)削、銑削、磨削、鉆、鉸、攻絲等,主要工藝流程是：軸頸粗加工—軸頸半精加工—油孔加工—熱處理—中心孔修整—兩端孔加工—軸頸精加工—拋光。主要工藝設(shè)備有CNC單刀數(shù)控車(chē)床、日本小松內(nèi)銑機(jī)床等。學(xué)生要現(xiàn)場(chǎng)了解曲軸加工工藝和所使用機(jī)床的差異、夾具的結(jié)構(gòu)和功能。

需采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括：每道工序裝夾時(shí)間、生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍等,用于仿真模型中相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

Flexsim是面向制造、物流等領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的一套系統(tǒng)仿真模型設(shè)計(jì)、制作與分析工具軟件。Flexsim集計(jì)算機(jī)三維圖像處理技術(shù)、仿真技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)為一體,內(nèi)置有虛擬現(xiàn)實(shí)瀏覽窗口,可以讓用戶添加光源、霧以及采用虛擬現(xiàn)實(shí)立體技術(shù)。利用Flexsim構(gòu)建高仿真環(huán)境步驟如下：

(1) 繪制曲軸車(chē)間曲軸生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)布局圖。車(chē)間的空間大小、加工設(shè)備和傳送裝置的外形及尺寸、設(shè)備之間距等應(yīng)盡量測(cè)量準(zhǔn)確,用CAD繪制。

(2) 在Flexsim仿真軟件中導(dǎo)入曲軸生產(chǎn)線CAD現(xiàn)場(chǎng)布局圖。導(dǎo)入時(shí)，CAD圖形單位和Flexsim場(chǎng)景的單位應(yīng)一致。

(3) 利用SketchUp 3D軟件繪制加工設(shè)備三維模型。建模時(shí)加工設(shè)備外形數(shù)據(jù)應(yīng)準(zhǔn)確、真實(shí),為學(xué)生實(shí)習(xí)構(gòu)建一個(gè)與真實(shí)環(huán)境相一致的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。最后把建立的機(jī)床模型導(dǎo)入Flexsim仿真軟件,形成三維仿真環(huán)境。Flexsim可以導(dǎo)入多種格式的3D媒體，包括3ds MAX、wrl、 stl和dxf。

3 生產(chǎn)實(shí)習(xí)仿真系統(tǒng)動(dòng)畫(huà)制作的關(guān)鍵技術(shù)

建立三維曲軸虛擬仿真車(chē)間,動(dòng)畫(huà)制作是關(guān)鍵技術(shù)。在生產(chǎn)線上有大量的運(yùn)動(dòng)部件及動(dòng)作,例如：工人上下料動(dòng)作、工件放在機(jī)床夾具上并定位、夾緊動(dòng)作、加工曲軸時(shí)工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、使用刀具的加工過(guò)程及進(jìn)刀運(yùn)動(dòng)等,有些動(dòng)作還能通過(guò)人機(jī)交互進(jìn)行參數(shù)設(shè)置以改變運(yùn)動(dòng)軌跡。在Flexsim仿真軟件中可以通過(guò)動(dòng)畫(huà)編輯器(Animation)和FLexsim動(dòng)作編程實(shí)現(xiàn)上述要求。

3.1 動(dòng)畫(huà)編輯器(Animation)

動(dòng)畫(huà)編輯器允許用戶為模型中的Flexsim實(shí)體創(chuàng)建和保存自定義動(dòng)畫(huà)。使用動(dòng)畫(huà)編輯器模擬曲軸加工機(jī)床加工曲軸軸徑的工序過(guò)程,在Flexsim中拖入系統(tǒng)自帶的機(jī)床實(shí)體,然后在其屬性頁(yè)上導(dǎo)入用SketchUp 3D軟件繪制的曲軸車(chē)床外形,再進(jìn)入曲軸車(chē)床的動(dòng)畫(huà)編輯器， 利用SketchUp 3D繪制曲軸零件和溜板刀架，并添加到動(dòng)畫(huà)編輯器。

要使運(yùn)動(dòng)部件按規(guī)定方式運(yùn)動(dòng),需要在時(shí)間軸上為運(yùn)動(dòng)子部件添加關(guān)鍵幀。動(dòng)畫(huà)編輯器中有兩類關(guān)鍵幀：一類是所有屬性關(guān)鍵幀,一類是單獨(dú)屬性關(guān)鍵幀。添加關(guān)鍵幀步驟如下：

(1) 將時(shí)間線放在時(shí)間軸的初始位置(運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)關(guān)鍵幀)上,把動(dòng)畫(huà)編輯器視圖中子部件移到此位置,確定運(yùn)動(dòng)部件初始狀態(tài)和初始時(shí)間點(diǎn)；

(2) 把時(shí)間線移到要運(yùn)行的時(shí)間處。例如需要?jiǎng)赢?huà)運(yùn)行10 s,則將時(shí)間線移到10 s處,把子部件也移到10 s處,并在此處再添加一個(gè)結(jié)束關(guān)鍵幀。

至此,一個(gè)最簡(jiǎn)單的動(dòng)畫(huà)制作完畢,運(yùn)行后可以看到子部件運(yùn)行的效果。

如果需要更復(fù)雜運(yùn)動(dòng),則在起點(diǎn)和結(jié)束關(guān)鍵幀中間添加更多的中間關(guān)鍵幀,并且在各中間關(guān)鍵幀處設(shè)置子部件不同的方位狀態(tài),系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)會(huì)根據(jù)不同時(shí)間點(diǎn)把不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)平滑銜接起來(lái)。制作動(dòng)畫(huà)時(shí),不動(dòng)部件實(shí)體外形與其在Flexsim場(chǎng)景中一樣，不需要改變；在實(shí)體部件需要改變的情況下，可以通過(guò)該實(shí)體屬性頁(yè)相關(guān)選項(xiàng)置換成事先做好的3D外形。而運(yùn)動(dòng)部件需要在動(dòng)畫(huà)編輯器中添加為子部件,對(duì)子部件外形、運(yùn)動(dòng)進(jìn)行單獨(dú)編輯。如果有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)件A和B,其中B依附于A,如果A動(dòng)則B也跟著動(dòng)。在B還有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的情況下,則在編輯時(shí),可以把B設(shè)置為A的子部件,便可以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。

可以為任何3D模型指定幀,通過(guò)創(chuàng)建不同的3D模型,然后將其存儲(chǔ)為<原始文件名>FEAME<幀號(hào)>.3ds來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如,操作員的原始3D文件是Operator.3ds。如果用命令setframe(current,0)設(shè)定其幀為0,就會(huì)繪制這個(gè)圖形,它的其他幀定義在OperatorFRAME1.3ds、OperatorFRAME2.3ds等中。如果調(diào)用setframe(current,3)命令,將繪制<原始文件名>FRAME3.3ds中指定的3D文件。

動(dòng)畫(huà)制作完成后,為了進(jìn)一步細(xì)化相關(guān)動(dòng)作，可以在模型中機(jī)床實(shí)體的觸發(fā)器中編寫(xiě)腳本程序,可以使用stopanimation()和startanimation()腳本語(yǔ)言調(diào)用這個(gè)動(dòng)畫(huà)。例如：當(dāng)曲軸被安裝在機(jī)床上后,調(diào)用此動(dòng)畫(huà)模擬曲軸機(jī)床加工過(guò)程,如圖1所示。加工前,工件先被安裝在機(jī)床上,按動(dòng)電鈕,可以設(shè)置頂尖夾緊和松開(kāi)零件的動(dòng)作；安裝、定位、夾緊動(dòng)作完成后,主軸帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn),同時(shí)溜板刀架刀具作進(jìn)給車(chē)削運(yùn)動(dòng)。學(xué)生可以反復(fù)觀看曲軸加工過(guò)程,了解本工序夾具特點(diǎn)和限制工件自由度數(shù)目等。

圖1 曲軸機(jī)床加工場(chǎng)景

3.2 Flexsim動(dòng)作編程

復(fù)雜的實(shí)體運(yùn)動(dòng)控制涉及 Flexsim的動(dòng)作編程,可以根據(jù)條件的變化，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜、精確的運(yùn)動(dòng)控制。 Flexsim的動(dòng)作編程能使模型場(chǎng)景中的可運(yùn)動(dòng)設(shè)備動(dòng)起來(lái),從而使模擬過(guò)程更接近真實(shí)。Flexsim的動(dòng)作編程可以使一個(gè)實(shí)體同時(shí)進(jìn)行幾種運(yùn)動(dòng)(包括在直角坐標(biāo)系中沿著x、y、z軸方向移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)),每個(gè)運(yùn)動(dòng)都有自己的速度屬性。

Flexsim的動(dòng)作編程需要調(diào)用3個(gè)函數(shù)。

首先要調(diào)用initkinematics函數(shù),為運(yùn)動(dòng)初始化數(shù)據(jù),保存運(yùn)動(dòng)部件的起始位置、起始角度等運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；

然后調(diào)用addkinematic函數(shù),為對(duì)象添加移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)動(dòng)作,每一個(gè)單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)都通過(guò)addkinematic函數(shù)添加；

最后調(diào)用updatekinematics函數(shù),其作用是計(jì)算運(yùn)動(dòng)部件當(dāng)前的位置和旋轉(zhuǎn)角度,并在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷地刷新視圖。

此外,復(fù)雜運(yùn)動(dòng)模型還涉及坐標(biāo)空間轉(zhuǎn)換、模型導(dǎo)入、尺寸大小設(shè)定、運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)等。

4 生產(chǎn)實(shí)習(xí)仿真平臺(tái)顯示技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)是綜合利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)和各種現(xiàn)實(shí)及控制等接口設(shè)備,在計(jì)算機(jī)上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供沉浸感覺(jué)的技術(shù)。

目前高版本Flexsim仿真軟件本身帶有VR接口,支持多種VR設(shè)備。例如Flexsim V2016版本支持Ocolus rift硬件VR設(shè)備；Flexsim V2017.1以上的版本同時(shí)支持Htc vive和Ocolus rift硬件VR設(shè)備。建議采用Windows10 64位計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng),使用前需要安裝相關(guān)VR設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序,只要安裝調(diào)試完成即可在Flexsim中使用。

VR眼鏡是常用的VR設(shè)備,學(xué)生戴上VR眼鏡就能以自然的方式在虛擬車(chē)間進(jìn)行漫游和場(chǎng)景交互,產(chǎn)生強(qiáng)烈的沉浸感、立體感和身臨其境的體驗(yàn)。

學(xué)生可以采用鼠標(biāo)滾動(dòng)和使用操縱桿兩種方式在虛擬的曲軸生產(chǎn)車(chē)間漫游、參觀、現(xiàn)場(chǎng)交互。高版本的Flexsim仿真軟件帶有操縱桿等VR接口,使用操縱桿可以使視點(diǎn)向前、向后、向左、向右行進(jìn)漫游。在虛擬場(chǎng)景中,參觀者能以360°視角觀看現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景,具有很強(qiáng)的沉浸感和立體感。當(dāng)觀看者轉(zhuǎn)頭或者轉(zhuǎn)身,可以看到其身后的場(chǎng)景；仰頭或者低頭看到的是上方或者下方的場(chǎng)景。在計(jì)算機(jī)屏幕上,Flexsim仿真軟件也實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地顯示參觀者看到的場(chǎng)景,即可以視點(diǎn)跟蹤(見(jiàn)圖2)。

運(yùn)行曲軸Flexsim仿真系統(tǒng)進(jìn)入虛擬曲軸生產(chǎn)車(chē)間,可以從曲軸加工的第一道工序開(kāi)始,清楚地觀察到曲軸加工的每道工序的實(shí)際情況特點(diǎn),還可以結(jié)合每道工序的工序圖和夾具圖進(jìn)行分析。

Flexsim自帶有豐富的VisualTool顯示控件,可以事先把繪制好的相關(guān)工序的工序圖、夾具圖以圖形文件嵌入在VisualTool顯示控件中,供學(xué)生詳細(xì)了解加工內(nèi)容。借助類似方法,還可以將其他豐富、實(shí)用的曲軸加工工藝知識(shí)融入仿真系統(tǒng),形成以“虛擬體驗(yàn)、雙向互動(dòng)”為特色的新實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)模式。

圖2 Flexsim實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景

5 生產(chǎn)實(shí)習(xí)仿真平臺(tái)考試模塊的開(kāi)發(fā)

為檢驗(yàn)機(jī)加工生產(chǎn)實(shí)習(xí)仿真系統(tǒng)的實(shí)習(xí)效果,在實(shí)習(xí)結(jié)束后要進(jìn)行考核。Flexsim有22條語(yǔ)句是關(guān)于連接和訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的。Flexsim可方便地與Access、Oracle等數(shù)據(jù)庫(kù)相連,并提供SQL mode和Table mode兩種方式操作數(shù)據(jù)庫(kù),即允許用戶使用SQL語(yǔ)句來(lái)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

在Flexsim的GUI上開(kāi)發(fā)考試模塊,創(chuàng)建試題窗口界面(見(jiàn)圖3)。學(xué)生通過(guò)試題界面答題并保存答案,答題信息即被保存在全局表中。當(dāng)答題者檢查無(wú)誤再點(diǎn)擊“答案上傳”按鈕,答題信息將被上傳并保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。編寫(xiě)必要的腳本程序,系統(tǒng)可以自動(dòng)進(jìn)行評(píng)分和分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

圖3 基于GUI的仿真考試界面

6 結(jié)語(yǔ)

基于Flexsim 3D仿真軟件和VR顯示技術(shù)開(kāi)發(fā)的沉浸式機(jī)加工生產(chǎn)實(shí)習(xí)仿真系統(tǒng),可以讓學(xué)生通過(guò)漫游掌握曲軸生產(chǎn)線布局和加工工藝,對(duì)加工設(shè)備的外觀、結(jié)構(gòu)進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)觀看,查看設(shè)備的工作原理、工序介紹等相關(guān)資料。在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中,實(shí)習(xí)時(shí)間不受限制,增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)習(xí)的興趣,提高了實(shí)習(xí)效果。該項(xiàng)目既可以對(duì)學(xué)生開(kāi)放,也可以用于對(duì)企業(yè)員工培訓(xùn),在實(shí)訓(xùn)教學(xué)和企業(yè)員工培訓(xùn)中有很好的應(yīng)用價(jià)值。