基于Quest3D的齒輪加工虛擬仿真教學系統研究

孫夢

基于Quest3D的齒輪加工虛擬仿真教學系統研究

孫夢

（長安大學 工程機械學院，陜西 西安 710064）

為解決機械類學生對齒輪加工實驗的需求，基于Quest3D圖形化編程開發平臺，將齒輪加工工藝流程與虛擬現實技術有效結合，建立了齒輪加工虛擬仿真教學系統。系統分為三維場景模型、機械加工工藝系統模型、機床運動控制模塊、人機交互模塊四個部分，展示了齒輪制造與加工的完整工藝流程，能夠從多視角多層級對機床的運動和加工過程進行模擬展示。該系統的應用彌補了理論教學的不足，真正實現虛擬人機交互，可為目前高校的虛擬仿真教學研究提供工程實例參考。

虛擬仿真教學系統；齒輪加工；Quest3D；人機交互

齒輪作為工業生產中的重要核心零件[1]，其相關知識在機械專業的課程與實驗中占有很大比重。而齒輪制造加工工藝復雜、涉及多種機床與裝備，實際實驗與實習需要工廠式的生產車間來匹配完成[2]，并且對學生的操作水平要求較高。大多學校在實際教學中無法滿足學生親手進行加工的實驗條件[3]，因此借助虛擬仿真技術對齒輪零件進行模擬加工能夠很好解決上述問題[4]。

隨著教育部啟動“新工科”發展研究工作[5]，提出了國家級虛擬仿真實驗中心的建設工作，國內各高校紛紛引進與開發虛擬加工系統應用于實際教學[6]。桌面式虛擬加工系統[7]對硬件要求低、可基于普通PC平臺顯示，得到了廣泛應用。如沈陽理工大學的李興山[8]結合VRML與JavaScript交互技術、開發出可實現機床運動仿真、模擬裝配等功能的虛擬機床加工仿真系統。重慶大學羅求順等[9]基于Quest3D軟件開發了一套針對于鉆床加工的虛擬教學系統，用于鉆床教學培訓。肖元昭等[10]基于 OpenGL與VC++建立了虛擬數控車床加工系統，模擬機床運動仿真及加工切削仿真。長安大學的常鵬[11]提出了一種融合半物理仿真思想的虛擬實訓系統，設計了一款面向四軸加工中心的半物理仿真系統。

以上研究中的虛擬加工系統更著重針對各類機床的模擬操作，沒有實現對特定零件制造加工整體流程的模擬，這樣不利于學生了解掌握零件整體加工流程和工藝內容。并且目前大多系統基于基礎編程語言開發，開發周期長、難度大、不便于修改[12-13]。因此，本文基于Quest3D軟件，提出并開發了一套桌面式齒輪加工虛擬仿真教學系統，該系統集成齒輪加工中的多種機床與設備，涵蓋齒輪從生產制造到機械加工的全過程，便于學生直觀了解齒輪制造加工過程、熟悉齒輪加工機床的使用與操作方法，將理論與實踐相結合，增強了學習效果。另外，該系統的開發不需要編寫大量復雜代碼，可以.exe格式文件安裝運行，極大的提高了開發效率并且不受時間地點限制，更加方便教學。

1 系統設計

1.1 虛擬仿真教學系統框架設計

齒輪加工虛擬仿真教學系統框架設計如圖1所示，該系統主要由三維場景模型、機械加工工藝系統模型、機床運動控制編程模塊、人機交互模塊四部分組成。

三維場景模型主要指燈光、相機等系統場景模型，便于用戶從不同角度、距離對機床進行觀察與操作。機械加工工藝系統模型中包含機床、刀具、工件、夾具的三維模型，是實現虛擬加工的主體部分。機床運動控制模塊包含了機床各分運動的制作與控制，從而實現工件的機械加工。人機交互模塊主要用于用戶與計算機之間的信息交換，用戶通過該模塊進行系統控制并觀察運行結果。

圖1 系統總框架

1.2 齒輪加工工藝流程與機床運動設計

齒輪加工虛擬仿真教學系統中的加工工藝流程分為鍛造制坯、正火、車削加工、滾齒加工、熱處理和磨齒加工六個步驟模塊[14]。其中，鍛造制坯、正火、熱處理三個步驟模塊在系統中以文字和圖片的形式展示。在車削加工、滾齒加工以及磨齒加工三個步驟模塊中建立機床模型，制作機床交互運動，用戶可以在虛擬仿真教學系統中利用鼠標模擬操作機床對齒輪的加工過程。

機床加工運動通常分為主運動和進給運動，主運動為產生主要加工效果的運動，進給運動是指維持加工效果得以繼續的運動。根據機床運動特點，對不同步驟模塊加工機床的各個分運動進行制作。車床主運動為齒輪的旋轉運動，進給運動為刀架帶動車刀的連續直線運動；滾齒加工主運動為滾刀的旋轉，進給運動為滾刀作軸向的直線運動，滾齒加工還需要一個展成運動，即由滾刀旋轉運動和工件旋轉運動組成的復合表面成形運動；磨床主運動為主軸帶動砂輪的旋轉，進給運動是指砂輪徑向往復磨削齒廓運動，輔助運動為磨削兩齒槽之間的分度過程。

2 系統開發過程

齒輪加工虛擬仿真教學系統以Quest3D軟件為開發平臺，首先利用SolidWorks對機床、刀具等進行三維建模，所建模型通過3dmax進行簡化并導入Quest3D中進行后續可視化編程，實現機床各部件的運動。最后將各部分子系統內容進行整合完善，制作完成虛擬仿真系統導出發布。系統開發流程如圖2所示。

圖2 系統開發流程圖

2.1 三維場景的搭建

基本三維場景包含燈光、相機與三維物體。燈光起照明作用，便于用戶對機床整體有所掌控。相機模塊使得用戶視角根據相機角度的變化而變化。參照機械標準，建立車床、滾齒機、齒輪磨床及相應刀具、夾具三維模型，將簡化模型以.X格式導入Quest3D中。

利用Quest3D軟件進行系統三維場景搭建。三維場景的搭建以Start 3DScene模塊作為程序起點，連入3D Render，將物體、光源、攝像機連接到該模塊下，根據燈光的照明情況增加光源數量，調整燈光的位置與角度。

2.2 運動制作與控制編程

在Quest3D中，物體的運動是通過改變其位置、旋轉、尺寸、表面紋理坐標實現。設計制作好機床不同部件的運動后，加入運動控制模塊對物體運動進行控制。根據機床運動控制變量的不同，控制編程分為數值控制、時間控制、復合控制與邏輯控制四類。

2.2.1 運動制作

物體運動由Motion模塊實現。Motion模塊下連接三個向量分別定義了物體在空間中的位置信息、旋轉信息和尺寸信息，如圖3所示。通過改變三個向量下級連接的、、值改變物體的位置、旋轉以及大小。

圖3 Motion模塊結構

物體運動原理為矩陣變換，物體從位置到位置計算公式為：

物體的基本運動分為移動、旋轉以及父子運動。其實現過程如下：

（1）實現物體移動需要Envelope模塊，、、三個方向的運動需分別實現，圖4為通過Envelope模塊在方向上設置的運動曲線圖。通過插入關鍵幀，將物體不同時刻的位置以坐標的形式儲存，坐標圖的橫軸為輸入控制值，縱軸為物體坐標位置值。將數值記錄在Envelope中，物體就會沿著已封存的運動曲線移動。

圖4 Envelope移動曲線圖

實現物體旋轉需要loop relative value模塊。物體旋轉就是其角度值從0～360°不斷循環變化，在該模塊下連接三個value值，分別代表循環初始值、終止值、以及循環增減量。將該模塊快捷方式連接到物體旋轉坐標中旋轉軸的下方，可實現物體繞該軸循環旋轉運動。

（2）機床部件間同步的相對運動關系稱為父子關系。實現父子運動需要Motion模塊層級級聯。比如，滾刀裝在滾刀架上，刀架上下移動時會附帶著滾刀一起運動，而滾刀的旋轉運動則不受影響，定義刀架運動為父運動，滾刀運動為子運動。將父物體的Motion模塊連接到子物體運動模塊的最后一個接口便實現兩者的同步運動。

2.2.2 控制編程

物體運動的控制編程分為數值控制、時間控制、復合控制與邏輯控制等四類。實現方法及流程如下所述：

（1）數值控制

物體運動的數值控制編程流程如圖5所示。用戶通過鼠標或鍵盤的輸入引發觸發器，會把Set Value下方左邊的值賦給右邊，數值0、1分別控制物體的始末位置，右邊的Value值就是Envelope里儲存運動的坐標值。這樣就實現用戶控制物體坐標的改變，也就實現了物體的運動。

圖5 數值控制流程

（2）時間控制

物體運動的時間控制編程流程如圖6所示。時間控制需要Timer Command，該通道可對其子連接對應的起始和結束時間段進行控制。當用戶輸入觸發信號后，時間計時器開始工作，通過時間控制物體按照Envelope中的曲線運動。

2.2 家系Ⅱ 檢出致病基因為CDH23基因的c.7240-1G>A和c.7252G>A兩個位點復合雜合突變；2名耳聾患者(Ⅱ2、Ⅱ3)視力、視野、眼底檢查未見異常。CDH23基因c.7252G>A位點突變為國內首報新突變位點，結果、家系圖及測序突變。見表1、表2、圖1、圖2。

圖6 時間控制流程

（3）復合控制

物體運動的復合控制編程流程如圖7所示。復合控制是指由不同變量控制物體的運動，例如刀架帶動滾刀在快進快退運動時，其豎直方向上的運動應該是由時間控制運動的快慢；而滾刀在實際切削時，其運動應由工件旋轉的角度控制，即工作臺每轉一轉，滾刀架在豎直方向的移動。因此滾刀在該方向上需要兩個Envelope去儲存這兩種運動，用不同變量進行控制。

圖7 復合控制流程

（4）邏輯控制

物體運動的邏輯控制編程模塊流程如圖8。邏輯控制主要用于滾齒加工中的展成運動，滾刀和工件的嚙合運動必須要準確滿足定比傳動，即滾刀每轉1/轉，工件應轉1/轉，滾刀每轉一圈（＋6.28），齒輪轉1/圈（＋0.184）。把計算后的值通過Set Value存放在一個新value中，這個Value值就是物體旋轉中的循環增加值，這樣就能實現每當有條件觸發時，滾刀與齒輪同步運動并且其循環增加值不斷更新。

圖8 邏輯編程流程

2.3 人機交互界面設計

2.3.1 子系統設計

齒輪加工6項工藝過程中包括3項機床加工過程和3項工藝處理過程。每個工藝流程作為一個子系統模塊進行單獨設計。

機床運動子系統中的人機交互界面利用Quest3D中GUI模塊進行制作，用戶能夠控制機床各個部分的運動。人機交互界面區域分為三部分：中間用于展示機床的三維場景模型，左方設計了控制機床運動的相關按鈕，右方為文字顯示區域，將采集到的機床運動參數以數據形式展示在界面中，便于使用者通過數據定性了解齒輪加工工藝過程。

對于不涉及加工機床的工藝流程子系統界面則采用圖片展示與文字介紹相結合的方式進行說明。界面左邊設置文字說明區域，右邊設計工藝流程過程圖片展示。

2.3.2 系統切換設計

虛擬仿真系統的整合與切換運用有限狀態機channel，該通道可簡化復雜結構中子程序之間的切換。首先，將所需模塊連接到有限狀態機通道下，第一類子連接下連接觸發數值模塊，即各子系統界面相對應的特定pressed模塊。第二類子連接下連接需要被觸發的模塊，即每一個子系統界面的三維scene。其次，需要建立系統之間的樹狀關系結構，兩界面之間通常為雙向關系，通過點擊相應按鈕進入或返回其他界面。

3 系統仿真實例

以.exe的格式發布導出得到齒輪加工虛擬仿真教學系統。在各機床子界面系統中，通過上下滑動鼠標中間滾輪將機床模型進行放大縮小，通過長按鼠標右鍵移動來控制機床的旋轉，從而從多角度詳細的觀察加工過程。圖9為滾齒加工子系統界面。界面右側為文字顯示區域，用來顯示刀具及工件的部分參數、動態坐標、進給量、轉速等。界面左側顯示機床的加工流程中的工件旋轉、工作臺移動、道具進給、滾刀切削等運動控制按鈕。圖10為鍛造工藝子系統界面。界面左側展示鍛造的下料、胚料加熱、墩粗、沖孔、修整鍛件與冷卻工藝流程的要點。界面右側展示相關工藝加工生產現場圖片。

該系統可以幫助學生借助計算機和軟件系統進行齒輪加工過程的實驗和學習，加深理論課程的理解，直觀真切的觀看全過程，并能掌握加工參數和工藝要點，達到良好的教學效果。

圖9 滾齒加工子系統界面

圖10 鍛造工藝子系統界面

4 結語

（1）齒輪加工虛擬仿真教學系統可使學生在可視化環境下對齒輪加工的流程、工藝及機床的操作進行模擬和學習，利于學生掌握齒輪加工的相關內容、分析加工參數的合理性，彌補了傳統實踐教學的缺點與不足，在教學中達到良好效果；同時該系統的開發也對虛擬現實技術與教學實驗相結合起到了良好的推動作用。

（2）系統以.exe格式導出，可基于普通PC平臺安裝運行，對運行系統的配置要求較低。該系統將實驗教學和課堂理論教學有機結合，具有實時性和便捷性，在高校企業的教學培訓中具有廣泛的應用前景。

（3）該虛擬教學系統的實時開發利用Quest3D中自帶的構建模塊進行圖形化編程，避免了基于基礎語言開發的繁瑣編程過程，具有開發周期短、效率高等特點。便于根據教學使用情況進行優化升級，還可拓展增加新模塊來滿足仿真教學的要求。

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Research and Application on Virtual Simulation Teaching System of Gear Machining Based on Quest3D

SUN Meng

( School of Construction Machinery,Chang'an University, Xi'an 710064, China )

In order to meet the needs of mechanical students for gear processing experiments, by using the Quest3D graphical programming development platform, a virtual simulation teaching system for gear processing which combines the gear processing process with virtual reality technology is established. The system is divided into four parts: 3D scene module, machining process system module, machine tool motion control module, human-machine interaction module, which shows the complete process of gear manufacturing and machining is shown in detail and can simulate the machine movement as well as the machining process from multiple perspectives and levels. The application of the system makes up for the shortage of theoretical teaching and truly realizes the virtual human-machine interaction, which provides engineering examples for the research of virtual simulation teaching in colleges and universities.

virtual simulation teaching system；gear machining；Quest3D；human-computer interaction

TG51；TP391.9

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.06.012

1006-0316 (2021) 06-0075-06

2020-06-09

孫夢（1997－），女，新疆烏魯木齊人，碩士研究生，主要研究方向為工程機械類設計及優化，E-mail：1075886693@qq.com。