減速器箱體加工流水線虛擬仿真系統

□ 曾安達 □ 徐林紅 □ 王直峰 □ 譚嘉恒 □ 康紅梅

中國地質大學(武漢)機械與電子信息學院 武漢 430074

1 開發背景

虛擬仿真技術是一種可以構建虛擬場景,實現真實體驗的計算機仿真技術,具有操作簡便、形象逼真、交互性強、成本較低等優點,已被大量應用。在一些難以實現、危險性高或實踐成本高的場合,應用虛擬仿真技術能輕易地解決問題。

機械制造工藝學是機械相關專業的基礎課,要求學生能夠了解機械制造過程中各個工藝的加工過程。在傳統的教學模式中,教師通過僅有的演示文稿和相關視頻向學生展示理論知識和相應的實際操作。對于一些復雜的零件或結構體,僅僅憑借語言在很大程度上不能夠完全表述清楚,學生對知識的理解和掌握不全面。另一方面,許多高校由于時間、空間、財力的限制,往往不能自由地組織學生進行生產實習,并且不能提供足夠的加工設備等資源。

針對培養人才時資源不夠充分,可利用教育資源過于陳舊與稀少的問題,教育部將由虛擬仿真技術衍生的虛擬仿真教學平臺列入國家中長期教育改革和發展規劃綱要,提出加快建設教育信息基礎設施,通過對優質教育資源的開發和利用,構建網絡教學資源體系,建立虛擬仿真平臺,激發學生在人才培養過程中充分的主觀能動性。學生通過理論知識了解整體工藝流程后,在虛擬仿真系統中進行近距離觀察,對加工工藝的理解會更加深刻,教學效果更好。

筆者基于一級減速器加工流水線,應用CREO、SolidWorks等軟件進行建模,應用3DMAX軟件進行模型渲染,通過Unity3D軟件的虛擬仿真技術,對減速器箱體加工流水線虛擬仿真系統進行了開發。

2 減速器概述

減速器是一種用于降低轉速、增大轉矩的裝置,廣泛應用于各個行業。減速器有一個封閉的剛性箱體,內部包含蝸輪、蝸桿、軸承、傳動軸等零件,可分為齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、齒輪蝸桿傳動。筆者開發中涉及的減速器是圓錐-圓柱齒輪減速器,這類減速器在傳動機構中的工作方式如圖1所示。

3 減速器箱體工藝分析

在減速器箱體加工流水線虛擬仿真系統開發中,需要確定加工工藝順序,這不僅影響生產流水線設備的布置,而且決定了刀具和夾具的設計,以及加工動畫的制作。在確定加工工藝順序時,應當遵循先面后孔、先粗后精、工序適當等原則。基于加工工藝順序,開發出最佳的減速器箱體加工流水線虛擬仿真系統。

▲圖1 減速器工作方式

筆者對減速器箱體虛擬仿真系統中箱體的加工工藝順序做了劃分,內容分為三部分。第一部分是箱座加工,工序主要有銑接合面、地腳底面,鉆接合面、地腳螺栓孔,锪沉頭孔,鉆排油孔、內螺紋等。第二部分是箱蓋加工,工序主要有銑接合面、窺視窗面,鉆锪接合面連接螺栓孔及其沉頭孔,鉆啟蓋螺釘孔、吊鉤孔、注油孔、窺視窗座螺孔及螺紋等。第三部分是合箱后加工,工序主要有銑軸承座孔端面、鉆軸承座孔端面螺孔及螺紋、鏜軸承座孔等。

4 開發流程

減速器箱體加工流水線虛擬仿真系統開發流程如圖2所示。

減速器箱體加工流水線虛擬仿真系統的開發以節省成本、方便操作、降低危險為目的,主要用于輔助課堂教學和部分代替工廠實習。減速器箱體加工流水線虛擬仿真系統應該具備真實加工流水線的主要特點,包括合理的機床與傳送帶位置布置、各機床正確的加工工序,以及適應減速器箱體零件的夾具與刀具等,并且能夠通過人機交互實現不同加工工序之間的自由切換,進而優化系統的邏輯層次。

減速器箱體加工流水線虛擬仿真系統的整體框架可以分為實物層、邏輯層、展示層三個部分。實物層負責系統主體構建,是整個仿真系統的核心及內容基礎,包括所有三維模型的建立、優化及貼圖渲染。邏輯層負責實現仿真動畫與交互功能,包括場景搭建、動畫設計、交互代碼編寫等。展示層負責將所有功能整合打包發布后向使用者呈現虛擬仿真系統。以上三個部分以主場景與各個子場景相配合的形式進行展現。減速器箱體加工流水線虛擬仿真系統開發邏輯框架如圖3所示。

5 三維實體建模

為便于刀具和夾具的設計,并使加工動畫中走刀路線有據可循,需要對減速器箱體進行精確建模。通過CREO軟件中的拉伸、殼、掃描等建模功能,參照毛坯圖及二維零件圖中的參數,對減速器箱體的箱蓋和箱座進行建模。在此基礎上,為實現合箱后加工過程的演示,需要將箱座與箱蓋做成裝配體。這一過程中,對連接箱蓋與箱座的螺栓緊固件進行建模,創建減速器箱體裝配體文件,將箱蓋、箱座、螺栓緊固件添加至裝配體文件中進行裝配。箱蓋、箱座及減速器箱體模型依次如圖4、圖5、圖6所示。

▲圖2 減速器箱體加工流水線虛擬仿真系統開發流程

▲圖3 減速器箱體加工流水線虛擬仿真系統開發邏輯框架

6 工藝裝備建模

減速器箱體加工流水線虛擬仿真系統加工工藝順序分為三個部分。第一部分加工箱座,應用的刀具有盤銑刀、組合鉆锪一體刀、鉆刀、攻絲刀等。第二部分加工箱蓋,應用的刀具有盤銑刀、組合鉆锪一體刀、組合鉆刀等。第三部分為合箱后加工,應用的刀具有銑刀、組合鉆刀、組合攻絲刀、鏜刀等。這些刀具在形體特征上呈現諸多幾何排布規律。考慮到以上特點,在建模時合理運用陣列、鏡像、投影等創建方式,使建模更有效率且便于優化。以銑接合面的盤銑刀和鏜軸承座孔的鏜刀為例,展示刀具建模效果,如圖7所示。

▲圖4 箱蓋模型

▲圖5 箱座模型

▲圖6 減速器箱體模型

夾具在機械加工過程中用于固定加工對象,保證位置正確,從而可以進行后續加工或檢測。在減速器箱體加工流水線虛擬仿真系統中,為還原真實加工流水線的加工過程,夾具的設計必不可少。通過擋板、擋銷、壓塊等夾具來對減速器箱體零件進行定位約束,使后續的銑、鉆、鏜、锪等工序加工精度更高。

在設計夾具時,應根據工件的特征來考慮夾具的擺放位置,確定每個夾具所要約束的自由度與作用,進而確定夾具的形狀、種類、尺寸等要素。在設計過程中,為確保減速器箱體零件位于正確的加工位置,以側面擋板來約束減速器箱體零件的X軸方向自由度,輔以擋銷來控制Y軸方向自由度。為防止在鉆、銑、锪等工序中刀具撞到底板,在底部使用開孔墊板將減速器箱體零件墊高,墊板開孔可以預防刀具與夾具的直接接觸。為約束減速器箱體零件Z軸方向自由度,對不同加工工藝順序中的箱蓋與減速器箱體采用L形夾塊、半圓形夾塊。應根據具體的工藝要求來確定夾具的定位方式,對工藝要求越高的工序,夾具的定位精度要求也就越高。如在銑削精度要求較高的軸承座孔時,為盡可能保證兩輸出軸軸承座孔的同軸度,以及輸出軸與輸入軸軸承座孔的垂直度,采取一面兩銷的定位方式,配合擋板、擋銷、L形夾塊進行精確定位。以合箱后鏜孔工序所應用的夾具為例,展示夾具的建模效果,如圖8所示。

▲圖7 刀具模型

對于加工流水線設備,基于減速器箱體的生產綱領,來確定加工流水線所使用的設備類型。綜合考慮設備的加工能力等因素后,對基礎加工設備進行改進,增加輔助傳輸等設備,適應加工流水線的需求。在開發中,追加設計一些結構,使設備間相協調,并滿足功能要求,提高設備的實用性。參考一些零件或機構的樣式,重新設計并搭建零件或機構的模型,來替換原有的零件和機構。以翻轉機與數控銑床為例,展示加工流水線設備的建模效果,如圖9所示。

▲圖8 夾具模型

▲圖9 加工流水線設備模型

7 模型優化

在建模軟件中,模型的幾何特征是由幾何面構成的。計算機在處理模型時需要計算大量的幾何面,過多的面數會降低計算速度。由此可見,對模型進行優化相當有必要。將在CREO軟件中創建的原始模型導入3DMAX軟件進行優化。箱蓋模型優化前后對比如圖10所示。由圖10可以看出,優化后箱蓋模型面數由85 486減少至8 744。模型優化極大降低了虛擬引擎的負擔。而在感觀上,面數差異在虛擬環境中差別不大,幾乎不影響視覺體驗。

▲圖10 箱蓋模型優化前后對比

8 虛擬仿真環境搭建

開發減速器箱體加工流水線虛擬仿真系統的目的是準確反映實際生產中的加工過程,從而實現輔助教學和替代實習。為了實現對加工過程的精準動畫仿真,采用一個主場景與多個子場景協同的結構,通過將減速器箱體加工流水線廠房的整體場景與各設備加工的場景分開搭建的方法,實現各場景動畫間的互不干擾和任意切換,使學習者既能夠更加細致地觀察不同加工工序的具體加工過程,又可以操縱人物角色在加工流水線中參觀遨游。減速器箱體加工流水線虛擬仿真系統場景框架如圖11所示。

▲圖11 減速器箱體加工流水線虛擬仿真系統場景框架

Unity3D軟件自帶的動畫控制模塊能夠通過記錄并播放模型在不同時間的位置、旋轉、縮放來實現動畫演示。筆者采用動畫控制模塊,按照實際生產中的加工工藝要求對各個場景中的夾具、刀具、減速器箱體零件進行相應的動畫制作。在完成各場景動畫制作之后,還需要使各場景之間能夠相互跳轉,以實現對不同加工工序的觀察。筆者利用Unity3D軟件中的場景管理器-加載場景命令,通過為不同的按鈕添加該命令的點擊事件,實現點擊按鈕時的場景跳轉。將這些場景跳轉的按鈕統一設置在一個界面中,作為交互界面,如圖12所示。應用代碼實現交互界面的顯示與隱藏,以防止使用者在觀察加工過程時被遮擋視線。代碼還具有顯示交互界面后暫停當前場景動畫演示的功能,便于隱藏交互界面后繼續觀察當前場景的加工動畫,而非從頭開始。相關代碼如下:

void Update(){

if(isStop==true){//若“暫停事件”為真

if(Input.GetKeyDown(KeyCode.Escape)){//判斷是否按下了退出鍵

Time.timeScale = 0f;//將時間暫停

isStop = false;//將“暫停事件”賦值為假

Menu.SetActive(true);} }//顯示交互界面

else {//若“暫仃事件”為假

if(Input.GetKeyDown(KeyCode.Escape)){//判斷是否按下了退出鍵

Time.timeScale = 1f;//將時間按照正常速度繼續流動

isStop = true;//將“暫仃事件”賦值為真

Menu.SetActive(false);} } }//隱藏交互界面

▲圖12 交互界面

9 人物移動與視角轉換代碼

為了使學習者在主場景中能夠更好地觀察減速器箱體加工流水線廠房各方位的布置,筆者為主場景添加一個帶有攝像機的可移動物體,作為被操作角色來提供學習者視角。學習者可以通過鍵盤和鼠標來控制這一可移動物體移動、跳躍,以及攝像機視角的變換,進而能對加工流水線的各部位進行觀察。

被操作角色移動的關鍵代碼為:

if(playercontroller.isGrounded) {//判斷所控制的對象是否在地面上

x=Input.GetAxis("Horizontal");//將變量x賦值為鍵盤左右箭頭鍵輸入的值,即x值在按下右箭頭鍵時為1,按下左箭頭鍵時為-1,都不按時為0

z=Input.GetAxis("Vertical");//將變量z賦值為鍵盤上下箭頭鍵輸入的值,即z值在按下上箭頭鍵時為1,按下下箭頭鍵時為-1,都不按時為0

move =(transform.right * x + transform.forward * z)*speed;//將變量x、z值分別乘以物體右方和前方的單位向量之后相加,再乘以物體移動速度,得到物體在X軸和Z軸兩個方向上的移動速度,將之賦值給向量“移動”

if(Input.GetAxis("Jump")==1) {//判斷是否按下空格鍵跳躍

move.y = jumpspeed; } }//跳躍動作后將起跳時的跳躍速度賦值給物體在Y軸方向上移動速度的變量,即向量“Y軸上的移動”

move.y-= g * Time.deltaTime;//將當前縱向位移的速度減去重力加速度與時間的乘積,得到實際的縱向位移速度,將該速度賦值給向量“Y軸上的移動”

playercontroller.Move(move* Time.deltaTime);//因為向量“移動”包含物體在三個方向的移動速度,所以向量“移動”乘以時間得到物體移動的距離

將得到的移動距離的坐標輸入所控對象的坐標中,即可完成鍵盤控制移動的操作。

為了使移動效果更加逼真,為可移動物體添加角色控制器組件。這一組件與場景中其它模型上掛載的盒狀碰撞器組件作用之后,可以實現碰撞檢測的功能,用于防止學習者移動時發生穿模現象而產生不真實感。此外,在研究中還通過限制鼠標移動時輸入數據的范圍,實現對視角轉換的限制,使攝像機上下視角最多只能旋轉90°,既避免無限旋轉視角時所帶來的操作不便,又模仿人在現實中轉頭時的角度限制,提高系統的真實性。

視角轉換的關鍵代碼為:

x =Input.GetAxis("Mouse X")*mousespeed *Time.deltaTime ;//將鼠標左右移動的值乘以鼠標移動速度和時間,得到鼠標左右移動所表示的角度,將角度賦值給變量x

y =Input.GetAxis("Mouse Y")*mousespeed *Time.deltaTime ;//將鼠標前后移動的值乘以鼠標移動速度和時間,得到鼠標前后移動所表示的角度,將角度賦值給變量y

xmove-= y;//將鼠標前后方向移動的角度賦值給變量“X軸上的轉角”,“X軸上的轉角”為物體繞X軸旋轉的角度,即視野上下轉動的角度

xmove = Mathf.Clamp(xmove,-90,90);//將變量“X軸上的轉角”值限制在-90°～90°之間,防止視野繞上下方向無限旋轉

this.transform.localRotation = Quaternion.Euler(xmove,0,0);//將掛載腳本的對象的位置繞X軸旋轉“X軸上的轉角”,繞Y軸旋轉0°,繞Z軸旋轉0°

player.Rotate(Vector3.up * x);//使受控對象繞Y軸正方向的單位向量旋轉“X軸上的轉角”,即視角在左右方向旋轉“X軸上的轉角”

10 系統打包發布與測試

應用Unity3D軟件,在生成設置界面中選擇需要發布的平臺,點擊生成,軟件就會對所有腳本、模型、動畫進行整合,使其脫離Unity3D軟件在計算機操作系統中直接運行。打包發布后運行減速器箱體加工流水線虛擬仿真系統,主場景測試效果如圖13所示,學習者在主場景中以第一人稱視覺操作角色移動。

▲圖13 主場景測試效果

按下退出鍵顯示交互界面后,點擊相應按鈕,即可跳轉至相應加工場景,可以進一步觀察相應加工工序的加工過程。以銑箱座接合面場景為例,展示加工工序場景,如圖14所示。

▲圖14 銑箱座接合面場景

11 結束語

筆者基于Unity3D軟件開發了減速器箱體加工流水線虛擬仿真系統,實現了減速器箱體加工流水線各個加工工序中加工過程的動畫演示,將減速器箱體加工過程制成可用于虛擬仿真教學的工具。

通過減速器箱體加工流水線虛擬仿真系統,學習者能夠直觀地全方位觀看加工流水線各個工序中加工過程的動畫演示,進而全面了解機加工規程。通過鼠標、鍵盤等設備替代加工過程中的人為操作步驟,實現視角變換、場景跳轉等人機交互功能,達到相關工序細節觀察和工藝分析的目的,進而增強了操作感,使學習者加深對加工步驟的理解。

減速器箱體加工流水線虛擬仿真系統具有替換性,可以通過改變系統中的模型,迅速完成一條新的加工流水線的搭建。

筆者在開發中試圖解決傳統教學方法中物理條件與經濟條件方面存在的限制,為學習者創造與現實相近的實踐環境,從而促進學習者的工程意識、實踐能力和創新思維的形成。應用減速器箱體加工流水線虛擬仿真系統,在提升教學效率的同時,降低了教學與實踐成本,并有助于激發學習者的學習積極性和創新思維。