减速器箱体加工流水线虚拟仿真系统

□ 曾安达 □ 徐林红 □ 王直峰 □ 谭嘉恒 □ 康红梅

中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院 武汉 430074

1 开发背景

虚拟仿真技术是一种可以构建虚拟场景,实现真实体验的计算机仿真技术,具有操作简便、形象逼真、交互性强、成本较低等优点,已被大量应用。在一些难以实现、危险性高或实践成本高的场合,应用虚拟仿真技术能轻易地解决问题。

机械制造工艺学是机械相关专业的基础课,要求学生能够了解机械制造过程中各个工艺的加工过程。在传统的教学模式中,教师通过仅有的演示文稿和相关视频向学生展示理论知识和相应的实际操作。对于一些复杂的零件或结构体,仅仅凭借语言在很大程度上不能够完全表述清楚,学生对知识的理解和掌握不全面。另一方面,许多高校由于时间、空间、财力的限制,往往不能自由地组织学生进行生产实习,并且不能提供足够的加工设备等资源。

针对培养人才时资源不够充分,可利用教育资源过于陈旧与稀少的问题,教育部将由虚拟仿真技术衍生的虚拟仿真教学平台列入国家中长期教育改革和发展规划纲要,提出加快建设教育信息基础设施,通过对优质教育资源的开发和利用,构建网络教学资源体系,建立虚拟仿真平台,激发学生在人才培养过程中充分的主观能动性。学生通过理论知识了解整体工艺流程后,在虚拟仿真系统中进行近距离观察,对加工工艺的理解会更加深刻,教学效果更好。

笔者基于一级减速器加工流水线,应用CREO、SolidWorks等软件进行建模,应用3DMAX软件进行模型渲染,通过Unity3D软件的虚拟仿真技术,对减速器箱体加工流水线虚拟仿真系统进行了开发。

2 减速器概述

减速器是一种用于降低转速、增大转矩的装置,广泛应用于各个行业。减速器有一个封闭的刚性箱体,内部包含蜗轮、蜗杆、轴承、传动轴等零件,可分为齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、齿轮蜗杆传动。笔者开发中涉及的减速器是圆锥-圆柱齿轮减速器,这类减速器在传动机构中的工作方式如图1所示。

3 减速器箱体工艺分析

在减速器箱体加工流水线虚拟仿真系统开发中,需要确定加工工艺顺序,这不仅影响生产流水线设备的布置,而且决定了刀具和夹具的设计,以及加工动画的制作。在确定加工工艺顺序时,应当遵循先面后孔、先粗后精、工序适当等原则。基于加工工艺顺序,开发出最佳的减速器箱体加工流水线虚拟仿真系统。

▲图1 减速器工作方式

笔者对减速器箱体虚拟仿真系统中箱体的加工工艺顺序做了划分,内容分为三部分。第一部分是箱座加工,工序主要有铣接合面、地脚底面,钻接合面、地脚螺栓孔,锪沉头孔,钻排油孔、内螺纹等。第二部分是箱盖加工,工序主要有铣接合面、窥视窗面,钻锪接合面连接螺栓孔及其沉头孔,钻启盖螺钉孔、吊钩孔、注油孔、窥视窗座螺孔及螺纹等。第三部分是合箱后加工,工序主要有铣轴承座孔端面、钻轴承座孔端面螺孔及螺纹、镗轴承座孔等。

4 开发流程

减速器箱体加工流水线虚拟仿真系统开发流程如图2所示。

减速器箱体加工流水线虚拟仿真系统的开发以节省成本、方便操作、降低危险为目的,主要用于辅助课堂教学和部分代替工厂实习。减速器箱体加工流水线虚拟仿真系统应该具备真实加工流水线的主要特点,包括合理的机床与传送带位置布置、各机床正确的加工工序,以及适应减速器箱体零件的夹具与刀具等,并且能够通过人机交互实现不同加工工序之间的自由切换,进而优化系统的逻辑层次。

减速器箱体加工流水线虚拟仿真系统的整体框架可以分为实物层、逻辑层、展示层三个部分。实物层负责系统主体构建,是整个仿真系统的核心及内容基础,包括所有三维模型的建立、优化及贴图渲染。逻辑层负责实现仿真动画与交互功能,包括场景搭建、动画设计、交互代码编写等。展示层负责将所有功能整合打包发布后向使用者呈现虚拟仿真系统。以上三个部分以主场景与各个子场景相配合的形式进行展现。减速器箱体加工流水线虚拟仿真系统开发逻辑框架如图3所示。

5 三维实体建模

为便于刀具和夹具的设计,并使加工动画中走刀路线有据可循,需要对减速器箱体进行精确建模。通过CREO软件中的拉伸、壳、扫描等建模功能,参照毛坯图及二维零件图中的参数,对减速器箱体的箱盖和箱座进行建模。在此基础上,为实现合箱后加工过程的演示,需要将箱座与箱盖做成装配体。这一过程中,对连接箱盖与箱座的螺栓紧固件进行建模,创建减速器箱体装配体文件,将箱盖、箱座、螺栓紧固件添加至装配体文件中进行装配。箱盖、箱座及减速器箱体模型依次如图4、图5、图6所示。

▲图2 减速器箱体加工流水线虚拟仿真系统开发流程

▲图3 减速器箱体加工流水线虚拟仿真系统开发逻辑框架

6 工艺装备建模

减速器箱体加工流水线虚拟仿真系统加工工艺顺序分为三个部分。第一部分加工箱座,应用的刀具有盘铣刀、组合钻锪一体刀、钻刀、攻丝刀等。第二部分加工箱盖,应用的刀具有盘铣刀、组合钻锪一体刀、组合钻刀等。第三部分为合箱后加工,应用的刀具有铣刀、组合钻刀、组合攻丝刀、镗刀等。这些刀具在形体特征上呈现诸多几何排布规律。考虑到以上特点,在建模时合理运用阵列、镜像、投影等创建方式,使建模更有效率且便于优化。以铣接合面的盘铣刀和镗轴承座孔的镗刀为例,展示刀具建模效果,如图7所示。

▲图4 箱盖模型

▲图5 箱座模型

▲图6 减速器箱体模型

夹具在机械加工过程中用于固定加工对象,保证位置正确,从而可以进行后续加工或检测。在减速器箱体加工流水线虚拟仿真系统中,为还原真实加工流水线的加工过程,夹具的设计必不可少。通过挡板、挡销、压块等夹具来对减速器箱体零件进行定位约束,使后续的铣、钻、镗、锪等工序加工精度更高。

在设计夹具时,应根据工件的特征来考虑夹具的摆放位置,确定每个夹具所要约束的自由度与作用,进而确定夹具的形状、种类、尺寸等要素。在设计过程中,为确保减速器箱体零件位于正确的加工位置,以侧面挡板来约束减速器箱体零件的X轴方向自由度,辅以挡销来控制Y轴方向自由度。为防止在钻、铣、锪等工序中刀具撞到底板,在底部使用开孔垫板将减速器箱体零件垫高,垫板开孔可以预防刀具与夹具的直接接触。为约束减速器箱体零件Z轴方向自由度,对不同加工工艺顺序中的箱盖与减速器箱体采用L形夹块、半圆形夹块。应根据具体的工艺要求来确定夹具的定位方式,对工艺要求越高的工序,夹具的定位精度要求也就越高。如在铣削精度要求较高的轴承座孔时,为尽可能保证两输出轴轴承座孔的同轴度,以及输出轴与输入轴轴承座孔的垂直度,采取一面两销的定位方式,配合挡板、挡销、L形夹块进行精确定位。以合箱后镗孔工序所应用的夹具为例,展示夹具的建模效果,如图8所示。

▲图7 刀具模型

对于加工流水线设备,基于减速器箱体的生产纲领,来确定加工流水线所使用的设备类型。综合考虑设备的加工能力等因素后,对基础加工设备进行改进,增加辅助传输等设备,适应加工流水线的需求。在开发中,追加设计一些结构,使设备间相协调,并满足功能要求,提高设备的实用性。参考一些零件或机构的样式,重新设计并搭建零件或机构的模型,来替换原有的零件和机构。以翻转机与数控铣床为例,展示加工流水线设备的建模效果,如图9所示。

▲图8 夹具模型

▲图9 加工流水线设备模型

7 模型优化

在建模软件中,模型的几何特征是由几何面构成的。计算机在处理模型时需要计算大量的几何面,过多的面数会降低计算速度。由此可见,对模型进行优化相当有必要。将在CREO软件中创建的原始模型导入3DMAX软件进行优化。箱盖模型优化前后对比如图10所示。由图10可以看出,优化后箱盖模型面数由85 486减少至8 744。模型优化极大降低了虚拟引擎的负担。而在感观上,面数差异在虚拟环境中差别不大,几乎不影响视觉体验。

▲图10 箱盖模型优化前后对比

8 虚拟仿真环境搭建

开发减速器箱体加工流水线虚拟仿真系统的目的是准确反映实际生产中的加工过程,从而实现辅助教学和替代实习。为了实现对加工过程的精准动画仿真,采用一个主场景与多个子场景协同的结构,通过将减速器箱体加工流水线厂房的整体场景与各设备加工的场景分开搭建的方法,实现各场景动画间的互不干扰和任意切换,使学习者既能够更加细致地观察不同加工工序的具体加工过程,又可以操纵人物角色在加工流水线中参观遨游。减速器箱体加工流水线虚拟仿真系统场景框架如图11所示。

▲图11 减速器箱体加工流水线虚拟仿真系统场景框架

Unity3D软件自带的动画控制模块能够通过记录并播放模型在不同时间的位置、旋转、缩放来实现动画演示。笔者采用动画控制模块,按照实际生产中的加工工艺要求对各个场景中的夹具、刀具、减速器箱体零件进行相应的动画制作。在完成各场景动画制作之后,还需要使各场景之间能够相互跳转,以实现对不同加工工序的观察。笔者利用Unity3D软件中的场景管理器-加载场景命令,通过为不同的按钮添加该命令的点击事件,实现点击按钮时的场景跳转。将这些场景跳转的按钮统一设置在一个界面中,作为交互界面,如图12所示。应用代码实现交互界面的显示与隐藏,以防止使用者在观察加工过程时被遮挡视线。代码还具有显示交互界面后暂停当前场景动画演示的功能,便于隐藏交互界面后继续观察当前场景的加工动画,而非从头开始。相关代码如下:

void Update(){

if(isStop==true){//若“暂停事件”为真

if(Input.GetKeyDown(KeyCode.Escape)){//判断是否按下了退出键

Time.timeScale = 0f;//将时间暂停

isStop = false;//将“暂停事件”赋值为假

Menu.SetActive(true);} }//显示交互界面

else {//若“暂仃事件”为假

if(Input.GetKeyDown(KeyCode.Escape)){//判断是否按下了退出键

Time.timeScale = 1f;//将时间按照正常速度继续流动

isStop = true;//将“暂仃事件”赋值为真

Menu.SetActive(false);} } }//隐藏交互界面

▲图12 交互界面

9 人物移动与视角转换代码

为了使学习者在主场景中能够更好地观察减速器箱体加工流水线厂房各方位的布置,笔者为主场景添加一个带有摄像机的可移动物体,作为被操作角色来提供学习者视角。学习者可以通过键盘和鼠标来控制这一可移动物体移动、跳跃,以及摄像机视角的变换,进而能对加工流水线的各部位进行观察。

被操作角色移动的关键代码为:

if(playercontroller.isGrounded) {//判断所控制的对象是否在地面上

x=Input.GetAxis("Horizontal");//将变量x赋值为键盘左右箭头键输入的值,即x值在按下右箭头键时为1,按下左箭头键时为-1,都不按时为0

z=Input.GetAxis("Vertical");//将变量z赋值为键盘上下箭头键输入的值,即z值在按下上箭头键时为1,按下下箭头键时为-1,都不按时为0

move =(transform.right * x + transform.forward * z)*speed;//将变量x、z值分别乘以物体右方和前方的单位向量之后相加,再乘以物体移动速度,得到物体在X轴和Z轴两个方向上的移动速度,将之赋值给向量“移动”

if(Input.GetAxis("Jump")==1) {//判断是否按下空格键跳跃

move.y = jumpspeed; } }//跳跃动作后将起跳时的跳跃速度赋值给物体在Y轴方向上移动速度的变量,即向量“Y轴上的移动”

move.y-= g * Time.deltaTime;//将当前纵向位移的速度减去重力加速度与时间的乘积,得到实际的纵向位移速度,将该速度赋值给向量“Y轴上的移动”

playercontroller.Move(move* Time.deltaTime);//因为向量“移动”包含物体在三个方向的移动速度,所以向量“移动”乘以时间得到物体移动的距离

将得到的移动距离的坐标输入所控对象的坐标中,即可完成键盘控制移动的操作。

为了使移动效果更加逼真,为可移动物体添加角色控制器组件。这一组件与场景中其它模型上挂载的盒状碰撞器组件作用之后,可以实现碰撞检测的功能,用于防止学习者移动时发生穿模现象而产生不真实感。此外,在研究中还通过限制鼠标移动时输入数据的范围,实现对视角转换的限制,使摄像机上下视角最多只能旋转90°,既避免无限旋转视角时所带来的操作不便,又模仿人在现实中转头时的角度限制,提高系统的真实性。

视角转换的关键代码为:

x =Input.GetAxis("Mouse X")*mousespeed *Time.deltaTime ;//将鼠标左右移动的值乘以鼠标移动速度和时间,得到鼠标左右移动所表示的角度,将角度赋值给变量x

y =Input.GetAxis("Mouse Y")*mousespeed *Time.deltaTime ;//将鼠标前后移动的值乘以鼠标移动速度和时间,得到鼠标前后移动所表示的角度,将角度赋值给变量y

xmove-= y;//将鼠标前后方向移动的角度赋值给变量“X轴上的转角”,“X轴上的转角”为物体绕X轴旋转的角度,即视野上下转动的角度

xmove = Mathf.Clamp(xmove,-90,90);//将变量“X轴上的转角”值限制在-90°～90°之间,防止视野绕上下方向无限旋转

this.transform.localRotation = Quaternion.Euler(xmove,0,0);//将挂载脚本的对象的位置绕X轴旋转“X轴上的转角”,绕Y轴旋转0°,绕Z轴旋转0°

player.Rotate(Vector3.up * x);//使受控对象绕Y轴正方向的单位向量旋转“X轴上的转角”,即视角在左右方向旋转“X轴上的转角”

10 系统打包发布与测试

应用Unity3D软件,在生成设置界面中选择需要发布的平台,点击生成,软件就会对所有脚本、模型、动画进行整合,使其脱离Unity3D软件在计算机操作系统中直接运行。打包发布后运行减速器箱体加工流水线虚拟仿真系统,主场景测试效果如图13所示,学习者在主场景中以第一人称视觉操作角色移动。

▲图13 主场景测试效果

按下退出键显示交互界面后,点击相应按钮,即可跳转至相应加工场景,可以进一步观察相应加工工序的加工过程。以铣箱座接合面场景为例,展示加工工序场景,如图14所示。

▲图14 铣箱座接合面场景

11 结束语

笔者基于Unity3D软件开发了减速器箱体加工流水线虚拟仿真系统,实现了减速器箱体加工流水线各个加工工序中加工过程的动画演示,将减速器箱体加工过程制成可用于虚拟仿真教学的工具。

通过减速器箱体加工流水线虚拟仿真系统,学习者能够直观地全方位观看加工流水线各个工序中加工过程的动画演示,进而全面了解机加工规程。通过鼠标、键盘等设备替代加工过程中的人为操作步骤,实现视角变换、场景跳转等人机交互功能,达到相关工序细节观察和工艺分析的目的,进而增强了操作感,使学习者加深对加工步骤的理解。

减速器箱体加工流水线虚拟仿真系统具有替换性,可以通过改变系统中的模型,迅速完成一条新的加工流水线的搭建。

笔者在开发中试图解决传统教学方法中物理条件与经济条件方面存在的限制,为学习者创造与现实相近的实践环境,从而促进学习者的工程意识、实践能力和创新思维的形成。应用减速器箱体加工流水线虚拟仿真系统,在提升教学效率的同时,降低了教学与实践成本,并有助于激发学习者的学习积极性和创新思维。