數(shù)控機(jī)床刀架虛擬裝配仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 宇

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222)

數(shù)控機(jī)床刀架虛擬裝配仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 宇

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222)

以LDB4數(shù)控機(jī)床刀架為例，搭建了可視化交互仿真系統(tǒng)的總體框架，闡述了在 EON開發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)虛擬裝配運(yùn)動(dòng)仿真的過程以及裝配路徑的規(guī)劃方式。以VC++6.0為集成工具，進(jìn)行了系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)，將各功能模塊進(jìn)行了封裝，完成了虛擬裝配仿真系統(tǒng)的開發(fā)。

虛擬裝配;仿真;路徑規(guī)劃

虛擬裝配系統(tǒng)以裝配對象的三維實(shí)體模型為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)上對裝配操作的全過程進(jìn)行仿真，真實(shí)地模擬和展示產(chǎn)品的相關(guān)特性。虛擬裝配系統(tǒng)的作用主要有:在設(shè)計(jì)和制造階段，可以通過仿真環(huán)境優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，避免或減少產(chǎn)品實(shí)際加工中的反復(fù)試制或改進(jìn);在裝配階段，可以通過虛擬環(huán)境模擬裝配過程，利用計(jì)算機(jī)對裝配序列、裝配路徑的規(guī)劃進(jìn)行驗(yàn)證和糾錯(cuò)，從而降低裝配成本;將虛擬裝配與實(shí)際裝配相結(jié)合，創(chuàng)建沉浸、半沉浸的虛擬環(huán)境，對于培訓(xùn)和教學(xué)而言，可以提高裝配操作人員的工作效率［1－2］。

數(shù)控機(jī)床刀架是數(shù)控車床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是重要的功能部件，它在一定程度上標(biāo)志著數(shù)控車床的技術(shù)水平，并且與加工精度和生產(chǎn)效率密切相關(guān)。通過虛擬裝配仿真系統(tǒng)可以更加安全、高效地掌握數(shù)控機(jī)床刀架的工作原理和裝拆方法，對于數(shù)控機(jī)床的檢測和故障維修具有重要意義。LDB4數(shù)控機(jī)床刀架為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床電動(dòng)刀架，在加工制造業(yè)具有廣泛的應(yīng)用場合。本文以LDB4數(shù)控機(jī)床刀架的虛擬仿真為背景，以虛擬裝配培訓(xùn)為目標(biāo)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)原理，為產(chǎn)品裝配過程的設(shè)計(jì)、規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)仿真分析構(gòu)建一個(gè)實(shí)用的平臺。這個(gè)系統(tǒng)可通過人機(jī)交互的方式，對裝配體進(jìn)行模型展示、裝配序列和裝配路徑的模擬，同時(shí)可結(jié)合分析驗(yàn)證裝配序列的可行性與合理性［3］。

1 系統(tǒng)功能模塊及總體框架

1.1 開發(fā)環(huán)境的選擇

EON Studio是一種虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境生成工具，可以依據(jù)使用者的意圖，研發(fā)實(shí)時(shí)3D應(yīng)用程序。本文選用VC++6.0與EON Studio相結(jié)合，進(jìn)行交互式虛擬裝配仿真系統(tǒng)的開發(fā)。所設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床刀架虛擬裝配系統(tǒng)，主要應(yīng)用于教學(xué)，系統(tǒng)在滿足虛擬裝配仿真的基礎(chǔ)上，易學(xué)易用，操作簡便靈活，并具備可拓展的功能。

1.2 系統(tǒng)的構(gòu)成

構(gòu)建虛擬仿真系統(tǒng)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床刀架三維可視化模型的展示，按照合理的裝配序列和裝配路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和人機(jī)交互操作訓(xùn)練。本文所建立的交互式虛擬裝配仿真系統(tǒng)主要包括三維模型創(chuàng)建模塊、模型導(dǎo)入模塊、裝配仿真模塊、人機(jī)交互模塊、功能集成模塊。在功能上主要包括裝配體零部件結(jié)構(gòu)展示、快速裝拆仿真、虛擬裝配和虛擬拆卸。

2 技術(shù)路線及功能實(shí)現(xiàn)方法

2.1 三維模型的創(chuàng)建與導(dǎo)入

本文選擇利用Pro/E建立LDB4數(shù)控機(jī)床刀架的三維模型，用它建立的三維數(shù)據(jù)模型具有準(zhǔn)確的尺寸。為便于網(wǎng)絡(luò)傳輸和進(jìn)一步控制，將Pro/E建立的三維數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入到3DMAX中進(jìn)行材質(zhì)設(shè)置，之后通過3 DMAX與EONStudio的接口插件，可方便地導(dǎo)入 EON Studio 進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)［4－5］。

2.2 虛擬運(yùn)動(dòng)仿真功能實(shí)現(xiàn)

2.2.1 EON Studio 的功能節(jié)點(diǎn)

在EON Studio系統(tǒng)中，各種功能主要通過節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)是一個(gè)具有功能和數(shù)據(jù)的對象，節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息一般包括域(field)和事件(event)兩個(gè)方面，可以對節(jié)點(diǎn)的屬性進(jìn)行設(shè)置，或者對節(jié)點(diǎn)接收到的信息進(jìn)行修改，也可以通過接口來操作其他節(jié)點(diǎn)。圖1所示為EON Studio中節(jié)點(diǎn)的事件驅(qū)動(dòng)原理。

圖1 EON Studio中節(jié)點(diǎn)的事件驅(qū)動(dòng)原理

2.2.2 虛擬裝配路徑規(guī)劃

裝配路徑是零部件在虛擬裝配空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡。裝配路徑的規(guī)劃除包含了裝配的工藝路線，亦包含了零件行走的正確軌跡，確保零部件更合理的裝配，同時(shí)也獲得更高的裝配精度。

本文數(shù)控機(jī)床刀架裝配體的設(shè)計(jì)是在完成零件造型的基礎(chǔ)上，新建一個(gè)裝配體，然后點(diǎn)擊瀏覽，依次選擇要插入的零部件即可。LDB4數(shù)控機(jī)床刀架裝拆過程中零件的運(yùn)動(dòng)軌跡主要包括直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)零件之間的裝配約束關(guān)系用3個(gè)坐標(biāo)方向的位移以及繞這3個(gè)坐標(biāo)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)表示。針對具體的運(yùn)動(dòng)方式，在本文描述的虛擬裝配系統(tǒng)當(dāng)中主要利用Script節(jié)點(diǎn)、Path node節(jié)點(diǎn)和Place節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行控制。其中:Script節(jié)點(diǎn)主要用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和輸出［6］;Path node節(jié)點(diǎn)用來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)仿真;Place節(jié)點(diǎn)用來實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)仿真。

2.3 人機(jī)交互控制與系統(tǒng)集成

EON Studio提供了與外部應(yīng)用程序之間的通信接口EONX，EONX其實(shí)是一個(gè) ActiveX控件，它能使EON Studio開發(fā)的應(yīng)用程序在其他應(yīng)用程序中顯示并正常運(yùn)行［7］。本文通過VC++調(diào)用EONX控件的接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)傳遞。實(shí)現(xiàn)VC++與 EON Studio之間的通信過程的主要程序流程如下:

a.在 EON Studio中建立EventIn節(jié)點(diǎn)和EventOut節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)事件的輸入與輸出。

b.在 EON Studio中建立 JScript節(jié)點(diǎn)，將JScript節(jié)點(diǎn)與EventIn節(jié)點(diǎn)或Event Out節(jié)點(diǎn)連接，JScript節(jié)點(diǎn)可以從EventIn節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給EventOut節(jié)點(diǎn)。

c.在交互界面上通過按鈕或文本框發(fā)送指令給VC++和EON Studio的接口程序，觸發(fā)EON Script的事件。

d.在VC++中添加消息響應(yīng)函數(shù)，對EventOut進(jìn)行監(jiān)聽，并利用 SendEve函數(shù)將 VC++的數(shù)據(jù)傳輸給 EventIn 節(jié)點(diǎn)［8］。

2.4 實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線

根據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的上述任務(wù)，確定本文實(shí)現(xiàn)LDB4數(shù)控電動(dòng)刀架虛擬裝配仿真系統(tǒng)的技術(shù)路線為:

a.利用三維幾何建模軟件構(gòu)建設(shè)備模型，并對模型的品質(zhì)等進(jìn)行優(yōu)化。

b.將三維模型輸出為EON Studio能夠識別的文件格式。通過三維幾何建模軟件和虛擬現(xiàn)實(shí)軟件的數(shù)據(jù)接口，將模型轉(zhuǎn)入到系統(tǒng)開發(fā)平臺中，檢查產(chǎn)品的初始模型是否正確，進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋和修改。通過可視化顯示與分析，實(shí)現(xiàn)裝拆項(xiàng)目的加載。

c.進(jìn)行裝配路徑和零部件運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃，生成裝配序列并記錄序列信息。裝配路徑的規(guī)劃包括裝配約束的定義、裝配定位和裝配序列規(guī)劃等，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)仿真和設(shè)備拆裝的自動(dòng)演示。

d.創(chuàng)建基于裝配序列和裝配路徑交互式虛擬裝拆模塊，在虛擬裝拆的過程中提供相關(guān)知識信息。

LDB4數(shù)控機(jī)床刀架虛擬裝配仿真系統(tǒng)的技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 LDB4數(shù)控機(jī)床刀架虛擬裝配仿真系統(tǒng)技術(shù)路線圖

3 刀架裝拆的虛擬仿真過程模擬

完成的LDB4數(shù)控機(jī)床刀架虛擬裝配仿真系統(tǒng)如圖3所示。圖3(a)為LDB4數(shù)控機(jī)床刀架仿真模型，圖3(b)為LDB4數(shù)控機(jī)床刀架虛擬裝配仿真系統(tǒng)的爆炸圖。系統(tǒng)直觀地表達(dá)出零部件之間的裝配關(guān)系與裝配意圖，為虛擬裝配做準(zhǔn)備。裝配模型中主要零部件及裝配順序規(guī)劃如下:下刀體組件及中軸組件→電源線接線柱→上刀體組件→壓簧→離合銷→銷→離合盤→平面軸承→止退圈→定位鍵→鎖緊螺母→螺釘→發(fā)訊盤→小螺母→磁鋼組件→螺釘→上罩→螺釘→防水墊→防水螺釘。LDB4數(shù)控機(jī)床刀架虛擬裝配仿真系統(tǒng)操作及模塊功能示意如圖4所示。操作者可根據(jù)此運(yùn)動(dòng)仿真模型了解刀架結(jié)構(gòu)組成、零部件之間的裝配關(guān)系，進(jìn)行快速裝配或拆卸模擬，如圖4(a)所示。亦可在虛擬環(huán)境下進(jìn)行刀架裝配或拆卸練習(xí)。以裝配練習(xí)模塊為例，當(dāng)操作者將鼠標(biāo)靠近任意一個(gè)零件，系統(tǒng)即自動(dòng)顯示該零件的基本信息，并提示裝配路徑中該零件所涉及到的相鄰零部件。虛擬裝拆過程中的裝配體信息提示如圖4(b)所示。如操作者未按正確路徑進(jìn)行裝配或拆卸操作，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行報(bào)錯(cuò)提示，同時(shí)部件無響應(yīng)。

圖3 LDB4數(shù)控機(jī)床刀架虛擬裝配仿真系統(tǒng)

圖4 LDB4數(shù)控機(jī)床刀架虛擬裝配仿真系統(tǒng)操作及模塊功能示意

4 結(jié)論

基于本文的研究工作可以得出以下基本結(jié)論:

a.借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以LDB4數(shù)控機(jī)床刀架的拆裝為例，開發(fā)了具有交互功能的虛擬裝配仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)通過人機(jī)交互的方式，對裝配體的組成零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和裝配序列的認(rèn)知以及實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)仿真。為產(chǎn)品裝配過程的設(shè)計(jì)、規(guī)劃和分析提供了平臺;為利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和教學(xué)訓(xùn)練提供了可借鑒的途徑。

b.系統(tǒng)以 EON Studio作為仿真環(huán)境，利用VC++6.0進(jìn)行了二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了軟件之間的對接，為虛擬仿真問題的開發(fā)工具選擇提供了參考。

c.進(jìn)一步擴(kuò)充和完善現(xiàn)有的虛擬仿真系統(tǒng)，深入研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品沉浸式的交互仿真，是今后進(jìn)一步的研究方向。

［1］夏平均，陳朋，郎躍東，等.虛擬裝配技術(shù)的研究綜述［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21(8):2267 － 2272.

［2］Marcelino L，Murray N，F(xiàn)ernando T.A constraint manager to support virtual maintainability［J］.Computers ＆Graphics，2003，27(1):19－26.

［3］劉誠，付宜利.基于EON的交互式虛擬裝配仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，37(8):109 －111.

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［6］張秀山.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及編程技巧［M］.長沙:國防科技大學(xué)出版社，1999.

［7］黃昌，婁燕，胡琳，等.基于EON的三坐標(biāo)測量機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)［J］.微計(jì)算機(jī)信息(測控自動(dòng)化)，2010，26(11):81 －83.

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The Design of Virtual Assembly Simulation System in CNC Machine Tool

ZHANG Yu
(Tianjin University of Technology and Education ，Tianjin，300222，China)

Taking the LDB4 NC machine tool turret as an example，it builds the framework of visual interactive simulation system，discusses the planning process of virtual assembly simulation and assembly path based on the EON development environment.Based on VC++6.0，it develops the system interface，packages the every function module，realizes the development of virtual assembly simulation system.

Virtual Assembly;Simulation;Path Planning

TP391

A

2095－509X(2013)05－0016－03

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.05.004

2012－12－17

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)重大課題(2011AA04A102);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31171457);天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)科研發(fā)展基金資助項(xiàng)目(KJ11－03)

張宇(1979—)，女，遼寧錦州人，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)講師，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)、虛擬仿真。