普通車床仿真實訓系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

李彩風，李海濤，孫振杰，張曉芳，孫志平（河北機電職業(yè)技術(shù)學院 機械工程系，河北 邢臺 054000）

普通車床仿真實訓系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

李彩風，李海濤，孫振杰，張曉芳，孫志平
（河北機電職業(yè)技術(shù)學院 機械工程系，河北 邢臺 054000）

傳統(tǒng)的普通車床實訓受實訓成本、實訓時間和實訓場地的限制，使實訓效果大受影響，安全也難以保證。實踐證明，在實訓環(huán)節(jié)初期，學生利用Creo軟件和Unity3D軟件功能開發(fā)的普通車床仿真實訓系統(tǒng)進行實訓，可大大縮短學生掌握機床操作技能的時間，提高實訓效果。

高職教育；車床；仿真實訓系統(tǒng)；職業(yè)技能

0　引 言

實訓是高職學生形成職業(yè)技能和職業(yè)素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，但在整個實訓過程中均采用實物實訓，受實訓成本、實訓時間、實訓場地的限制，加之安全保障問題，使學生的實踐動手能力不能得到足夠的鍛煉，大大影響了實訓效果[1]。近年來，教育部頒布了一系列的相關(guān)文件，大力提倡實訓環(huán)節(jié)采用虛擬仿真技術(shù)，以解決高職院校普遍存在的實習實訓難等問題，推進綠色實訓與教育公平。采用仿真實訓系統(tǒng)進行實訓，可有效解決實訓中存在的各種困難，彌補實物實訓的不足，提高實訓效果，同時還可改變傳統(tǒng)的職業(yè)教育模式[2]。目前，對汽車、數(shù)控機床等方面的實訓系統(tǒng)研究較為關(guān)注，對普通車床的研究較少，不能滿足其仿真實訓的要求。在實訓環(huán)節(jié)初期，學生利用普通車床仿真實訓系統(tǒng)進行實訓內(nèi)容的模擬訓練，可掌握機床的基本結(jié)構(gòu)組成、操作方法和操作流程，然后再在實物機床上進行操作訓練，可大大提高實訓效果，使學生能在較短的時間內(nèi)熟練掌握機床操作技能，減少操作失誤。本文主要探討普通車床仿真實訓系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用。

1　系統(tǒng)總體方案

根據(jù)實訓內(nèi)容和知識難點，仿真實訓系統(tǒng)采用三維模型展現(xiàn)普通車床，學生利用仿真系統(tǒng)中的功能按鈕和互動操作，了解各部分的結(jié)構(gòu)和工作原理，如各部件之間的連接關(guān)系、傳動系統(tǒng)的傳動路線及主軸箱變速原理等，還可進行操作，如變速操作、溜板箱的運動和部件拆裝等。利用實訓系統(tǒng)反復多次進行訓練，熟練后再實物操作，可大大提高學生實踐操作的效果[3]。系統(tǒng)總體方案為：利用Creo軟件創(chuàng)建車床的三維模型，利用Unity3D軟件進行車床模型的鏈接和系統(tǒng)的開發(fā)。

2　系統(tǒng)的開發(fā)實現(xiàn)

2.1基于Creo軟件的普通車床幾何模型的建立

利用Creo軟件創(chuàng)建車床的三維模型。Creo軟件是美國PTC公司在2010年推出的計算機輔助設(shè)計軟件包，是當今主流的 CAD/CAM/CAE軟件之一[4]。利用Creo軟件的參數(shù)化建模，能輕松捕獲設(shè)計意圖，設(shè)計者可隨時對模型進行修改；利用族表命令，定義和創(chuàng)建同一系列的零件，進行零部件庫的建立，使用方便。

2.1.1零件幾何模型的創(chuàng)建。由于實訓系統(tǒng)的幾何模型是對現(xiàn)有的車床進行測繪后建立的，所有零件的形狀和尺寸都已知，所以采用自底向上的方法創(chuàng)建幾何模型。首先對各主要零件的相關(guān)尺寸進行測繪，然后利用Creo軟件的零件建模模塊，完成主要零件的三維造型。為了增強實訓的外觀效果，零件造型創(chuàng)建完成后，需要進行渲染，包括材質(zhì)的選取、顏色的設(shè)置和燈光的使用等。溜板箱箱體的造型和車床床身的三維造型如圖1～圖2所示。

2.1.2虛擬裝配與運動仿真。根據(jù)車床各零部件之間的裝配順序和位置關(guān)系，在Creo軟件的裝配模塊中完成零部件裝配和整體裝配，分析各零部件之間有無干涉現(xiàn)象，進行參數(shù)的修改和優(yōu)化。在車床機構(gòu)模塊中進行運動仿真，觀察各機構(gòu)的運動狀態(tài)是否滿足要求。

圖1　溜板箱箱體的造型

圖2　車床床身的三維造型

（1）虛擬裝配。Creo軟件提供兩種裝配方式：一是利用裝配約束進行裝配；二是利用連接關(guān)系進行裝配，主要根據(jù)各零部件在工作過程中有無相對運動進行選擇。對于無相對運動的零部件，通過裝配約束添加到裝配體中。常用的裝配約束有重合、距離、平行、法向、角度偏移、相切等，根據(jù)零部件的正確位置來選擇。裝配完成后零部件完全約束，固定不動，約束設(shè)置值作為參數(shù)可隨時修改，并可與其他參數(shù)建立關(guān)系方程，即整個裝配體實際上是一個參數(shù)化的裝配體[5]。對于有相對運動的零部件，需要通過連接關(guān)系來裝配，定義的零部件具有一定的自由度，可進行旋轉(zhuǎn)或移動。常用的連接關(guān)系有銷、滑塊、圓柱、平面、球等，使用時根據(jù)零部件的運動方式正確選擇。

車床主軸變速機構(gòu)裝配效果和機床總裝配效果如圖3～圖4所示。

（2）運動仿真。運動仿真主要包括主軸傳動系統(tǒng)、進給傳動系統(tǒng)、刀架和溜板箱及尾座的運動仿真等。通過運動仿真可直觀地觀察各零部件之間的運動狀態(tài)和相互運動關(guān)系，便于理解和掌握實訓內(nèi)容。

圖3　車床主軸變速機構(gòu)裝配效果

運動仿真是在Creo軟件中的“應(yīng)用程序”→“機構(gòu)模塊”中完成的。創(chuàng)建機構(gòu)運動仿真的一般步驟為：一是在裝配環(huán)境裝配完成后，單擊菜單欄菜單“應(yīng)用程序”→“機構(gòu)”按鈕，系統(tǒng)便進入機構(gòu)模塊，可定義齒輪、凸輪等副機構(gòu)的連接；二是定義伺服電動機；三是進行運動分析；四是進行機構(gòu)回放；五是分析測量。

圖4　機床總裝配效果

2.2系統(tǒng)的實現(xiàn)

對各種虛擬現(xiàn)實軟件進行比較，最終選擇Unity3D軟件進行開發(fā)。Unity3D軟件可創(chuàng)建三維游戲、虛擬漫游及虛擬展示等多種內(nèi)容，學生能輕易上手；同時將所開發(fā)軟件發(fā)布到Windows,iPhone,Android等系統(tǒng)，學生可在計算機和手機上完成實訓系統(tǒng)的學習，使用方便。

利用Unity3D軟件的各種函數(shù)功能，在仿真實訓系統(tǒng)中制作界面、轉(zhuǎn)換幾何模型格式和編寫動作代碼，可實現(xiàn)仿真實訓系統(tǒng)的功能。

2.2.1制作界面。為了更好地實現(xiàn)人機交互功能，在實訓系統(tǒng)界面布置一定的功能按鈕，如“主傳動系統(tǒng)”“進給傳動系統(tǒng)”“部件拆裝”等。學生通過點擊按鈕即可進入相應(yīng)內(nèi)容進行學習和操作練習，使用方便。Unity3D軟件通過重載OnGUI函數(shù)，將各個功能按鈕布置在屏幕相應(yīng)的位置上[6]。

2.2.2轉(zhuǎn)換幾何模型格式。Unity3D軟件所能識別的模型為FBX格式，與Creo軟件所建立的幾何模型無法直接實現(xiàn)共享。在制作過程中，需要對幾何模型進行格式轉(zhuǎn)換，即采用3DMAX軟件將幾何模型導出成為FBX格式，然后再調(diào)入到Unity3D軟件中。

2.2.3編寫動作代碼。根據(jù)車床各零部件的運動狀態(tài)與規(guī)律，選擇合適的運動參數(shù)編寫動作代碼。普通車床零部件主要運動方式有移動、旋轉(zhuǎn)和縮放。車床主軸傳動系統(tǒng)運動控制部分代碼如下：

#pragma strict

var g_fMoveSpeed:float=10.0;

var g_fShiftSpeedScale:float=3.0;

private var BtnScrDist=18;

function OnGUI(){

if(!this.active)

return;

var ScreenWidth=Screen.width;

var ScreenHeight=Screen.height;

var fDeltaTime=Time.deltaTime;//前后及左右移動

if(GUI.RepeatButton(Rect(BtnScrDist, BtnScrDist,80,80),“主軸箱”)){

Application.LoadLevel("1");

}

else if(GUI.RepeatButton(Rect(90+BtnScrDist, BtnScrDist,80,80),“系統(tǒng)圖”)){

Application.LoadLevel("8");

}

if(GUI.RepeatButton(Rect(180+BtnScrDist, BtnScrDist,80,80),“表達式”)){

Application.LoadLevel("7");

}

else if(GUI.RepeatButton(Rect(270+BtnScrDist, BtnScrDist,80,80),“滑移變速”)){

Application.LoadLevel("6");

}

if(GUI.RepeatButton(Rect(360+BtnScrDist, BtnScrDist, 80, 80), "正轉(zhuǎn)高速")){

Application.LoadLevel("2");

}

else if(GUI.RepeatButton(Rect(450+BtnScrDist, BtnScrDist, 80, 80), "正轉(zhuǎn)低速")){

Application.LoadLevel("3");

}

if(GUI.RepeatButton(Rect(540+BtnScrDist, BtnScrDist, 80, 80), "反轉(zhuǎn)高速")){

Application.LoadLevel("4");

}

else if(GUI.RepeatButton(Rect(630+BtnScrDist, BtnScrDist, 80, 80), "反轉(zhuǎn)低速")){

Application.LoadLevel("5");

}

}

完成后的車床仿真實訓系統(tǒng)主界面和主運動鏈界面如圖5～圖6所示。

3　應(yīng)用實例

普通車床仿真實訓系統(tǒng)可直接在Windows系統(tǒng)或Android系統(tǒng)中安裝使用，通過鼠標操作即可。如普通車床主軸拆裝實訓目的是，讓學生掌握普通車床主軸部件的結(jié)構(gòu)組成和拆裝工藝。在實訓初期，學生利用仿真實訓系統(tǒng)進行模擬拆裝，打開仿真實訓系統(tǒng)，鼠標點擊界面上的“主軸拆裝”按鈕，即可進入拆裝界面進行主軸的拆裝仿真實訓界面；點擊“開始拆卸”按鈕，系統(tǒng)會以動畫的形式模擬拆卸過程，各個零部件以拆卸工藝順序，一個個地與主軸零件分開，放到指定位置上。學生通過模擬訓練，掌握機床主軸部件的組成及各個零部件的相互位置關(guān)系，掌握主軸拆裝的順序，達到實訓目的，使用方便。

圖5　車床仿真實訓系統(tǒng)主界面

圖6　車床仿真實訓系統(tǒng)主運動鏈界面

4　結(jié)束語

在實訓環(huán)節(jié)初期，學生利用仿真實訓系統(tǒng)進行訓練，之后再進行實物操作，能較快地掌握實訓內(nèi)容，縮短實訓時間，安全性較高，節(jié)約成本，提高學生動手能力，為以后走上工作崗位打下堅實的基礎(chǔ)。此外，仿真實訓系統(tǒng)的開發(fā)可讓學生共同參與，進一步加深學生對知識的掌握和理解，有利于創(chuàng)新能力和動手能力的培養(yǎng)。

[1]劉琳，胡強.基于3DS MAX/Virtools的機電設(shè)備拆裝仿真實訓[J].中國教育信息化·高教職教，2010(19):85-86.

[2]金文.仿真實訓系統(tǒng)在實踐教學中的應(yīng)用[J].中國職業(yè)技術(shù)教育，2008(18):40-41.

[3]孫俊蘭，趙健，劉德仿.機械制造教學實訓仿真系統(tǒng)的構(gòu)建[J].鹽城工學院學報(社會科學版)，2012(3):87-90.

[4]三維造型設(shè)計[M].孫志平，楊立云，主編.北京:機械工業(yè)出版社，2013:6.

[5]Creo11.0機械設(shè)計教程[M].詹友剛，主編.北京:機械工業(yè)出版社，2012:189.

[6]張新莊.基于Unity3D的車床虛擬仿真實訓系統(tǒng)開發(fā)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2015(1):140.

[責任編輯：吳百中]

Development and Application of Simulated Training System of Ordinary Lathe

LI Caifeng, LI Haitao, SUN Zhenjie, ZHANG Xiaofang, SUN Zhiping
(Department of Mechanical Engineering, Hebei Institute of Mechanical and Electronical Technology, Xingtai, 054000, China)

The efficiency of traditional ordinary lathe training is greatly affected by cost, time and training place, and besides it is hard to ensure the security. It is proved that at the beginning of the training, applying the simulated ordinary lathe based on Creo and Unity3D can greatly shorten students’ time in grasping the skill of lathe operation and improve the training efficiency.

Vocational education; Lathe; Simulated training system; Professional skill

TP391.92；TG511

A

1671-4326(2016)01-0048-04

10.13669/j.cnki.33-1276/z.2016.012

2015-12-04

河北省高等學校科學技術(shù)研究項目（Z2014100）

李彩風（1978—），女，河北張家口人，河北機電職業(yè)技術(shù)學院機械工程系講師，碩士；李海濤（1977—），男，河北邢臺人，河北機電職業(yè)技術(shù)學院機械工程系副教授，碩士；孫振杰（1980—），男，河北滄州人，河北機電職業(yè)技術(shù)學院機械工程系講師，碩士；張曉芳（1979—），女，河北石家莊人，河北機電職業(yè)技術(shù)學院機械工程系講師，碩士；孫志平（1972—），女，河北邢臺人，河北機電職業(yè)技術(shù)學院機械工程系副教授，碩士.