王小龍 曹文繼 杜偉
摘 要:在國家節(jié)能環(huán)保政策的引導下,傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)面臨向新能源汽車領域轉(zhuǎn)型升級,國內(nèi)各大車企對新能源汽車人才需求旺盛。本文對驅(qū)動電機開展精細化反求設計,運用Handyscan和Solidworks軟件聯(lián)合搭建三維模型,聯(lián)合Unity3D軟件開發(fā)了北汽EC180驅(qū)動電機教學仿真平臺,實現(xiàn)動態(tài)展示電機爆炸圖、電機正反轉(zhuǎn)和緊急制動停車功能。運用三維仿真技術呈現(xiàn)驅(qū)動電機系統(tǒng)構造、工作過程和工作原理,相較以文字、圖片和工程圖等元素講授為主的傳統(tǒng)教學模式,顯著提高了教學水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量。
關鍵詞:驅(qū)動電機 Handyscan Solidworks Unity3D 仿真平臺
1 引言
在國家節(jié)能環(huán)保政策的引導下,燃油汽車排放法規(guī)日益嚴苛,傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)面臨向新能源汽車領域轉(zhuǎn)型升級的迫切要求,各大車企對新能源汽車人才需求旺盛[1]。國內(nèi)一百多所高校開設了車輛工程新能源汽車方向課程,著力培養(yǎng)新能源汽車專業(yè)人才[2]。然而,國內(nèi)各高?;狙赜脗鹘y(tǒng)的文字、圖片和二維工程圖等知識元素開展課堂教學,教學方法和教學模式陳舊,實驗實訓等硬件條件滯后,導致理論與實踐脫節(jié),學生不能徹底掌握專業(yè)知識,舉一反三,深度思考,創(chuàng)新能力培養(yǎng)缺失,更不能滿足新時代、新形勢下汽車工業(yè)對新能源汽車高素質(zhì)人才的需求[3]?;诖?,本文建立了北汽EC180驅(qū)動電機教學仿真平臺,在教學中引入仿真技術,學生可以自由的操作平臺軟件,主動參與到教學過程中,大幅提高教學效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量。
2 驅(qū)動電機聯(lián)合建模
2.1 驅(qū)動電機參數(shù)測定
驅(qū)動電機參數(shù)測定分兩大步,按工藝拆裝驅(qū)動電機,較規(guī)整的結構采用游標卡尺、螺旋測微儀等工具測定。電機后端蓋為多變曲面,應用Handyscan700掃描儀逆向反求。Handyscan700配套軟件為VXelements,融入了全部的基本元素和工具,VXmodel是一款被集成到VXelements中用于后期處理的圖形軟件[4]。
啟動計算機上的掃描儀隨附的VXelements軟件,創(chuàng)建新的會話框,為確保優(yōu)秀的數(shù)據(jù)質(zhì)量,溫度變化,表面質(zhì)量不佳都應及時校準。完成校準,進行配置選擇,在準備測量的部件上添加標點,密切關注標點的密度,相對位置等。掃描定位標點,優(yōu)化定位模型,掃描時,掃描部件選擇距離適中,分辨率,優(yōu)化表面,優(yōu)化點,掃描完畢保存云點。所測定部分參數(shù)如表1所示。
2.2 驅(qū)動電機主要部件模型
應用上述數(shù)據(jù),建立轉(zhuǎn)子模型、電機前端蓋模型、定子模型、電機外殼和接線盒等標準模型。電機前端蓋的建模,比較規(guī)整,除拉伸切除外,主要應用鏡像、陣列等菜單。電機后端蓋建模使用掃描儀數(shù)據(jù),該過程繁瑣,經(jīng)過修復、臨摹工序完成[5],以點云數(shù)據(jù)的形式導入Solidworks,如圖1所示。
由于散熱篩片的存在,電機外殼建模困難,未采用圓柱體切除方式,而通過篩片某一截面拉伸的方法得到模型,如圖2所示。
2.3 驅(qū)動電機模型總裝配
在Solidworks中選擇新建裝配體,導入電機外殼,默認為中心,固定模型,依次導入其它零件,確定配合關系。電機后端蓋裝配是總裝配的難點,該模型由掃描儀得到,不便于裝配中的約束操作,提前在零件工程中建立一個基準面,以該基準面為參考。螺栓與曲面約束,打開基準面,以基準面開始配合,建立正確的裝配約束關系[6],完成總裝配,如圖3所示。
3 驅(qū)動電機仿真開發(fā)設計
3.1 仿真功能簡介
實現(xiàn)結構展示與運動仿真功能。結構展示實現(xiàn):點擊按鈕,自動生成爆炸圖,各個零件模塊具有延時展示功能,加入鏡頭旋轉(zhuǎn)和驅(qū)動電機縮放功能,全視野觀察電機構造。電機動態(tài)仿真實現(xiàn)前進、倒車和制動減速駐車,點擊不同的按鈕,實現(xiàn)不同的動態(tài)演示功能。具備一鍵退出功能。
3.2 仿真開發(fā)流程
使用Unity3D軟件作為開發(fā)工具,可自由創(chuàng)建3D動畫、3D視頻游戲等,支持在Windows、IOS、Android等多種平臺發(fā)布,腳本編程基于Mono技術,適應JavaScript、C# 或Boo語言[7]。
打開Unity3D,初始界面如圖4所示,開發(fā)流程為:導入模型文件,材質(zhì)鏡頭設置,導入動畫插件,添加動畫(即是爆炸圖的延時生成過程),復制模型,添加透明腳本及參考物模型,設置UI按鈕,編寫UI腳本,綁定腳本,設置發(fā)布程序參數(shù),發(fā)布程序[8]。
打開軟件后的第一步是導入模型。在3dsmax中完成格式轉(zhuǎn)換,模型另存為FBX格式。模型導入后,完成材質(zhì)設定,模型更有質(zhì)感,如圖5所示,最后完成鏡頭設置。
Unity3D支持C#及JS兩種語言,在下載Unity時,默認下載C#。編寫腳本,選擇“Assets”,點擊“Create”,選擇C#Script,出現(xiàn)了一個代碼編寫的文件,進行重命名,雙擊進入C#中編寫,如圖6所示。
3.3 程序流程圖
待上一次程序指令結束后,系統(tǒng)自動復位,程序處于等待狀態(tài),點擊選擇不同的按鈕執(zhí)行不同的指令。加速按鈕狀態(tài),電機加速旋轉(zhuǎn),進行循環(huán)反饋判斷,達到最大轉(zhuǎn)速后,系統(tǒng)執(zhí)行最大轉(zhuǎn)速。倒車按鈕狀態(tài),電機反向轉(zhuǎn)動,進行循環(huán)反饋判斷,達到最大轉(zhuǎn)速后,系統(tǒng)執(zhí)行最大倒車轉(zhuǎn)速,如圖7所示。在減速制動模式下,程序執(zhí)行循環(huán)運算,直至速度降至零,如圖8所示。
3.4 程序發(fā)布
完成電機結構展示與運動仿真后,保存文件,點擊Unity3D軟件左上角的“File”,選擇“Build settings”,彈出界面窗口,點擊“Add Open Scenes”將當前場景添加到待生成的列表里,左下方的平臺選擇“PC, Mac&Linux Standalone”,點擊“Build”按鈕,輸入選擇發(fā)布程序的路徑和名稱,完成程序發(fā)布。雙擊應用程序,彈出新的界面,勾選“Windowed”,自動調(diào)整分辨率,點擊“Play”進入應用程序。
4 驅(qū)動電機動態(tài)仿真
4.1 三維動態(tài)仿真軟件平臺界面
依照上述建模與仿真方法,建立北汽EC180三電系統(tǒng)仿真軟件平臺,驅(qū)動電機系統(tǒng),動力電池系統(tǒng)和充電系統(tǒng),如圖9所示。
開發(fā)的仿真教學平臺系統(tǒng),可以全景接觸驅(qū)動電機,視角效果如圖10所示。
4.2 三維動態(tài)仿真
電機爆炸演示遵照電機裝配工藝,沿虛擬轉(zhuǎn)子軸線移動,各部件按設置時序順次延遲兩秒或者同時移動,移動的距離順次減小,直至最后一個部件,如圖11所示。
點擊運動仿真,電機非運動部分可視化,保留轉(zhuǎn)子部分,顯示預先設定的參考物,彈出設定的D、R、剎車三個UI按鈕。單擊D按鈕,電機開始旋轉(zhuǎn)加速,達到最大值后保持最大轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn);單擊剎車按鈕,電機速度逐步減小至零;單擊R按鈕,電機開始反向旋轉(zhuǎn),達到最大值后保持最大轉(zhuǎn)速運行,如圖12所示。
5 結語
在歐美發(fā)達國家,美國依勒岡大學、麻省理工學院、西班牙大學和意大利帕瓦多大學在20世紀90年代就建立遠程虛擬仿真實驗室。2014年教育部公布首批一百個國家級仿真教學實驗中心[9],著力開發(fā)仿真軟件。為滿足新時代汽車整車及零部件企業(yè)對新能源汽車人才的需求,本文綜合運用Handyscan、Solidworks和Unity3D軟件開發(fā)了北汽EC180驅(qū)動電機教學仿真平臺,實現(xiàn)了驅(qū)動電機系統(tǒng)、動力電池系統(tǒng)和充電系統(tǒng)模塊有機融合,動態(tài)仿真展示電機構造、工作過程和工作原理,該平臺具有可操作性和功能拓展性,平臺開發(fā)符合國家建設仿真教學平臺的戰(zhàn)略要求,提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量和創(chuàng)新能力。
基金項目:四川省科技廳科研計劃(2017KZ0075)資助項目,四川省教育廳科研計劃(CDXW-2015001)資助項目
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