北汽EC180驅(qū)動電機(jī)教學(xué)仿真平臺開發(fā)設(shè)計

王小龍 曹文繼 杜偉

摘 要：在國家節(jié)能環(huán)保政策的引導(dǎo)下，傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)面臨向新能源汽車領(lǐng)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(jī)開展精細(xì)化反求設(shè)計，運(yùn)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(jī)教學(xué)仿真平臺，實現(xiàn)動態(tài)展示電機(jī)爆炸圖、電機(jī)正反轉(zhuǎn)和緊急制動停車功能。運(yùn)用三維仿真技術(shù)呈現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)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(xué)模式，顯著提高了教學(xué)水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動電機(jī) Handyscan Solidworks Unity3D 仿真平臺

1 引言

在國家節(jié)能環(huán)保政策的引導(dǎo)下，燃油汽車排放法規(guī)日益嚴(yán)苛，傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)面臨向新能源汽車領(lǐng)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(shè)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)各高校基本沿用傳統(tǒng)的文字、圖片和二維工程圖等知識元素開展課堂教學(xué)，教學(xué)方法和教學(xué)模式陳舊，實驗實訓(xùn)等硬件條件滯后，導(dǎo)致理論與實踐脫節(jié)，學(xué)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]。基于此，本文建立了北汽EC180驅(qū)動電機(jī)教學(xué)仿真平臺，在教學(xué)中引入仿真技術(shù)，學(xué)生可以自由的操作平臺軟件，主動參與到教學(xué)過程中，大幅提高教學(xué)效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

2 驅(qū)動電機(jī)聯(lián)合建模

2.1 驅(qū)動電機(jī)參數(shù)測定

驅(qū)動電機(jī)參數(shù)測定分兩大步，按工藝拆裝驅(qū)動電機(jī)，較規(guī)整的結(jié)構(gòu)采用游標(biāo)卡尺、螺旋測微儀等工具測定。電機(jī)后端蓋為多變曲面，應(yīng)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(jī)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(yīng)及時校準(zhǔn)。完成校準(zhǔn)，進(jìn)行配置選擇，在準(zhǔn)備測量的部件上添加標(biāo)點(diǎn)，密切關(guān)注標(biāo)點(diǎn)的密度，相對位置等。掃描定位標(biāo)點(diǎn)，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(diǎn)，掃描完畢保存云點(diǎn)。所測定部分參數(shù)如表1所示。

2.2 驅(qū)動電機(jī)主要部件模型

應(yīng)用上述數(shù)據(jù)，建立轉(zhuǎn)子模型、電機(jī)前端蓋模型、定子模型、電機(jī)外殼和接線盒等標(biāo)準(zhǔn)模型。電機(jī)前端蓋的建模，比較規(guī)整，除拉伸切除外，主要應(yīng)用鏡像、陣列等菜單。電機(jī)后端蓋建模使用掃描儀數(shù)據(jù)，該過程繁瑣，經(jīng)過修復(fù)、臨摹工序完成[5]，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)的形式導(dǎo)入Solidworks，如圖1所示。

由于散熱篩片的存在，電機(jī)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(jī)模型總裝配

在Solidworks中選擇新建裝配體，導(dǎo)入電機(jī)外殼，默認(rèn)為中心，固定模型，依次導(dǎo)入其它零件，確定配合關(guān)系。電機(jī)后端蓋裝配是總裝配的難點(diǎn)，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(zhǔn)面，以該基準(zhǔn)面為參考。螺栓與曲面約束，打開基準(zhǔn)面，以基準(zhǔn)面開始配合，建立正確的裝配約束關(guān)系[6]，完成總裝配，如圖3所示。

3 驅(qū)動電機(jī)仿真開發(fā)設(shè)計

3.1 仿真功能簡介

實現(xiàn)結(jié)構(gòu)展示與運(yùn)動仿真功能。結(jié)構(gòu)展示實現(xiàn)：點(diǎn)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(jī)縮放功能，全視野觀察電機(jī)構(gòu)造。電機(jī)動態(tài)仿真實現(xiàn)前進(jìn)、倒車和制動減速駐車，點(diǎn)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(shù)，適應(yīng)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(dǎo)入模型文件，材質(zhì)鏡頭設(shè)置，導(dǎo)入動畫插件，添加動畫（即是爆炸圖的延時生成過程），復(fù)制模型，添加透明腳本及參考物模型，設(shè)置UI按鈕，編寫UI腳本，綁定腳本，設(shè)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(dǎo)入模型。在3dsmax中完成格式轉(zhuǎn)換，模型另存為FBX格式。模型導(dǎo)入后，完成材質(zhì)設(shè)定，模型更有質(zhì)感，如圖5所示，最后完成鏡頭設(shè)置。

Unity3D支持C#及JS兩種語言，在下載Unity時，默認(rèn)下載C#。編寫腳本，選擇“Assets”，點(diǎn)擊“Create”，選擇C#Script，出現(xiàn)了一個代碼編寫的文件，進(jìn)行重命名，雙擊進(jìn)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(jié)束后，系統(tǒng)自動復(fù)位，程序處于等待狀態(tài)，點(diǎn)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(jī)加速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行循環(huán)反饋判斷，達(dá)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(jī)反向轉(zhuǎn)動，進(jìn)行循環(huán)反饋判斷，達(dá)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(yùn)算，直至速度降至零，如圖8所示。

3.4 程序發(fā)布

完成電機(jī)結(jié)構(gòu)展示與運(yùn)動仿真后，保存文件，點(diǎn)擊Unity3D軟件左上角的“File”，選擇“Build settings”，彈出界面窗口，點(diǎn)擊“Add Open Scenes”將當(dāng)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(diǎn)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(yīng)用程序，彈出新的界面，勾選“Windowed”，自動調(diào)整分辨率，點(diǎn)擊“Play”進(jìn)入應(yīng)用程序。

4 驅(qū)動電機(jī)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(jī)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(xué)平臺系統(tǒng)，可以全景接觸驅(qū)動電機(jī)，視角效果如圖10所示。

4.2 三維動態(tài)仿真

電機(jī)爆炸演示遵照電機(jī)裝配工藝，沿虛擬轉(zhuǎn)子軸線移動，各部件按設(shè)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(diǎn)擊運(yùn)動仿真，電機(jī)非運(yùn)動部分可視化，保留轉(zhuǎn)子部分，顯示預(yù)先設(shè)定的參考物，彈出設(shè)定的D、R、剎車三個UI按鈕。單擊D按鈕，電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)加速，達(dá)到最大值后保持最大轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn);單擊剎車按鈕，電機(jī)速度逐步減小至零;單擊R按鈕，電機(jī)開始反向旋轉(zhuǎn)，達(dá)到最大值后保持最大轉(zhuǎn)速運(yùn)行，如圖12所示。

5 結(jié)語

在歐美發(fā)達(dá)國家，美國依勒岡大學(xué)、麻省理工學(xué)院、西班牙大學(xué)和意大利帕瓦多大學(xué)在20世紀(jì)90年代就建立遠(yuǎn)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(xué)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(yùn)用Handyscan、Solidworks和Unity3D軟件開發(fā)了北汽EC180驅(qū)動電機(jī)教學(xué)仿真平臺，實現(xiàn)了驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)、動力電池系統(tǒng)和充電系統(tǒng)模塊有機(jī)融合，動態(tài)仿真展示電機(jī)構(gòu)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(shè)仿真教學(xué)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

參考文獻(xiàn)：

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