基于虛擬仿真的外流式壓力機械設備的三維設計與加工

（湖北工業(yè)大學，武漢 430068）

0 引言

機械設備的設計是機械設計過程中最為重要的部分，近年來為了減少機械設備各個組件之間的摩擦對設備正常運行的影響，提出許多解決方案與應對措施，其中最為有效的就是設計三維模式的外流式壓力機械[1]。傳統(tǒng)的外流式壓力機械設備的三維設計雖然在原有基礎上降低了機械設備各個組件之間的摩擦，但是無法模擬機械設備工作運行的情況，一旦出現(xiàn)疏忽在機械后期的實操步驟時，會出現(xiàn)機械設備組件連接不當，必須返工才可以處理，浪費機械設備的材料，也降低機械設備的制作效率，導致機械運行過程中的摩擦不能完全消除。

虛實模擬技術，即用一個系統(tǒng)模擬另一個實際系統(tǒng)的技術。實際上，虛擬仿真是一個計算機系統(tǒng)，它可以創(chuàng)造和體驗虛擬世界，這種由計算機生成的虛擬世界，可以是真實世界的再現(xiàn)，也可以是構(gòu)思中的世界，使用者可以通過各種感知渠道，如視覺、聽覺和觸覺，與虛擬世界進行自然的互動[2]。該系統(tǒng)通過頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等輔助感測設備，為用戶提供了一個觀察與虛擬世界互動的三維界面，使用戶能夠?qū)崟r地反映實體物體的變化和相互作用，從而使用戶能夠直接參與和探索模擬物體在所處環(huán)境中的作用和變化，從而產(chǎn)生沉浸感。虛擬現(xiàn)實技術結(jié)合了許多高科技，如計算機技術、計算機圖形學、計算機視覺、視覺生理學、視覺心理學、仿真技術、微電子技術、多媒體技術、信息技術、立體顯示技術、傳感和測量技術、軟件工程、語音識別和合成、人機交互、網(wǎng)絡技術和人工智能技術。它的逼真性和實時性為系統(tǒng)仿真技術提供了強有力的支持。

綜上所述，本文提出了基于虛擬仿真技術的外流式壓力機械設備的三維設計與加工的方法，建立三維模型，通過建立的三維模型實現(xiàn)信息分析，提高機械設備的質(zhì)量合格率和運行效率。

1 基于虛擬仿真的外流式壓力機械設備的三維建模

外流式壓力的原理是為機械設備構(gòu)建一個完全封閉的環(huán)境，使機械設備內(nèi)部不與外界空氣接觸，避免外界因素對機械設備的干擾和損害，降低組件間的摩擦，提高機械設備的工作效率和使用周期。為了保證機械設備外流式壓力環(huán)境的封閉度，本文通過機械設備運行過程中的動量、動能數(shù)值進行權衡計算，檢驗外流式壓力的強度[3]。壓力機械設備模型如圖1所示。

機械設備的三維建模模型在機械設計過程中尤為重要，傳統(tǒng)的機械設設計的核心是圖紙，但是圖紙的工作效率低，并且精度低，容易出現(xiàn)機械返工的情況，就會增加設計者的工作量。為此本文提出建立外流式壓力機械設備的是三維模型，在設計過程中可以實時更改，提高工作效率，減去制作過程中不必要的麻煩。

圖1 壓力機械設備模型

在外流式壓力機械設備的三維建模過程中，機械設備組件的管端托架、軸承、棒條、旋翼、主軸、螺栓、各個表面、機械轉(zhuǎn)帶型號以及機械各個組件之間的間隙大小都十分關鍵，都要十分精確，不可疏忽。壓力機械設備零件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 壓力機械設備零件結(jié)構(gòu)

為了保證外流式壓力機械設備內(nèi)部組件之間的空隙大小，經(jīng)過研究人員的分析，機械設備必須滿足動能守恒，才能保證機械設備各個組件之間的緊密度，保障外流式壓力機械設備的工作效率。因此本文融合物體質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律，總結(jié)出機械設備的動能守恒公式，具體公式如下所示：

具體的外流式壓力機械設備的三維建模流程如圖3所示。

圖3 外流式壓力機械設備三維建模流程

根據(jù)圖3可知，本文提出的三維建模流程主要分為四步，具體的工作流程步驟概括如下。

第一步：對需要建模的機械設備進行結(jié)構(gòu)分析，選取四個主要曲面、兩個平面以及一個圓柱面作為三維建模的關鍵固定基準面，在關鍵面上確定一個中心點為三維建模坐標零點0（0.0.0），則三維模型的三個基準面分別為XY平面、XZ平面、YZ平面。建立的三維坐標模型如圖4所示。

圖4 三維坐標模型

第二步：建立三維模型的框架后，根據(jù)機械設備的性能需求和規(guī)格要求，設置機械設備的圓弧大小、旋翼正反面大小、曲面與正面之間的連接點位置，側(cè)壁的兩端點位等一些關鍵點。關鍵點合理設計好后，連接所有的關鍵點，在三維模型中，合理分配機械設備的各個區(qū)域，繪制初步的外流式壓力機械設備的三維模型圖紙。

第三步：本文設計的質(zhì)量守恒方程對建立的外流式壓力機械設備的三維模型進行二次檢驗，如果出現(xiàn)組件不守恒的問題，應該進行及時的修改。

第四步：修改完成后，按照最終修改的外流式壓力機械設備的三維模型，重新固定打孔點、對點、設置連接螺紋點等其他關鍵點，最后創(chuàng)建完成三維模型的創(chuàng)建[4,5]?；谔摂M仿真的外流式壓力機械設備的模型如圖5所示。

圖5 基于虛擬仿真的外流式壓力機械設備模型

將圖5的外流式壓力機械設備模型應用到三維坐標內(nèi)，得到的結(jié)果如圖6所示。

圖6 三維坐標下的外流式壓力機械設備模型

2 基于虛擬仿真的外流式壓力機械設備的三維加工

虛擬仿真技術的工作原理是在建立機械設備運行的三維真實場景后，通過借助部分軟件完成三維模型的驅(qū)動，構(gòu)建機械設備需要的三維運動場景，實現(xiàn)設計的初步模擬使用。虛擬仿真環(huán)境和真實的機械設備運轉(zhuǎn)效果不存在實質(zhì)性的差別，如果在模擬環(huán)境中發(fā)現(xiàn)問題，可以及時修改，減少設計麻煩。

虛擬仿真技術具有可變性和高效性，即使在環(huán)境內(nèi)二次修改設計，也僅僅損失一個虛擬仿真環(huán)境，重新構(gòu)建即可，不會帶來任何損失。虛擬仿真技術模擬環(huán)境下的外流式壓力機械設備運行真實性強，可視化效果好，是代替真實外流式壓力設備運行的最好選擇。因此本文選擇虛擬仿真技術，對外流式壓力機械設備進行進一步的三維加工，提高機械設備的工作效率，并解決機械設備運行中的小問題。

對于外流式壓力機械設備的三維加工工作，基于虛擬仿真技術首先導入建立的三維模型，然后通過模型控制和動畫實現(xiàn)方法，對外流式壓力機械設備的三維模型進行修改，修改完成后對機械設備的相關部位進行三維加工，提高機械設備的工作效率和質(zhì)量合格率[6]。

底面加工分為底面圓角加工和尖角加工，兩者的區(qū)別是加工機械設備底面呈現(xiàn)的形狀不同，其他加工程序都相同。首先選擇對應底面的工具和相同大小的底面切盤，加工過程分為銑床、鉆床、攻牙機三個步驟。在加工初期找到底面的底盤中心點，然后鉆孔，鉆口的直徑誤差不能超過0.5mm，鉆床分別在機械設備的底面鉆出螺槽（長寬公差不可超過0.5mm）和踩杯頭（高度公差不可超過0.02mm）。攻牙機分別將外流式壓力機械設備的底面加工攻牙M4、M5、M6卡槽，攻牙的氣壓為3Pa～4Pa。加工結(jié)果如圖7所示。

圖7 壓力機械設備的三維加工結(jié)果

根據(jù)圖7可知，螺紋加工首先選擇合適的絲錐、攻絲和勾勒工具。加工過程分為螺紋切削、螺紋銑削、螺紋磨銷、螺紋研銷、攻絲和套絲。螺旋切削是對機械設備進行大致形態(tài)的切割，留出余剩部分，為接下來處理留出加工余地。螺旋銑削使用銑刀對螺旋進行銑削。螺紋磨銷是將外流式壓力機械設備的螺旋通過砂輪加工，使螺旋具有精密的螺紋，提高設備的緊和度。螺紋研磨是利用軟材料對機械設備的螺旋進行正反研磨，提高螺旋的精度。攻絲是利用扭矩將機械設備的低空加工出螺紋，套絲指的是利用板牙在設備的管料上切出螺紋。

外流式壓力機械設備的三維建模模型是機械設備加工處理的基礎，只有對外流式壓力機械設備進行全方面的分析和驅(qū)動運行實驗，才可以準確地得到機械設備各個組件所存在的不足。因此基于虛擬仿真的外流式壓力機械設備的三維加工流程如圖8所示。

圖8 基于虛擬仿真外流式壓力機械設備的三維加工流程

根據(jù)圖8可知，首先將機械設備建立的三維模型導入虛擬仿真環(huán)境中；然后對三維模型進行自主控制操作，通過動畫效應觀察虛擬仿真環(huán)境下模型的變化；最后根據(jù)外流式壓力機械設備的三維模型運動情況，總結(jié)出機械設備組件存在的故障問題，分別采用相對應解決方法進行加工。

3 實驗研究

為了檢測本文提出的基于虛擬仿真的外流式壓力機械設備的三維設計與加工方法的有效性，與傳統(tǒng)的基于視覺傳達的外流式壓力機械設備的三維設計與加工方法，基于三維視覺的外流式壓力機械設備的三維設計與加工方法進行對比實驗，設定的實驗參數(shù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)，選用本文提出的基于虛擬仿真的外流式壓力機械設備的三維設計與加工方法的有效性，與傳統(tǒng)的基于視覺傳達的外流式壓力機械設備的三維設計與加工方法，基于三維視覺的外流式壓力機械設備的三維設計與加工方法進行對比實驗，三維參數(shù)與實際參數(shù)的實驗結(jié)果吻合度如圖9所示。

圖9 三維參數(shù)精準度實驗結(jié)果

根據(jù)圖9可知，本文提出的基于虛擬仿真的外流式壓力機械設備的三維設計與加工方法獲取參數(shù)的精準度要高于傳統(tǒng)方法的參數(shù)，本文提出的三維設計與加工方法具備三維繪制能力，本文研究的仿真方法等待時間較少，選擇平衡公式，通過對簡單機械設備進行仿真，提高計算機性能。

加工時間如表2所示。

表2 加工時間

分析表2可知，本文提出的加工方法加工時間最少，本文提出的加工方法機械設備的側(cè)壁加工首先根據(jù)三維模型對設備的壓模制定側(cè)壁加工策略，然后采用合適的刀具，側(cè)壁加工的方式分為順時針銑和逆時針銑，銑刀時要對側(cè)壁進行選線、設置機械設備的偏移量和頂部偏移量。在側(cè)壁的兩端要選擇最小型號的刀具，勾勒側(cè)壁的線條。機械設備的正面加工在加工初期選擇合適的切割工具，然后根據(jù)三維建模模型設計加工示意圖，然后由上至下、由左到右進行加工。

4 結(jié)語

本文首先分析了解外流式壓力設備的工作原理和虛擬仿真技術，然后根據(jù)外流式壓力機械設備的運行情況，發(fā)現(xiàn)問題，建立相對應的外流式壓力機械設備的三維模型，最后分別對機械設備的孔、螺紋、底面、側(cè)壁、正面進行三維加工，完成本文的研究目的，提高外流式壓力機械設備的運行效率。