普通車床仿真實訓系統的開發與應用
2017-7-13 來源：河北機電職業技術學院 機械工程系 作者：李彩風 李海濤 孫振杰 張曉芳 孫志平
[摘 要] 傳統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，在實訓環節初期，學生利用 Creo 軟件和 Unity3D 軟件功能開發的普通車床仿真實訓系統進行實訓，可大大縮短學生掌握機床操作技能的時間，提高實訓效果。
[關鍵詞] 高職教育；車床；仿真實訓系統；職業技能
引 言
實訓是高職學生形成職業技能和職業素養的重要環節，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文件，大力提倡實訓環節采用虛擬仿真技術，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，同時還可改變傳統的職業教育模式[ 2 ] 。目前，對汽車、數控機床等方面的實訓系統研究較為關注，對普通車床的研究較少，不能滿足其仿真實訓的要求。在實訓環節初期，學生利用普通車床仿真實訓系統進行實訓內容的模擬訓練，可掌握機床的基本結構組成、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的開發與應用。
1、 系統總體方案
根據實訓內容和知識難點，仿真實訓系統采用三維模型展現普通車床，學生利用仿真系統中的功能按鈕和互動操作，了解各部分的結構和工作原理，如各部件之間的連接關系、傳動系統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]。系統總體方案為：利用 Creo 軟件創建車床的三維模型，利用 Unity3D 軟件進行車床模型的鏈接和系統的開發。
2 、系統的開發實現
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 軟件的參數化建模，能輕松捕獲設計意圖，設計者可隨時對模型進行修改；利用族表命令，定義和創建同一系列的零件，進行零部件庫的建立，使用方便。
2.1.1 零件幾何模型的創建。由于實訓系統的幾何模型是對現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建幾何模型。首先對各主要零件的相關尺寸進行測繪，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，零件造型創建完成后，需要進行渲染，包括材質的選取、顏色的設置和燈光的使用等。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。根據車床各零部件之間的裝配順序和位置關系，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象，進行參數的修改和優化。在車床機構模塊中
圖 1 溜板箱箱體的造型
圖 2 車床床身的三維造型
進行運動仿真，觀察各機構的運動狀態是否滿足要求。
（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；二是利用連接關系進行裝配，主要根據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，約束設置值作為參數可隨時修改，并可與其他參數建立關系方程，即整個裝配體實際上是一個參數化的裝配體[ 5 ] 。對于有相對運動的零部件，需要通過連接關系來裝配，定義的零部件具有一定的自由度，可進行旋轉或移動。常用的連接關系有銷、滑塊、圓柱、平面、球等，使用時根據零部件的運動方式正確選擇。
車床主軸變速機構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、進給傳動系統、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和相互運動關系，便于理解和掌握實訓內容。運動仿真是在 Creo 軟件中的“應用程序”→“機構模塊”中完成的。創建機構運動仿真的一般步驟為：
圖 3 車床主軸變速機構裝配效果
圖 4 機床總裝配效果
一是在裝配環境裝配完成后，單擊菜單欄菜單“應用程序”→“機構”按鈕，系統便進入機構模塊，可定義齒輪、凸輪等副機構的連接；二是定義伺服電動機；三是進行運動分析；四是進行機構回放；五是分析測量。
2.2 系統的實現
對各種虛擬現實軟件進行比較，最終選擇 Unity3D軟件進行開發。Unity3D 軟件可創建三維游戲、虛擬漫游及虛擬展示等多種內容，學生能輕易上手；同時將所開發軟件發布到Windows,iPhone,Android 等系統，學生可在計算機和手機上完成實訓系統的學習，使用方便。利用 Unity3D 軟件的各種函數功能，在仿真實訓系統中制作界面、轉換幾何模型格式和編寫動作代碼，可實現仿真實訓系統的功能。
2.2.1 制作界面。為了更好地實現人機交互功能，在實訓系統界面布置一定的功能按鈕，如“主傳動系統”“進給傳動系統”“部件拆裝”等。學生通過點擊按鈕即可進入相應內容進行學習和操作練習，使用方便。Unity3D 軟件通過重載 On GUI 函數，將各個功能按鈕布置在屏幕相應的位置上[6]。
2.2.2 轉換幾何模型格式。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共享。在制作過程中，需要對幾何模型進行格式轉換，即采用 3DMAX 軟件將幾何模型導出成為 FBX格式，然后再調入到 Unity3D 軟件中。
2.2.3 編寫動作代碼。根據車床各零部件的運動狀態與規律，選擇合適的運動參數編寫動作普通車床零部件主要運動方式有移動、旋轉和縮放。車床主軸傳動系統運動控制部分代碼如下：
3 、應用實例
普通車床仿真實訓系統可直接在 Windows 系統或A n d r o i d 系統中安裝使用，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
5 車床仿真實訓系統主界面
軸部件的結構組成和拆裝工藝。在實訓初期，學生利用仿真實訓系統進行模擬拆裝，打開仿真實訓系統，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系，掌握主軸拆裝的順序，達到實訓目的，使用方便。
6 車床仿真實訓系統主運動鏈界面
4、結束語
在實訓環節初期，學生利用仿真實訓系統進行訓練，之后再進行實物操作，能較快地掌握實訓內容，縮短實訓時間，安全性較高，節約成本，提高學生動手能力，為以后走上工作崗位打下堅實的基礎。此外，仿真實訓系統的開發可讓學生共同參與，進一步加深學生對知識的掌握和理解，有利于創新能力和動手能力的培養 。
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