（湖北工業(yè)大學(xué)，武漢 430068）

0 引言

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

虛實(shí)模擬技術(shù)，即用一個(gè)系統(tǒng)模擬另一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)的技術(shù)。實(shí)際上，虛擬仿真是一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它可以創(chuàng)造和體驗(yàn)虛擬世界，這種由計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界，可以是真實(shí)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(jìn)行自然的互動(dòng)[2]。該系統(tǒng)通過頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等輔助感測設(shè)備，為用戶提供了一個(gè)觀察與虛擬世界互動(dòng)的三維界面，使用戶能夠?qū)崟r(shí)地反映實(shí)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(shí)技術(shù)結(jié)合了許多高科技，如計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、視覺生理學(xué)、視覺心理學(xué)、仿真技術(shù)、微電子技術(shù)、多媒體技術(shù)、信息技術(shù)、立體顯示技術(shù)、傳感和測量技術(shù)、軟件工程、語音識別和合成、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能技術(shù)。它的逼真性和實(shí)時(shí)性為系統(tǒng)仿真技術(shù)提供了強(qiáng)有力的支持。

綜上所述，本文提出了基于虛擬仿真技術(shù)的外流式壓力機(jī)械設(shè)備的三維設(shè)計(jì)與加工的方法，建立三維模型，通過建立的三維模型實(shí)現(xiàn)信息分析，提高機(jī)械設(shè)備的質(zhì)量合格率和運(yùn)行效率。

1 基于虛擬仿真的外流式壓力機(jī)械設(shè)備的三維建模

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

機(jī)械設(shè)備的三維建模模型在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中尤為重要，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)設(shè)計(jì)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(jī)械返工的情況，就會(huì)增加設(shè)計(jì)者的工作量。為此本文提出建立外流式壓力機(jī)械設(shè)備的是三維模型，在設(shè)計(jì)過程中可以實(shí)時(shí)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(jī)械設(shè)備模型

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

圖2 壓力機(jī)械設(shè)備零件結(jié)構(gòu)

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

具體的外流式壓力機(jī)械設(shè)備的三維建模流程如圖3所示。

圖3 外流式壓力機(jī)械設(shè)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(jī)械設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，選取四個(gè)主要曲面、兩個(gè)平面以及一個(gè)圓柱面作為三維建模的關(guān)鍵固定基準(zhǔn)面，在關(guān)鍵面上確定一個(gè)中心點(diǎn)為三維建模坐標(biāo)零點(diǎn)0（0.0.0），則三維模型的三個(gè)基準(zhǔn)面分別為XY平面、XZ平面、YZ平面。建立的三維坐標(biāo)模型如圖4所示。

圖4 三維坐標(biāo)模型

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

第三步：本文設(shè)計(jì)的質(zhì)量守恒方程對建立的外流式壓力機(jī)械設(shè)備的三維模型進(jìn)行二次檢驗(yàn)，如果出現(xiàn)組件不守恒的問題，應(yīng)該進(jìn)行及時(shí)的修改。

第四步：修改完成后，按照最終修改的外流式壓力機(jī)械設(shè)備的三維模型，重新固定打孔點(diǎn)、對點(diǎn)、設(shè)置連接螺紋點(diǎn)等其他關(guān)鍵點(diǎn)，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(jī)械設(shè)備的模型如圖5所示。

圖5 基于虛擬仿真的外流式壓力機(jī)械設(shè)備模型

將圖5的外流式壓力機(jī)械設(shè)備模型應(yīng)用到三維坐標(biāo)內(nèi)，得到的結(jié)果如圖6所示。

圖6 三維坐標(biāo)下的外流式壓力機(jī)械設(shè)備模型

2 基于虛擬仿真的外流式壓力機(jī)械設(shè)備的三維加工

虛擬仿真技術(shù)的工作原理是在建立機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的三維真實(shí)場景后，通過借助部分軟件完成三維模型的驅(qū)動(dòng)，構(gòu)建機(jī)械設(shè)備需要的三維運(yùn)動(dòng)場景，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的初步模擬使用。虛擬仿真環(huán)境和真實(shí)的機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效果不存在實(shí)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(shí)修改，減少設(shè)計(jì)麻煩。

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

對于外流式壓力機(jī)械設(shè)備的三維加工工作，基于虛擬仿真技術(shù)首先導(dǎo)入建立的三維模型，然后通過模型控制和動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)方法，對外流式壓力機(jī)械設(shè)備的三維模型進(jìn)行修改，修改完成后對機(jī)械設(shè)備的相關(guān)部位進(jìn)行三維加工，提高機(jī)械設(shè)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(jī)械設(shè)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(yīng)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(jī)三個(gè)步驟。在加工初期找到底面的底盤中心點(diǎn)，然后鉆孔，鉆口的直徑誤差不能超過0.5mm，鉆床分別在機(jī)械設(shè)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(jī)分別將外流式壓力機(jī)械設(shè)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(jī)械設(shè)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(jī)械設(shè)備進(jìn)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(jìn)行銑削。螺紋磨銷是將外流式壓力機(jī)械設(shè)備的螺旋通過砂輪加工，使螺旋具有精密的螺紋，提高設(shè)備的緊和度。螺紋研磨是利用軟材料對機(jī)械設(shè)備的螺旋進(jìn)行正反研磨，提高螺旋的精度。攻絲是利用扭矩將機(jī)械設(shè)備的低空加工出螺紋，套絲指的是利用板牙在設(shè)備的管料上切出螺紋。

外流式壓力機(jī)械設(shè)備的三維建模模型是機(jī)械設(shè)備加工處理的基礎(chǔ)，只有對外流式壓力機(jī)械設(shè)備進(jìn)行全方面的分析和驅(qū)動(dòng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，才可以準(zhǔn)確地得到機(jī)械設(shè)備各個(gè)組件所存在的不足。因此基于虛擬仿真的外流式壓力機(jī)械設(shè)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(jī)械設(shè)備的三維加工流程

根據(jù)圖8可知，首先將機(jī)械設(shè)備建立的三維模型導(dǎo)入虛擬仿真環(huán)境中；然后對三維模型進(jìn)行自主控制操作，通過動(dòng)畫效應(yīng)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(jī)械設(shè)備的三維模型運(yùn)動(dòng)情況，總結(jié)出機(jī)械設(shè)備組件存在的故障問題，分別采用相對應(yīng)解決方法進(jìn)行加工。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了檢測本文提出的基于虛擬仿真的外流式壓力機(jī)械設(shè)備的三維設(shè)計(jì)與加工方法的有效性，與傳統(tǒng)的基于視覺傳達(dá)的外流式壓力機(jī)械設(shè)備的三維設(shè)計(jì)與加工方法，基于三維視覺的外流式壓力機(jī)械設(shè)備的三維設(shè)計(jì)與加工方法進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，設(shè)定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)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(jī)械設(shè)備的三維設(shè)計(jì)與加工方法的有效性，與傳統(tǒng)的基于視覺傳達(dá)的外流式壓力機(jī)械設(shè)備的三維設(shè)計(jì)與加工方法，基于三維視覺的外流式壓力機(jī)械設(shè)備的三維設(shè)計(jì)與加工方法進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，三維參數(shù)與實(shí)際參數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度如圖9所示。

圖9 三維參數(shù)精準(zhǔn)度實(shí)驗(yàn)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(jī)械設(shè)備的三維設(shè)計(jì)與加工方法獲取參數(shù)的精準(zhǔn)度要高于傳統(tǒng)方法的參數(shù)，本文提出的三維設(shè)計(jì)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(shí)間較少，選擇平衡公式，通過對簡單機(jī)械設(shè)備進(jìn)行仿真，提高計(jì)算機(jī)性能。

加工時(shí)間如表2所示。

表2 加工時(shí)間

分析表2可知，本文提出的加工方法加工時(shí)間最少，本文提出的加工方法機(jī)械設(shè)備的側(cè)壁加工首先根據(jù)三維模型對設(shè)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(shí)針銑和逆時(shí)針銑，銑刀時(shí)要對側(cè)壁進(jìn)行選線、設(shè)置機(jī)械設(shè)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(jī)械設(shè)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(shè)計(jì)加工示意圖，然后由上至下、由左到右進(jìn)行加工。

4 結(jié)語

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