孫夢

基于Quest3D的齒輪加工虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)研究

孫夢

（長安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064）

為解決機(jī)械類學(xué)生對齒輪加工實(shí)驗(yàn)的需求，基于Quest3D圖形化編程開發(fā)平臺，將齒輪加工工藝流程與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有效結(jié)合，建立了齒輪加工虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)分為三維場景模型、機(jī)械加工工藝系統(tǒng)模型、機(jī)床運(yùn)動控制模塊、人機(jī)交互模塊四個部分，展示了齒輪制造與加工的完整工藝流程，能夠從多視角多層級對機(jī)床的運(yùn)動和加工過程進(jìn)行模擬展示。該系統(tǒng)的應(yīng)用彌補(bǔ)了理論教學(xué)的不足，真正實(shí)現(xiàn)虛擬人機(jī)交互，可為目前高校的虛擬仿真教學(xué)研究提供工程實(shí)例參考。

虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)；齒輪加工；Quest3D；人機(jī)交互

齒輪作為工業(yè)生產(chǎn)中的重要核心零件[1]，其相關(guān)知識在機(jī)械專業(yè)的課程與實(shí)驗(yàn)中占有很大比重。而齒輪制造加工工藝復(fù)雜、涉及多種機(jī)床與裝備，實(shí)際實(shí)驗(yàn)與實(shí)習(xí)需要工廠式的生產(chǎn)車間來匹配完成[2]，并且對學(xué)生的操作水平要求較高。大多學(xué)校在實(shí)際教學(xué)中無法滿足學(xué)生親手進(jìn)行加工的實(shí)驗(yàn)條件[3]，因此借助虛擬仿真技術(shù)對齒輪零件進(jìn)行模擬加工能夠很好解決上述問題[4]。

隨著教育部啟動“新工科”發(fā)展研究工作[5]，提出了國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)工作，國內(nèi)各高校紛紛引進(jìn)與開發(fā)虛擬加工系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)[6]。桌面式虛擬加工系統(tǒng)[7]對硬件要求低、可基于普通PC平臺顯示，得到了廣泛應(yīng)用。如沈陽理工大學(xué)的李興山[8]結(jié)合VRML與JavaScript交互技術(shù)、開發(fā)出可實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動仿真、模擬裝配等功能的虛擬機(jī)床加工仿真系統(tǒng)。重慶大學(xué)羅求順等[9]基于Quest3D軟件開發(fā)了一套針對于鉆床加工的虛擬教學(xué)系統(tǒng)，用于鉆床教學(xué)培訓(xùn)。肖元昭等[10]基于 OpenGL與VC++建立了虛擬數(shù)控車床加工系統(tǒng)，模擬機(jī)床運(yùn)動仿真及加工切削仿真。長安大學(xué)的常鵬[11]提出了一種融合半物理仿真思想的虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，設(shè)計了一款面向四軸加工中心的半物理仿真系統(tǒng)。

以上研究中的虛擬加工系統(tǒng)更著重針對各類機(jī)床的模擬操作，沒有實(shí)現(xiàn)對特定零件制造加工整體流程的模擬，這樣不利于學(xué)生了解掌握零件整體加工流程和工藝內(nèi)容。并且目前大多系統(tǒng)基于基礎(chǔ)編程語言開發(fā)，開發(fā)周期長、難度大、不便于修改[12-13]。因此，本文基于Quest3D軟件，提出并開發(fā)了一套桌面式齒輪加工虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成齒輪加工中的多種機(jī)床與設(shè)備，涵蓋齒輪從生產(chǎn)制造到機(jī)械加工的全過程，便于學(xué)生直觀了解齒輪制造加工過程、熟悉齒輪加工機(jī)床的使用與操作方法，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)效果。另外，該系統(tǒng)的開發(fā)不需要編寫大量復(fù)雜代碼，可以.exe格式文件安裝運(yùn)行，極大的提高了開發(fā)效率并且不受時間地點(diǎn)限制，更加方便教學(xué)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)框架設(shè)計

齒輪加工虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)框架設(shè)計如圖1所示，該系統(tǒng)主要由三維場景模型、機(jī)械加工工藝系統(tǒng)模型、機(jī)床運(yùn)動控制編程模塊、人機(jī)交互模塊四部分組成。

三維場景模型主要指燈光、相機(jī)等系統(tǒng)場景模型，便于用戶從不同角度、距離對機(jī)床進(jìn)行觀察與操作。機(jī)械加工工藝系統(tǒng)模型中包含機(jī)床、刀具、工件、夾具的三維模型，是實(shí)現(xiàn)虛擬加工的主體部分。機(jī)床運(yùn)動控制模塊包含了機(jī)床各分運(yùn)動的制作與控制，從而實(shí)現(xiàn)工件的機(jī)械加工。人機(jī)交互模塊主要用于用戶與計算機(jī)之間的信息交換，用戶通過該模塊進(jìn)行系統(tǒng)控制并觀察運(yùn)行結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)總框架

1.2 齒輪加工工藝流程與機(jī)床運(yùn)動設(shè)計

齒輪加工虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中的加工工藝流程分為鍛造制坯、正火、車削加工、滾齒加工、熱處理和磨齒加工六個步驟模塊[14]。其中，鍛造制坯、正火、熱處理三個步驟模塊在系統(tǒng)中以文字和圖片的形式展示。在車削加工、滾齒加工以及磨齒加工三個步驟模塊中建立機(jī)床模型，制作機(jī)床交互運(yùn)動，用戶可以在虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中利用鼠標(biāo)模擬操作機(jī)床對齒輪的加工過程。

機(jī)床加工運(yùn)動通常分為主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動，主運(yùn)動為產(chǎn)生主要加工效果的運(yùn)動，進(jìn)給運(yùn)動是指維持加工效果得以繼續(xù)的運(yùn)動。根據(jù)機(jī)床運(yùn)動特點(diǎn)，對不同步驟模塊加工機(jī)床的各個分運(yùn)動進(jìn)行制作。車床主運(yùn)動為齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，進(jìn)給運(yùn)動為刀架帶動車刀的連續(xù)直線運(yùn)動；滾齒加工主運(yùn)動為滾刀的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)給運(yùn)動為滾刀作軸向的直線運(yùn)動，滾齒加工還需要一個展成運(yùn)動，即由滾刀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動組成的復(fù)合表面成形運(yùn)動；磨床主運(yùn)動為主軸帶動砂輪的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)給運(yùn)動是指砂輪徑向往復(fù)磨削齒廓運(yùn)動，輔助運(yùn)動為磨削兩齒槽之間的分度過程。

2 系統(tǒng)開發(fā)過程

齒輪加工虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)以Quest3D軟件為開發(fā)平臺，首先利用SolidWorks對機(jī)床、刀具等進(jìn)行三維建模，所建模型通過3dmax進(jìn)行簡化并導(dǎo)入Quest3D中進(jìn)行后續(xù)可視化編程，實(shí)現(xiàn)機(jī)床各部件的運(yùn)動。最后將各部分子系統(tǒng)內(nèi)容進(jìn)行整合完善，制作完成虛擬仿真系統(tǒng)導(dǎo)出發(fā)布。系統(tǒng)開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)開發(fā)流程圖

2.1 三維場景的搭建

基本三維場景包含燈光、相機(jī)與三維物體。燈光起照明作用，便于用戶對機(jī)床整體有所掌控。相機(jī)模塊使得用戶視角根據(jù)相機(jī)角度的變化而變化。參照機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)，建立車床、滾齒機(jī)、齒輪磨床及相應(yīng)刀具、夾具三維模型，將簡化模型以.X格式導(dǎo)入Quest3D中。

利用Quest3D軟件進(jìn)行系統(tǒng)三維場景搭建。三維場景的搭建以Start 3DScene模塊作為程序起點(diǎn)，連入3D Render，將物體、光源、攝像機(jī)連接到該模塊下，根據(jù)燈光的照明情況增加光源數(shù)量，調(diào)整燈光的位置與角度。

2.2 運(yùn)動制作與控制編程

在Quest3D中，物體的運(yùn)動是通過改變其位置、旋轉(zhuǎn)、尺寸、表面紋理坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計制作好機(jī)床不同部件的運(yùn)動后，加入運(yùn)動控制模塊對物體運(yùn)動進(jìn)行控制。根據(jù)機(jī)床運(yùn)動控制變量的不同，控制編程分為數(shù)值控制、時間控制、復(fù)合控制與邏輯控制四類。

2.2.1 運(yùn)動制作

物體運(yùn)動由Motion模塊實(shí)現(xiàn)。Motion模塊下連接三個向量分別定義了物體在空間中的位置信息、旋轉(zhuǎn)信息和尺寸信息，如圖3所示。通過改變?nèi)齻€向量下級連接的、、值改變物體的位置、旋轉(zhuǎn)以及大小。

圖3 Motion模塊結(jié)構(gòu)

物體運(yùn)動原理為矩陣變換，物體從位置到位置計算公式為：

物體的基本運(yùn)動分為移動、旋轉(zhuǎn)以及父子運(yùn)動。其實(shí)現(xiàn)過程如下：

（1）實(shí)現(xiàn)物體移動需要Envelope模塊，、、三個方向的運(yùn)動需分別實(shí)現(xiàn)，圖4為通過Envelope模塊在方向上設(shè)置的運(yùn)動曲線圖。通過插入關(guān)鍵幀，將物體不同時刻的位置以坐標(biāo)的形式儲存，坐標(biāo)圖的橫軸為輸入控制值，縱軸為物體坐標(biāo)位置值。將數(shù)值記錄在Envelope中，物體就會沿著已封存的運(yùn)動曲線移動。

圖4 Envelope移動曲線圖

實(shí)現(xiàn)物體旋轉(zhuǎn)需要loop relative value模塊。物體旋轉(zhuǎn)就是其角度值從0～360°不斷循環(huán)變化，在該模塊下連接三個value值，分別代表循環(huán)初始值、終止值、以及循環(huán)增減量。將該模塊快捷方式連接到物體旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中旋轉(zhuǎn)軸的下方，可實(shí)現(xiàn)物體繞該軸循環(huán)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

（2）機(jī)床部件間同步的相對運(yùn)動關(guān)系稱為父子關(guān)系。實(shí)現(xiàn)父子運(yùn)動需要Motion模塊層級級聯(lián)。比如，滾刀裝在滾刀架上，刀架上下移動時會附帶著滾刀一起運(yùn)動，而滾刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動則不受影響，定義刀架運(yùn)動為父運(yùn)動，滾刀運(yùn)動為子運(yùn)動。將父物體的Motion模塊連接到子物體運(yùn)動模塊的最后一個接口便實(shí)現(xiàn)兩者的同步運(yùn)動。

2.2.2 控制編程

物體運(yùn)動的控制編程分為數(shù)值控制、時間控制、復(fù)合控制與邏輯控制等四類。實(shí)現(xiàn)方法及流程如下所述：

（1）數(shù)值控制

物體運(yùn)動的數(shù)值控制編程流程如圖5所示。用戶通過鼠標(biāo)或鍵盤的輸入引發(fā)觸發(fā)器，會把Set Value下方左邊的值賦給右邊，數(shù)值0、1分別控制物體的始末位置，右邊的Value值就是Envelope里儲存運(yùn)動的坐標(biāo)值。這樣就實(shí)現(xiàn)用戶控制物體坐標(biāo)的改變，也就實(shí)現(xiàn)了物體的運(yùn)動。

圖5 數(shù)值控制流程

（2）時間控制

物體運(yùn)動的時間控制編程流程如圖6所示。時間控制需要Timer Command，該通道可對其子連接對應(yīng)的起始和結(jié)束時間段進(jìn)行控制。當(dāng)用戶輸入觸發(fā)信號后，時間計時器開始工作，通過時間控制物體按照Envelope中的曲線運(yùn)動。

2.2 家系Ⅱ 檢出致病基因?yàn)镃DH23基因的c.7240-1G>A和c.7252G>A兩個位點(diǎn)復(fù)合雜合突變；2名耳聾患者(Ⅱ2、Ⅱ3)視力、視野、眼底檢查未見異常。CDH23基因c.7252G>A位點(diǎn)突變?yōu)閲鴥?nèi)首報新突變位點(diǎn)，結(jié)果、家系圖及測序突變。見表1、表2、圖1、圖2。

圖6 時間控制流程

（3）復(fù)合控制

物體運(yùn)動的復(fù)合控制編程流程如圖7所示。復(fù)合控制是指由不同變量控制物體的運(yùn)動，例如刀架帶動滾刀在快進(jìn)快退運(yùn)動時，其豎直方向上的運(yùn)動應(yīng)該是由時間控制運(yùn)動的快慢；而滾刀在實(shí)際切削時，其運(yùn)動應(yīng)由工件旋轉(zhuǎn)的角度控制，即工作臺每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，滾刀架在豎直方向的移動。因此滾刀在該方向上需要兩個Envelope去儲存這兩種運(yùn)動，用不同變量進(jìn)行控制。

圖7 復(fù)合控制流程

（4）邏輯控制

物體運(yùn)動的邏輯控制編程模塊流程如圖8。邏輯控制主要用于滾齒加工中的展成運(yùn)動，滾刀和工件的嚙合運(yùn)動必須要準(zhǔn)確滿足定比傳動，即滾刀每轉(zhuǎn)1/轉(zhuǎn)，工件應(yīng)轉(zhuǎn)1/轉(zhuǎn)，滾刀每轉(zhuǎn)一圈（＋6.28），齒輪轉(zhuǎn)1/圈（＋0.184）。把計算后的值通過Set Value存放在一個新value中，這個Value值就是物體旋轉(zhuǎn)中的循環(huán)增加值，這樣就能實(shí)現(xiàn)每當(dāng)有條件觸發(fā)時，滾刀與齒輪同步運(yùn)動并且其循環(huán)增加值不斷更新。

圖8 邏輯編程流程

2.3 人機(jī)交互界面設(shè)計

2.3.1 子系統(tǒng)設(shè)計

齒輪加工6項工藝過程中包括3項機(jī)床加工過程和3項工藝處理過程。每個工藝流程作為一個子系統(tǒng)模塊進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計。

機(jī)床運(yùn)動子系統(tǒng)中的人機(jī)交互界面利用Quest3D中GUI模塊進(jìn)行制作，用戶能夠控制機(jī)床各個部分的運(yùn)動。人機(jī)交互界面區(qū)域分為三部分：中間用于展示機(jī)床的三維場景模型，左方設(shè)計了控制機(jī)床運(yùn)動的相關(guān)按鈕，右方為文字顯示區(qū)域，將采集到的機(jī)床運(yùn)動參數(shù)以數(shù)據(jù)形式展示在界面中，便于使用者通過數(shù)據(jù)定性了解齒輪加工工藝過程。

對于不涉及加工機(jī)床的工藝流程子系統(tǒng)界面則采用圖片展示與文字介紹相結(jié)合的方式進(jìn)行說明。界面左邊設(shè)置文字說明區(qū)域，右邊設(shè)計工藝流程過程圖片展示。

2.3.2 系統(tǒng)切換設(shè)計

虛擬仿真系統(tǒng)的整合與切換運(yùn)用有限狀態(tài)機(jī)channel，該通道可簡化復(fù)雜結(jié)構(gòu)中子程序之間的切換。首先，將所需模塊連接到有限狀態(tài)機(jī)通道下，第一類子連接下連接觸發(fā)數(shù)值模塊，即各子系統(tǒng)界面相對應(yīng)的特定pressed模塊。第二類子連接下連接需要被觸發(fā)的模塊，即每一個子系統(tǒng)界面的三維scene。其次，需要建立系統(tǒng)之間的樹狀關(guān)系結(jié)構(gòu)，兩界面之間通常為雙向關(guān)系，通過點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕進(jìn)入或返回其他界面。

3 系統(tǒng)仿真實(shí)例

以.exe的格式發(fā)布導(dǎo)出得到齒輪加工虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。在各機(jī)床子界面系統(tǒng)中，通過上下滑動鼠標(biāo)中間滾輪將機(jī)床模型進(jìn)行放大縮小，通過長按鼠標(biāo)右鍵移動來控制機(jī)床的旋轉(zhuǎn)，從而從多角度詳細(xì)的觀察加工過程。圖9為滾齒加工子系統(tǒng)界面。界面右側(cè)為文字顯示區(qū)域，用來顯示刀具及工件的部分參數(shù)、動態(tài)坐標(biāo)、進(jìn)給量、轉(zhuǎn)速等。界面左側(cè)顯示機(jī)床的加工流程中的工件旋轉(zhuǎn)、工作臺移動、道具進(jìn)給、滾刀切削等運(yùn)動控制按鈕。圖10為鍛造工藝子系統(tǒng)界面。界面左側(cè)展示鍛造的下料、胚料加熱、墩粗、沖孔、修整鍛件與冷卻工藝流程的要點(diǎn)。界面右側(cè)展示相關(guān)工藝加工生產(chǎn)現(xiàn)場圖片。

該系統(tǒng)可以幫助學(xué)生借助計算機(jī)和軟件系統(tǒng)進(jìn)行齒輪加工過程的實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)，加深理論課程的理解，直觀真切的觀看全過程，并能掌握加工參數(shù)和工藝要點(diǎn)，達(dá)到良好的教學(xué)效果。

圖9 滾齒加工子系統(tǒng)界面

圖10 鍛造工藝子系統(tǒng)界面

4 結(jié)語

（1）齒輪加工虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)可使學(xué)生在可視化環(huán)境下對齒輪加工的流程、工藝及機(jī)床的操作進(jìn)行模擬和學(xué)習(xí)，利于學(xué)生掌握齒輪加工的相關(guān)內(nèi)容、分析加工參數(shù)的合理性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的缺點(diǎn)與不足，在教學(xué)中達(dá)到良好效果；同時該系統(tǒng)的開發(fā)也對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合起到了良好的推動作用。

（2）系統(tǒng)以.exe格式導(dǎo)出，可基于普通PC平臺安裝運(yùn)行，對運(yùn)行系統(tǒng)的配置要求較低。該系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課堂理論教學(xué)有機(jī)結(jié)合，具有實(shí)時性和便捷性，在高校企業(yè)的教學(xué)培訓(xùn)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

（3）該虛擬教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)時開發(fā)利用Quest3D中自帶的構(gòu)建模塊進(jìn)行圖形化編程，避免了基于基礎(chǔ)語言開發(fā)的繁瑣編程過程，具有開發(fā)周期短、效率高等特點(diǎn)。便于根據(jù)教學(xué)使用情況進(jìn)行優(yōu)化升級，還可拓展增加新模塊來滿足仿真教學(xué)的要求。

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Research and Application on Virtual Simulation Teaching System of Gear Machining Based on Quest3D

SUN Meng

( School of Construction Machinery,Chang'an University, Xi'an 710064, China )

In order to meet the needs of mechanical students for gear processing experiments, by using the Quest3D graphical programming development platform, a virtual simulation teaching system for gear processing which combines the gear processing process with virtual reality technology is established. The system is divided into four parts: 3D scene module, machining process system module, machine tool motion control module, human-machine interaction module, which shows the complete process of gear manufacturing and machining is shown in detail and can simulate the machine movement as well as the machining process from multiple perspectives and levels. The application of the system makes up for the shortage of theoretical teaching and truly realizes the virtual human-machine interaction, which provides engineering examples for the research of virtual simulation teaching in colleges and universities.

virtual simulation teaching system；gear machining；Quest3D；human-computer interaction

TG51；TP391.9

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.06.012

1006-0316 (2021) 06-0075-06

2020-06-09

孫夢（1997－），女，新疆烏魯木齊人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣こ虣C(jī)械類設(shè)計及優(yōu)化，E-mail：1075886693@qq.com。