李彩風(fēng)，李海濤，孫振杰，張曉芳，孫志平（河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，河北 邢臺(tái) 054000）

普通車床仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

李彩風(fēng)，李海濤，孫振杰，張曉芳，孫志平
（河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，河北 邢臺(tái) 054000）

傳統(tǒng)的普通車床實(shí)訓(xùn)受實(shí)訓(xùn)成本、實(shí)訓(xùn)時(shí)間和實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地的限制，使實(shí)訓(xùn)效果大受影響，安全也難以保證。實(shí)踐證明，在實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)初期，學(xué)生利用Creo軟件和Unity3D軟件功能開發(fā)的普通車床仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，可大大縮短學(xué)生掌握機(jī)床操作技能的時(shí)間，提高實(shí)訓(xùn)效果。

高職教育；車床；仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)；職業(yè)技能

0　引 言

實(shí)訓(xùn)是高職學(xué)生形成職業(yè)技能和職業(yè)素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，但在整個(gè)實(shí)訓(xùn)過程中均采用實(shí)物實(shí)訓(xùn)，受實(shí)訓(xùn)成本、實(shí)訓(xùn)時(shí)間、實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地的限制，加之安全保障問題，使學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力不能得到足夠的鍛煉，大大影響了實(shí)訓(xùn)效果[1]。近年來，教育部頒布了一系列的相關(guān)文件，大力提倡實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)采用虛擬仿真技術(shù)，以解決高職院校普遍存在的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)難等問題，推進(jìn)綠色實(shí)訓(xùn)與教育公平。采用仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，可有效解決實(shí)訓(xùn)中存在的各種困難，彌補(bǔ)實(shí)物實(shí)訓(xùn)的不足，提高實(shí)訓(xùn)效果，同時(shí)還可改變傳統(tǒng)的職業(yè)教育模式[2]。目前，對(duì)汽車、數(shù)控機(jī)床等方面的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)研究較為關(guān)注，對(duì)普通車床的研究較少，不能滿足其仿真實(shí)訓(xùn)的要求。在實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)初期，學(xué)生利用普通車床仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的模擬訓(xùn)練，可掌握機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)組成、操作方法和操作流程，然后再在實(shí)物機(jī)床上進(jìn)行操作訓(xùn)練，可大大提高實(shí)訓(xùn)效果，使學(xué)生能在較短的時(shí)間內(nèi)熟練掌握機(jī)床操作技能，減少操作失誤。本文主要探討普通車床仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用。

1　系統(tǒng)總體方案

根據(jù)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容和知識(shí)難點(diǎn)，仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)采用三維模型展現(xiàn)普通車床，學(xué)生利用仿真系統(tǒng)中的功能按鈕和互動(dòng)操作，了解各部分的結(jié)構(gòu)和工作原理，如各部件之間的連接關(guān)系、傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)路線及主軸箱變速原理等，還可進(jìn)行操作，如變速操作、溜板箱的運(yùn)動(dòng)和部件拆裝等。利用實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)反復(fù)多次進(jìn)行訓(xùn)練，熟練后再實(shí)物操作，可大大提高學(xué)生實(shí)踐操作的效果[3]。系統(tǒng)總體方案為：利用Creo軟件創(chuàng)建車床的三維模型，利用Unity3D軟件進(jìn)行車床模型的鏈接和系統(tǒng)的開發(fā)。

2　系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)

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(chuàng)建車床的三維模型。Creo軟件是美國(guó)PTC公司在2010年推出的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件包，是當(dāng)今主流的 CAD/CAM/CAE軟件之一[4]。利用Creo軟件的參數(shù)化建模，能輕松捕獲設(shè)計(jì)意圖，設(shè)計(jì)者可隨時(shí)對(duì)模型進(jìn)行修改；利用族表命令，定義和創(chuàng)建同一系列的零件，進(jìn)行零部件庫的建立，使用方便。

2.1.1零件幾何模型的創(chuàng)建。由于實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的幾何模型是對(duì)現(xiàn)有的車床進(jìn)行測(cè)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(chuàng)建幾何模型。首先對(duì)各主要零件的相關(guān)尺寸進(jìn)行測(cè)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(qiáng)實(shí)訓(xùn)的外觀效果，零件造型創(chuàng)建完成后，需要進(jìn)行渲染，包括材質(zhì)的選取、顏色的設(shè)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(yùn)動(dòng)仿真。根據(jù)車床各零部件之間的裝配順序和位置關(guān)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(xiàn)象，進(jìn)行參數(shù)的修改和優(yōu)化。在車床機(jī)構(gòu)模塊中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，觀察各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否滿足要求。

圖1　溜板箱箱體的造型

圖2　車床床身的三維造型

（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(jìn)行裝配；二是利用連接關(guān)系進(jìn)行裝配，主要根據(jù)各零部件在工作過程中有無相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行選擇。對(duì)于無相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(jù)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(dòng)，約束設(shè)置值作為參數(shù)可隨時(shí)修改，并可與其他參數(shù)建立關(guān)系方程，即整個(gè)裝配體實(shí)際上是一個(gè)參數(shù)化的裝配體[5]。對(duì)于有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件，需要通過連接關(guān)系來裝配，定義的零部件具有一定的自由度，可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)。常用的連接關(guān)系有銷、滑塊、圓柱、平面、球等，使用時(shí)根據(jù)零部件的運(yùn)動(dòng)方式正確選擇。

車床主軸變速機(jī)構(gòu)裝配效果和機(jī)床總裝配效果如圖3～圖4所示。

（2）運(yùn)動(dòng)仿真。運(yùn)動(dòng)仿真主要包括主軸傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)、刀架和溜板箱及尾座的運(yùn)動(dòng)仿真等。通過運(yùn)動(dòng)仿真可直觀地觀察各零部件之間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系，便于理解和掌握實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。

圖3　車床主軸變速機(jī)構(gòu)裝配效果

運(yùn)動(dòng)仿真是在Creo軟件中的“應(yīng)用程序”→“機(jī)構(gòu)模塊”中完成的。創(chuàng)建機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的一般步驟為：一是在裝配環(huán)境裝配完成后，單擊菜單欄菜單“應(yīng)用程序”→“機(jī)構(gòu)”按鈕，系統(tǒng)便進(jìn)入機(jī)構(gòu)模塊，可定義齒輪、凸輪等副機(jī)構(gòu)的連接；二是定義伺服電動(dòng)機(jī)；三是進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析；四是進(jìn)行機(jī)構(gòu)回放；五是分析測(cè)量。

圖4　機(jī)床總裝配效果

2.2系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

對(duì)各種虛擬現(xiàn)實(shí)軟件進(jìn)行比較，最終選擇Unity3D軟件進(jìn)行開發(fā)。Unity3D軟件可創(chuàng)建三維游戲、虛擬漫游及虛擬展示等多種內(nèi)容，學(xué)生能輕易上手；同時(shí)將所開發(fā)軟件發(fā)布到Windows,iPhone,Android等系統(tǒng)，學(xué)生可在計(jì)算機(jī)和手機(jī)上完成實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，使用方便。

利用Unity3D軟件的各種函數(shù)功能，在仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中制作界面、轉(zhuǎn)換幾何模型格式和編寫動(dòng)作代碼，可實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的功能。

2.2.1制作界面。為了更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，在實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)界面布置一定的功能按鈕，如“主傳動(dòng)系統(tǒng)”“進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)”“部件拆裝”等。學(xué)生通過點(diǎn)擊按鈕即可進(jìn)入相應(yīng)內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)和操作練習(xí)，使用方便。Unity3D軟件通過重載OnGUI函數(shù)，將各個(gè)功能按鈕布置在屏幕相應(yīng)的位置上[6]。

2.2.2轉(zhuǎn)換幾何模型格式。Unity3D軟件所能識(shí)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(shí)現(xiàn)共享。在制作過程中，需要對(duì)幾何模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，即采用3DMAX軟件將幾何模型導(dǎo)出成為FBX格式，然后再調(diào)入到Unity3D軟件中。

2.2.3編寫動(dòng)作代碼。根據(jù)車床各零部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與規(guī)律，選擇合適的運(yùn)動(dòng)參數(shù)編寫動(dòng)作代碼。普通車床零部件主要運(yùn)動(dòng)方式有移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放。車床主軸傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制部分代碼如下：

#pragma strict

var g_fMoveSpeed:float=10.0;

var g_fShiftSpeedScale:float=3.0;

private var BtnScrDist=18;

function OnGUI(){

if(!this.active)

return;

var ScreenWidth=Screen.width;

var ScreenHeight=Screen.height;

var fDeltaTime=Time.deltaTime;//前后及左右移動(dòng)

if(GUI.RepeatButton(Rect(BtnScrDist, BtnScrDist,80,80),“主軸箱”)){

Application.LoadLevel("1");

}

else if(GUI.RepeatButton(Rect(90+BtnScrDist, BtnScrDist,80,80),“系統(tǒng)圖”)){

Application.LoadLevel("8");

}

if(GUI.RepeatButton(Rect(180+BtnScrDist, BtnScrDist,80,80),“表達(dá)式”)){

Application.LoadLevel("7");

}

else if(GUI.RepeatButton(Rect(270+BtnScrDist, BtnScrDist,80,80),“滑移變速”)){

Application.LoadLevel("6");

}

if(GUI.RepeatButton(Rect(360+BtnScrDist, BtnScrDist, 80, 80), "正轉(zhuǎn)高速")){

Application.LoadLevel("2");

}

else if(GUI.RepeatButton(Rect(450+BtnScrDist, BtnScrDist, 80, 80), "正轉(zhuǎn)低速")){

Application.LoadLevel("3");

}

if(GUI.RepeatButton(Rect(540+BtnScrDist, BtnScrDist, 80, 80), "反轉(zhuǎn)高速")){

Application.LoadLevel("4");

}

else if(GUI.RepeatButton(Rect(630+BtnScrDist, BtnScrDist, 80, 80), "反轉(zhuǎn)低速")){

Application.LoadLevel("5");

}

}

完成后的車床仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主界面和主運(yùn)動(dòng)鏈界面如圖5～圖6所示。

3　應(yīng)用實(shí)例

普通車床仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)可直接在Windows系統(tǒng)或Android系統(tǒng)中安裝使用，通過鼠標(biāo)操作即可。如普通車床主軸拆裝實(shí)訓(xùn)目的是，讓學(xué)生掌握普通車床主軸部件的結(jié)構(gòu)組成和拆裝工藝。在實(shí)訓(xùn)初期，學(xué)生利用仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行模擬拆裝，打開仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，鼠標(biāo)點(diǎn)擊界面上的“主軸拆裝”按鈕，即可進(jìn)入拆裝界面進(jìn)行主軸的拆裝仿真實(shí)訓(xùn)界面；點(diǎn)擊“開始拆卸”按鈕，系統(tǒng)會(huì)以動(dòng)畫的形式模擬拆卸過程，各個(gè)零部件以拆卸工藝順序，一個(gè)個(gè)地與主軸零件分開，放到指定位置上。學(xué)生通過模擬訓(xùn)練，掌握機(jī)床主軸部件的組成及各個(gè)零部件的相互位置關(guān)系，掌握主軸拆裝的順序，達(dá)到實(shí)訓(xùn)目的，使用方便。

圖5　車床仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主界面

圖6　車床仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主運(yùn)動(dòng)鏈界面

4　結(jié)束語

在實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)初期，學(xué)生利用仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，之后再進(jìn)行實(shí)物操作，能較快地掌握實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，縮短實(shí)訓(xùn)時(shí)間，安全性較高，節(jié)約成本，提高學(xué)生動(dòng)手能力，為以后走上工作崗位打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外，仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)可讓學(xué)生共同參與，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握和理解，有利于創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力的培養(yǎng)。

[1]劉琳，胡強(qiáng).基于3DS MAX/Virtools的機(jī)電設(shè)備拆裝仿真實(shí)訓(xùn)[J].中國(guó)教育信息化·高教職教，2010(19):85-86.

[2]金文.仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)職業(yè)技術(shù)教育，2008(18):40-41.

[3]孫俊蘭，趙健，劉德仿.機(jī)械制造教學(xué)實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)的構(gòu)建[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2012(3):87-90.

[4]三維造型設(shè)計(jì)[M].孫志平，楊立云，主編.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013:6.

[5]Creo11.0機(jī)械設(shè)計(jì)教程[M].詹友剛，主編.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012:189.

[6]張新莊.基于Unity3D的車床虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2015(1):140.

[責(zé)任編輯：吳百中]

Development and Application of Simulated Training System of Ordinary Lathe

LI Caifeng, LI Haitao, SUN Zhenjie, ZHANG Xiaofang, SUN Zhiping
(Department of Mechanical Engineering, Hebei Institute of Mechanical and Electronical Technology, Xingtai, 054000, China)

The efficiency of traditional ordinary lathe training is greatly affected by cost, time and training place, and besides it is hard to ensure the security. It is proved that at the beginning of the training, applying the simulated ordinary lathe based on Creo and Unity3D can greatly shorten students’ time in grasping the skill of lathe operation and improve the training efficiency.

Vocational education; Lathe; Simulated training system; Professional skill

TP391.92；TG511

A

1671-4326(2016)01-0048-04

10.13669/j.cnki.33-1276/z.2016.012

2015-12-04

河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（Z2014100）

李彩風(fēng)（1978—），女，河北張家口人，河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系講師，碩士；李海濤（1977—），男，河北邢臺(tái)人，河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系副教授，碩士；孫振杰（1980—），男，河北滄州人，河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系講師，碩士；張曉芳（1979—），女，河北石家莊人，河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系講師，碩士；孫志平（1972—），女，河北邢臺(tái)人，河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系副教授，碩士.