胡明茂, 章弘毅, 孫 煜, 齊二石

(1. 湖北汽車工業(yè)學(xué)院 機械工程學(xué)院, 湖北 十堰 442002； 2. 天津大學(xué) 管理與經(jīng)濟學(xué)部, 天津 300072)

校外生產(chǎn)實習(xí)和認(rèn)識實習(xí)是一個重要的教學(xué)環(huán)節(jié),是學(xué)生強化工程意識、現(xiàn)場接觸與了解企業(yè)技術(shù)信息、獲得專業(yè)生產(chǎn)技術(shù)及管理知識、進行工程師基本素質(zhì)訓(xùn)練的必要途徑。國內(nèi)高校在虛擬仿真實驗和VR應(yīng)用方面取得了許多實驗教學(xué)成果[1-12],例如虛擬實訓(xùn)現(xiàn)場場景搭建、虛擬拆裝訓(xùn)練等,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和分析問題、解決問題的能力。

本文利用Flexsim仿真軟件和VR技術(shù)開發(fā)了生產(chǎn)實習(xí)仿真系統(tǒng),使學(xué)生能通過新穎的方式掌握和應(yīng)用本專業(yè)知識,驗證和鞏固已學(xué)過的專業(yè)課程,以求達到理論結(jié)合實際,并為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)及畢業(yè)設(shè)計等教學(xué)過程打下良好的基礎(chǔ)。

1 機加工實習(xí)仿真平臺的研發(fā)背景

東風(fēng)汽車有限公司商用車發(fā)動機廠是東風(fēng)汽車有限公司主要的發(fā)動機生產(chǎn)廠,有各類設(shè)備2 300多臺(套)。該廠與湖北汽車工業(yè)學(xué)院合作共建的國家級實習(xí)基地,是培養(yǎng)與實際生產(chǎn)緊密結(jié)合的、具有較強工程意識的機械類工程師的重要實習(xí)場所。

該發(fā)動機廠的曲軸車間是實習(xí)基地的重要實習(xí)場所,學(xué)生在這里熟悉和掌握曲軸機械加工工藝系統(tǒng)的機具,熟悉曲軸生產(chǎn)線設(shè)備的工作原理、基于Flexsim和VR的機加工生產(chǎn)實習(xí)仿真系統(tǒng)的研究和開發(fā)特點,熟悉和掌握曲軸機械加工工藝過程和每道工序的內(nèi)容、定位基準(zhǔn),熟悉和掌握每道工序所使用機床夾具的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、自由度的限定及使用范圍。

然而，學(xué)生到企業(yè)實習(xí),會增加企業(yè)生產(chǎn)和安全管理方面的壓力,因此學(xué)生到裝備制造一線實踐的時間和空間越來越少。此外，在2～4周的實習(xí)期間,學(xué)生要熟悉實習(xí)企業(yè)的某零件的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備也相當(dāng)困難,實習(xí)過程往往存在認(rèn)識不夠深入、理論結(jié)合生產(chǎn)實際不緊密的問題。這樣的生產(chǎn)實習(xí)難以達到預(yù)期效果,不利于在新工科背景下培養(yǎng)具有較強工程意識和動手能力的高素質(zhì)制造業(yè)人才。

采用虛擬現(xiàn)實技術(shù),可以使學(xué)生在虛擬空間了解和掌握制造系統(tǒng)的主要工作流程、原理和關(guān)鍵技術(shù),從而提高學(xué)生對專業(yè)的興趣和理論聯(lián)系實際的能力。具體方案是：開發(fā)具有高度沉浸感的虛擬場景和數(shù)字化模型,利用Flexsim三維虛擬仿真軟件和Sketch Up三維造型軟件,在計算機上對實習(xí)車間曲軸生產(chǎn)線進行建模。通過仿真手段將生產(chǎn)過程虛擬化,使學(xué)生對制造工藝方案和加工過程形成映射；通過漫游技術(shù)和VR設(shè)備使學(xué)生可以觀看機床和零件加工部位、定位方式等實際加工情況；通過該系統(tǒng),使學(xué)生在實習(xí)前就能對企業(yè)車間布局、工件加工流程等有一個充分了解,并結(jié)合理論知識提出針對生產(chǎn)現(xiàn)場的問題,即采用虛實結(jié)合方法提高實習(xí)效果。

2 現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和仿真建模

4H曲軸加工工藝復(fù)雜,有20多道工序,包括：車削、銑削、磨削、鉆、鉸、攻絲等,主要工藝流程是：軸頸粗加工—軸頸半精加工—油孔加工—熱處理—中心孔修整—兩端孔加工—軸頸精加工—拋光。主要工藝設(shè)備有CNC單刀數(shù)控車床、日本小松內(nèi)銑機床等。學(xué)生要現(xiàn)場了解曲軸加工工藝和所使用機床的差異、夾具的結(jié)構(gòu)和功能。

需采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括：每道工序裝夾時間、生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍等,用于仿真模型中相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

Flexsim是面向制造、物流等領(lǐng)域開發(fā)的一套系統(tǒng)仿真模型設(shè)計、制作與分析工具軟件。Flexsim集計算機三維圖像處理技術(shù)、仿真技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)為一體,內(nèi)置有虛擬現(xiàn)實瀏覽窗口,可以讓用戶添加光源、霧以及采用虛擬現(xiàn)實立體技術(shù)。利用Flexsim構(gòu)建高仿真環(huán)境步驟如下：

(1) 繪制曲軸車間曲軸生產(chǎn)線現(xiàn)場布局圖。車間的空間大小、加工設(shè)備和傳送裝置的外形及尺寸、設(shè)備之間距等應(yīng)盡量測量準(zhǔn)確,用CAD繪制。

(2) 在Flexsim仿真軟件中導(dǎo)入曲軸生產(chǎn)線CAD現(xiàn)場布局圖。導(dǎo)入時，CAD圖形單位和Flexsim場景的單位應(yīng)一致。

(3) 利用SketchUp 3D軟件繪制加工設(shè)備三維模型。建模時加工設(shè)備外形數(shù)據(jù)應(yīng)準(zhǔn)確、真實,為學(xué)生實習(xí)構(gòu)建一個與真實環(huán)境相一致的虛擬現(xiàn)實環(huán)境。最后把建立的機床模型導(dǎo)入Flexsim仿真軟件,形成三維仿真環(huán)境。Flexsim可以導(dǎo)入多種格式的3D媒體，包括3ds MAX、wrl、 stl和dxf。

3 生產(chǎn)實習(xí)仿真系統(tǒng)動畫制作的關(guān)鍵技術(shù)

建立三維曲軸虛擬仿真車間,動畫制作是關(guān)鍵技術(shù)。在生產(chǎn)線上有大量的運動部件及動作,例如：工人上下料動作、工件放在機床夾具上并定位、夾緊動作、加工曲軸時工件的旋轉(zhuǎn)運動、使用刀具的加工過程及進刀運動等,有些動作還能通過人機交互進行參數(shù)設(shè)置以改變運動軌跡。在Flexsim仿真軟件中可以通過動畫編輯器(Animation)和FLexsim動作編程實現(xiàn)上述要求。

3.1 動畫編輯器(Animation)

動畫編輯器允許用戶為模型中的Flexsim實體創(chuàng)建和保存自定義動畫。使用動畫編輯器模擬曲軸加工機床加工曲軸軸徑的工序過程,在Flexsim中拖入系統(tǒng)自帶的機床實體,然后在其屬性頁上導(dǎo)入用SketchUp 3D軟件繪制的曲軸車床外形,再進入曲軸車床的動畫編輯器， 利用SketchUp 3D繪制曲軸零件和溜板刀架，并添加到動畫編輯器。

要使運動部件按規(guī)定方式運動,需要在時間軸上為運動子部件添加關(guān)鍵幀。動畫編輯器中有兩類關(guān)鍵幀：一類是所有屬性關(guān)鍵幀,一類是單獨屬性關(guān)鍵幀。添加關(guān)鍵幀步驟如下：

(1) 將時間線放在時間軸的初始位置(運動起點關(guān)鍵幀)上,把動畫編輯器視圖中子部件移到此位置,確定運動部件初始狀態(tài)和初始時間點；

(2) 把時間線移到要運行的時間處。例如需要動畫運行10 s,則將時間線移到10 s處,把子部件也移到10 s處,并在此處再添加一個結(jié)束關(guān)鍵幀。

至此,一個最簡單的動畫制作完畢,運行后可以看到子部件運行的效果。

如果需要更復(fù)雜運動,則在起點和結(jié)束關(guān)鍵幀中間添加更多的中間關(guān)鍵幀,并且在各中間關(guān)鍵幀處設(shè)置子部件不同的方位狀態(tài),系統(tǒng)在運行時會根據(jù)不同時間點把不同的運動狀態(tài)平滑銜接起來。制作動畫時,不動部件實體外形與其在Flexsim場景中一樣，不需要改變；在實體部件需要改變的情況下，可以通過該實體屬性頁相關(guān)選項置換成事先做好的3D外形。而運動部件需要在動畫編輯器中添加為子部件,對子部件外形、運動進行單獨編輯。如果有兩個運動件A和B,其中B依附于A,如果A動則B也跟著動。在B還有獨立運動的情況下,則在編輯時,可以把B設(shè)置為A的子部件,便可以實現(xiàn)更為復(fù)雜的運動。

可以為任何3D模型指定幀,通過創(chuàng)建不同的3D模型,然后將其存儲為<原始文件名>FEAME<幀號>.3ds來實現(xiàn)。例如,操作員的原始3D文件是Operator.3ds。如果用命令setframe(current,0)設(shè)定其幀為0,就會繪制這個圖形,它的其他幀定義在OperatorFRAME1.3ds、OperatorFRAME2.3ds等中。如果調(diào)用setframe(current,3)命令,將繪制<原始文件名>FRAME3.3ds中指定的3D文件。

動畫制作完成后,為了進一步細化相關(guān)動作，可以在模型中機床實體的觸發(fā)器中編寫腳本程序,可以使用stopanimation()和startanimation()腳本語言調(diào)用這個動畫。例如：當(dāng)曲軸被安裝在機床上后,調(diào)用此動畫模擬曲軸機床加工過程,如圖1所示。加工前,工件先被安裝在機床上,按動電鈕,可以設(shè)置頂尖夾緊和松開零件的動作；安裝、定位、夾緊動作完成后,主軸帶動工件旋轉(zhuǎn),同時溜板刀架刀具作進給車削運動。學(xué)生可以反復(fù)觀看曲軸加工過程,了解本工序夾具特點和限制工件自由度數(shù)目等。

圖1 曲軸機床加工場景

3.2 Flexsim動作編程

復(fù)雜的實體運動控制涉及 Flexsim的動作編程,可以根據(jù)條件的變化，通過編程實現(xiàn)更為復(fù)雜、精確的運動控制。 Flexsim的動作編程能使模型場景中的可運動設(shè)備動起來,從而使模擬過程更接近真實。Flexsim的動作編程可以使一個實體同時進行幾種運動(包括在直角坐標(biāo)系中沿著x、y、z軸方向移動和旋轉(zhuǎn)),每個運動都有自己的速度屬性。

Flexsim的動作編程需要調(diào)用3個函數(shù)。

首先要調(diào)用initkinematics函數(shù),為運動初始化數(shù)據(jù),保存運動部件的起始位置、起始角度等運動數(shù)據(jù)；

然后調(diào)用addkinematic函數(shù),為對象添加移動或旋轉(zhuǎn)動作,每一個單獨的運動都通過addkinematic函數(shù)添加；

最后調(diào)用updatekinematics函數(shù),其作用是計算運動部件當(dāng)前的位置和旋轉(zhuǎn)角度,并在運動過程中不斷地刷新視圖。

此外,復(fù)雜運動模型還涉及坐標(biāo)空間轉(zhuǎn)換、模型導(dǎo)入、尺寸大小設(shè)定、運動實現(xiàn)等。

4 生產(chǎn)實習(xí)仿真平臺顯示技術(shù)

虛擬現(xiàn)實是綜合利用計算機圖形系統(tǒng)和各種現(xiàn)實及控制等接口設(shè)備,在計算機上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供沉浸感覺的技術(shù)。

目前高版本Flexsim仿真軟件本身帶有VR接口,支持多種VR設(shè)備。例如Flexsim V2016版本支持Ocolus rift硬件VR設(shè)備；Flexsim V2017.1以上的版本同時支持Htc vive和Ocolus rift硬件VR設(shè)備。建議采用Windows10 64位計算機操作系統(tǒng),使用前需要安裝相關(guān)VR設(shè)備的驅(qū)動程序,只要安裝調(diào)試完成即可在Flexsim中使用。

VR眼鏡是常用的VR設(shè)備,學(xué)生戴上VR眼鏡就能以自然的方式在虛擬車間進行漫游和場景交互,產(chǎn)生強烈的沉浸感、立體感和身臨其境的體驗。

學(xué)生可以采用鼠標(biāo)滾動和使用操縱桿兩種方式在虛擬的曲軸生產(chǎn)車間漫游、參觀、現(xiàn)場交互。高版本的Flexsim仿真軟件帶有操縱桿等VR接口,使用操縱桿可以使視點向前、向后、向左、向右行進漫游。在虛擬場景中,參觀者能以360°視角觀看現(xiàn)場場景,具有很強的沉浸感和立體感。當(dāng)觀看者轉(zhuǎn)頭或者轉(zhuǎn)身,可以看到其身后的場景；仰頭或者低頭看到的是上方或者下方的場景。在計算機屏幕上,Flexsim仿真軟件也實時、動態(tài)地顯示參觀者看到的場景,即可以視點跟蹤(見圖2)。

運行曲軸Flexsim仿真系統(tǒng)進入虛擬曲軸生產(chǎn)車間,可以從曲軸加工的第一道工序開始,清楚地觀察到曲軸加工的每道工序的實際情況特點,還可以結(jié)合每道工序的工序圖和夾具圖進行分析。

Flexsim自帶有豐富的VisualTool顯示控件,可以事先把繪制好的相關(guān)工序的工序圖、夾具圖以圖形文件嵌入在VisualTool顯示控件中,供學(xué)生詳細了解加工內(nèi)容。借助類似方法,還可以將其他豐富、實用的曲軸加工工藝知識融入仿真系統(tǒng),形成以“虛擬體驗、雙向互動”為特色的新實習(xí)實訓(xùn)模式。

圖2 Flexsim實時動態(tài)場景

5 生產(chǎn)實習(xí)仿真平臺考試模塊的開發(fā)

為檢驗機加工生產(chǎn)實習(xí)仿真系統(tǒng)的實習(xí)效果,在實習(xí)結(jié)束后要進行考核。Flexsim有22條語句是關(guān)于連接和訪問數(shù)據(jù)庫的。Flexsim可方便地與Access、Oracle等數(shù)據(jù)庫相連,并提供SQL mode和Table mode兩種方式操作數(shù)據(jù)庫,即允許用戶使用SQL語句來訪問數(shù)據(jù)庫。

在Flexsim的GUI上開發(fā)考試模塊,創(chuàng)建試題窗口界面(見圖3)。學(xué)生通過試題界面答題并保存答案,答題信息即被保存在全局表中。當(dāng)答題者檢查無誤再點擊“答案上傳”按鈕,答題信息將被上傳并保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。編寫必要的腳本程序,系統(tǒng)可以自動進行評分和分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

圖3 基于GUI的仿真考試界面

6 結(jié)語

基于Flexsim 3D仿真軟件和VR顯示技術(shù)開發(fā)的沉浸式機加工生產(chǎn)實習(xí)仿真系統(tǒng),可以讓學(xué)生通過漫游掌握曲軸生產(chǎn)線布局和加工工藝,對加工設(shè)備的外觀、結(jié)構(gòu)進行360°旋轉(zhuǎn)觀看,查看設(shè)備的工作原理、工序介紹等相關(guān)資料。在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中,實習(xí)時間不受限制,增強了學(xué)生實習(xí)的興趣,提高了實習(xí)效果。該項目既可以對學(xué)生開放,也可以用于對企業(yè)員工培訓(xùn),在實訓(xùn)教學(xué)和企業(yè)員工培訓(xùn)中有很好的應(yīng)用價值。