孫夢

基于Quest3D的齒輪加工虛擬仿真教學系統(tǒng)研究

孫夢

（長安大學 工程機械學院，陜西 西安 710064）

為解決機械類學生對齒輪加工實驗的需求，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)實技術(shù)有效結(jié)合，建立了齒輪加工虛擬仿真教學系統(tǒng)。系統(tǒng)分為三維場景模型、機械加工工藝系統(tǒng)模型、機床運動控制模塊、人機交互模塊四個部分，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床的運動和加工過程進行模擬展示。該系統(tǒng)的應(yīng)用彌補了理論教學的不足，真正實現(xiàn)虛擬人機交互，可為目前高校的虛擬仿真教學研究提供工程實例參考。

虛擬仿真教學系統(tǒng)；齒輪加工；Quest3D；人機交互

齒輪作為工業(yè)生產(chǎn)中的重要核心零件[1]，其相關(guān)知識在機械專業(yè)的課程與實驗中占有很大比重。而齒輪制造加工工藝復雜、涉及多種機床與裝備，實際實驗與實習需要工廠式的生產(chǎn)車間來匹配完成[2]，并且對學生的操作水平要求較高。大多學校在實際教學中無法滿足學生親手進行加工的實驗條件[3]，因此借助虛擬仿真技術(shù)對齒輪零件進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驗中心的建設(shè)工作，國內(nèi)各高校紛紛引進與開發(fā)虛擬加工系統(tǒng)應(yīng)用于實際教學[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。如沈陽理工大學的李興山[8]結(jié)合VRML與JavaScript交互技術(shù)、開發(fā)出可實現(xiàn)機床運動仿真、模擬裝配等功能的虛擬機床加工仿真系統(tǒng)。重慶大學羅求順等[9]基于Quest3D軟件開發(fā)了一套針對于鉆床加工的虛擬教學系統(tǒng)，用于鉆床教學培訓。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)，模擬機床運動仿真及加工切削仿真。長安大學的常鵬[11]提出了一種融合半物理仿真思想的虛擬實訓系統(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)更著重針對各類機床的模擬操作，沒有實現(xiàn)對特定零件制造加工整體流程的模擬，這樣不利于學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系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成齒輪加工中的多種機床與設(shè)備，涵蓋齒輪從生產(chǎn)制造到機械加工的全過程，便于學生直觀了解齒輪制造加工過程、熟悉齒輪加工機床的使用與操作方法，將理論與實踐相結(jié)合，增強了學習效果。另外，該系統(tǒng)的開發(fā)不需要編寫大量復雜代碼，可以.exe格式文件安裝運行，極大的提高了開發(fā)效率并且不受時間地點限制，更加方便教學。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 虛擬仿真教學系統(tǒng)框架設(shè)計

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

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

圖1 系統(tǒng)總框架

1.2 齒輪加工工藝流程與機床運動設(shè)計

齒輪加工虛擬仿真教學系統(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床模型，制作機床交互運動，用戶可以在虛擬仿真教學系統(tǒng)中利用鼠標模擬操作機床對齒輪的加工過程。

機床加工運動通常分為主運動和進給運動，主運動為產(chǎn)生主要加工效果的運動，進給運動是指維持加工效果得以繼續(xù)的運動。根據(jù)機床運動特點，對不同步驟模塊加工機床的各個分運動進行制作。車床主運動為齒輪的旋轉(zhuǎn)運動，進給運動為刀架帶動車刀的連續(xù)直線運動；滾齒加工主運動為滾刀的旋轉(zhuǎn)，進給運動為滾刀作軸向的直線運動，滾齒加工還需要一個展成運動，即由滾刀旋轉(zhuǎn)運動和工件旋轉(zhuǎn)運動組成的復合表面成形運動；磨床主運動為主軸帶動砂輪的旋轉(zhuǎn)，進給運動是指砂輪徑向往復磨削齒廓運動，輔助運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系統(tǒng)以Quest3D軟件為開發(fā)平臺，首先利用SolidWorks對機床、刀具等進行三維建模，所建模型通過3dmax進行簡化并導入Quest3D中進行后續(xù)可視化編程，實現(xiàn)機床各部件的運動。最后將各部分子系統(tǒng)內(nèi)容進行整合完善，制作完成虛擬仿真系統(tǒng)導出發(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、相機與三維物體。燈光起照明作用，便于用戶對機床整體有所掌控。相機模塊使得用戶視角根據(jù)相機角度的變化而變化。參照機械標準，建立車床、滾齒機、齒輪磨床及相應(yīng)刀具、夾具三維模型，將簡化模型以.X格式導入Quest3D中。

利用Quest3D軟件進行系統(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，連入3D Render，將物體、光源、攝像機連接到該模塊下，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 運動制作與控制編程

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

2.2.1 運動制作

物體運動由Motion模塊實現(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：

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

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

圖4 Envelope移動曲線圖

實現(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)坐標中旋轉(zhuǎn)軸的下方，可實現(xiàn)物體繞該軸循環(huán)旋轉(zhuǎn)運動。

（2）機床部件間同步的相對運動關(guān)系稱為父子關(guān)系。實現(xiàn)父子運動需要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動，而滾刀的旋轉(zhuǎn)運動則不受影響，定義刀架運動為父運動，滾刀運動為子運動。將父物體的Motion模塊連接到子物體運動模塊的最后一個接口便實現(xiàn)兩者的同步運動。

2.2.2 控制編程

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

（1）數(shù)值控制

物體運動的數(shù)值控制編程流程如圖5所示。用戶通過鼠標或鍵盤的輸入引發(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里儲存運動的坐標值。這樣就實現(xiàn)用戶控制物體坐標的改變，也就實現(xiàn)了物體的運動。

圖5 數(shù)值控制流程

（2）時間控制

物體運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)束時間段進行控制。當用戶輸入觸發(fā)信號后，時間計時器開始工作，通過時間控制物體按照Envelope中的曲線運動。

2.2 家系Ⅱ 檢出致病基因為CDH23基因的c.7240-1G>A和c.7252G>A兩個位點復合雜合突變；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位點突變?yōu)閲鴥?nèi)首報新突變位點，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）復合控制

物體運動的復合控制編程流程如圖7所示。復合控制是指由不同變量控制物體的運動，例如刀架帶動滾刀在快進快退運動時，其豎直方向上的運動應(yīng)該是由時間控制運動的快慢；而滾刀在實際切削時，其運動應(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去儲存這兩種運動，用不同變量進行控制。

圖7 復合控制流程

（4）邏輯控制

物體運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動，滾刀和工件的嚙合運動必須要準確滿足定比傳動，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，這樣就能實現(xiàn)每當有條件觸發(fā)時，滾刀與齒輪同步運動并且其循環(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)模塊進行單獨設(shè)計。

機床運動子系統(tǒng)中的人機交互界面利用Quest3D中GUI模塊進行制作，用戶能夠控制機床各個部分的運動。人機交互界面區(qū)域分為三部分：中間用于展示機床的三維場景模型，左方設(shè)計了控制機床運動的相關(guān)按鈕，右方為文字顯示區(qū)域，將采集到的機床運動參數(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)的整合與切換運用有限狀態(tài)機channel，該通道可簡化復雜結(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，通過點擊相應(yīng)按鈕進入或返回其他界面。

3 系統(tǒng)仿真實例

以.exe的格式發(fā)布導出得到齒輪加工虛擬仿真教學系統(tǒng)。在各機床子界面系統(tǒng)中，通過上下滑動鼠標中間滾輪將機床模型進行放大縮小，通過長按鼠標右鍵移動來控制機床的旋轉(zhuǎn)，從而從多角度詳細的觀察加工過程。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、進給量、轉(zhuǎn)速等。界面左側(cè)顯示機床的加工流程中的工件旋轉(zhuǎn)、工作臺移動、道具進給、滾刀切削等運動控制按鈕。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。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)可以幫助學生借助計算機和軟件系統(tǒng)進行齒輪加工過程的實驗和學習，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，達到良好的教學效果。

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系統(tǒng)可使學生在可視化環(huán)境下對齒輪加工的流程、工藝及機床的操作進行模擬和學習，利于學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，彌補了傳統(tǒng)實踐教學的缺點與不足，在教學中達到良好效果；同時該系統(tǒng)的開發(fā)也對虛擬現(xiàn)實技術(shù)與教學實驗相結(jié)合起到了良好的推動作用。

（2）系統(tǒng)以.exe格式導出，可基于普通PC平臺安裝運行，對運行系統(tǒng)的配置要求較低。該系統(tǒng)將實驗教學和課堂理論教學有機結(jié)合，具有實時性和便捷性，在高校企業(yè)的教學培訓中具有廣泛的應(yīng)用前景。

（3）該虛擬教學系統(tǒng)的實時開發(fā)利用Quest3D中自帶的構(gòu)建模塊進行圖形化編程，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。便于根據(jù)教學使用情況進行優(yōu)化升級，還可拓展增加新模塊來滿足仿真教學的要求。

[1]侯志敏，盧春霞，王洪喜. 齒輪智造虛擬工廠實驗教學的探索與實踐[J]. 教育現(xiàn)代化，2019，6（77）：168-171，190.

[2]王成，楊波，劉海. 齒輪機構(gòu)認知虛擬仿真實驗的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 實驗室研究與探索，2018，37（8）：102-105.

[3]Yongxiang Li，Xiaoping Lu，Cong Yu，et al. Research and application of the virtual simulation system teaching method in NC machining course[J]. International Journal of Modeling Simulation & Scientific Computing，2018，9（1）：1850007.1-1850007.17

[4]Peter Monka，Sergej Hloch. Information Engineering Research Institute，USA. Proceedings of 2013 International Conference on Advanced Materials & Sports Equipment Design（AMSED 2013）[C]. Information Engineering Research Institute，2013.

[5]奎曉燕，劉衛(wèi)國，郭克華，等. 構(gòu)建智能型虛擬實驗平臺，推進現(xiàn)代教育技術(shù)改革[J]. 計算機工程與科學，2018，40（S1）：12-15.

[6]明仲，蔡茂國，朱安民. 虛實結(jié)合建設(shè)高水平虛擬仿真實驗教學中心[J]. 實驗室研究與探索，2017，36（11）：146-150，165.

[7]商執(zhí)億. 基于Unity3D的五軸加工中心虛擬仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].裝備制造技術(shù)，2019（11）：145-148.

[8]李興山. 基于Web的虛擬機床加工仿真研究[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù)，2011（4）：100-103.

[9]羅求順，張其，郭建，等基于Quest3D的鉆床加工虛擬教學系統(tǒng)的研究[J]. 計算機工程與應(yīng)用，2015，51（9）：262-266.

[10]肖元昭，岳磊. 基于OpenGL的虛擬數(shù)控車床加工仿真系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用[J]. 河南科技，2017（19）：71-72.

[11]常鵬，王國慶，盧化龍，等. 基于半物理仿真的四軸加工中心虛擬實訓系統(tǒng)[J]. 實驗室研究與探索，2018，37（11）：117-120.

[12]黃偉峰. Web 3D技術(shù)的應(yīng)用比較[J]. 電腦知識與技術(shù)，2014，10（31）：7274-7275.

[13]Malik，Masood，Bilberg. Virtual reality in manufacturing: immersive and collaborative artificial-reality in design of human-robot workspace[J]. International Journal of Computer Integrated Manufacturing，2020，33（1）：22-37

[14]魯云鵬. 齒輪工藝方案的分析及研究[J]. 內(nèi)燃機與配件，2018（7）：129-130.

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，主要研究方向為工程機械類設(shè)計及優(yōu)化，E-mail：1075886693@qq.com。