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普通車床（chuáng）仿真實訓係統的開發與應用

2017-7-13 來（lái）源：河北機電職業技術學院機械工程係作者：李（lǐ）彩風李（lǐ）海濤（tāo）孫振傑張曉芳孫誌平

[摘要] 傳統的普通車床實訓受實訓成本、實訓（xùn）時間和實訓場地的限製，使實訓（xùn）效（xiào）果大受影響，安全（quán）也難以保證。實踐證明，在實（shí）訓環（huán）節（jiē）初期，學生利（lì）用 Creo 軟件和 Unity3D 軟件功能開發的普通車床仿真實訓係統進行實訓，可（kě）大大縮短（duǎn）學生掌握機床操作技能的時間，提（tí）高實訓效（xiào）果。

[關鍵詞] 高職教育；車床；仿（fǎng）真實訓係統；職業技（jì）能

引言

實訓是高職學生形（xíng）成職業技能和職業素養的（de）重要環節，但在整個實訓過程中均采用實物實訓，受實訓成本（běn）、實訓時間、實訓場地的限製，加之安全保障問（wèn）題，使學生的實踐動手（shǒu）能力不能得到足夠的鍛煉，大大影（yǐng）響了（le）實訓效果（guǒ）[1]。近年來，教育部頒布了一（yī）係列的相關文件，大力提倡實（shí）訓環節采用虛擬仿（fǎng）真技術，以解決（jué）高職院校普遍存在的實（shí）習（xí）實訓難（nán）等問題，推進綠色實訓與教育公平（píng）。采用仿真實訓係統進行實訓，可有效解決實訓中存在的各（gè）種困難，彌補實物實訓的不足，提（tí）高（gāo）實訓效（xiào）果，同時還可改變傳統的職業教育（yù）模（mó）式[ 2 ] 。目前，對汽車、數控機床等方麵的實訓係統研究較為關注，對普通車床的研究較少，不能滿足其仿真實訓的要求。在（zài）實訓環節初期（qī），學生利用普通車床仿真實訓係統進行實訓內容的模擬訓練，可掌握機床的基本結構組成、操作方法（fǎ）和操作流程，然後再在實物（wù）機床上進行操作訓練，可大大提高實訓效果，使學（xué）生能在較短的時間（jiān）內熟練掌握機床操（cāo）作技能，減少操（cāo）作（zuò）失誤。本文主要探討普通車床仿真實訓係統的開發與（yǔ）應用。

1、係（xì）統總體（tǐ）方案（àn）

根據實訓內容和知識難點，仿真實訓係統采用三（sān）維模（mó）型（xíng）展現普通車床（chuáng），學生利用（yòng）仿真係統中的功能按鈕和互動操作，了解各部分的結構和工作原理，如各部件之間的連接關係、傳動係統的傳動路（lù）線及主軸箱變（biàn）速原理等（děng），還可進行操作（zuò），如變速操作（zuò）、溜板箱的運動和部件拆裝等。利用實訓係統反複多（duō）次進行訓練，熟練後再實物操作，可大大提高學生實踐操作的效果[3]。係統總體方案為：利用 Creo 軟件創建車床的三維模型，利用 Unity3D 軟件進行車床模型（xíng）的鏈接（jiē）和係統的開發。

2 、係統的開發實（shí）現

2.1 基於 Creo 軟件的普通車床（chuáng）幾（jǐ）何（hé）模型的（de）建立利（lì）用 Creo 軟件創建車床的三維模型。Creo 軟件是美國（guó） PTC 公司在 2010 年推出的計算（suàn）機輔助設計軟件包，是當今主流的 CAD/CAM/CAE 軟件（jiàn）之一[4]。利（lì）用 Creo 軟件的參數化建模，能（néng）輕鬆捕獲（huò）設（shè）計意圖（tú），設計者可隨時對模型進行修改；利（lì）用族表命令，定義和（hé）創（chuàng）建同（tóng）一（yī）係列的零件，進行零部件庫的建立（lì），使用方便。

2.1.1 零件幾何（hé）模型（xíng）的創建（jiàn）。由於實訓係統的幾何模型是對（duì）現有的車床進行測繪後建立的，所有零件的（de）形狀和尺寸都已知，所以采用自底（dǐ）向上的方法創建幾何（hé）模型。首先對各主要零件的相關（guān）尺寸進行（háng）測繪，然後利用 Creo 軟（ruǎn）件的零（líng）件建模（mó）模塊，完成主要零件的三維造型（xíng）。為了增強實（shí）訓的（de）外觀（guān）效果，零件造型創建完成後，需要進行渲染，包括材質的選取、顏色的設置和燈光的使用等。溜板箱箱體的造型和車床床（chuáng）身的三維（wéi）造型如圖 1 ～圖 2 所示。

2.1.2 虛擬裝配與（yǔ）運動仿（fǎng）真。根據車床各零部件之間的裝配順（shùn）序和位置關（guān）係，在（zài） 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（wú）幹（gàn）涉現象，進行參數的（de）修改和優化（huà）。在車床機構模塊中

圖 1 溜板箱箱體的造型

圖（tú） 2 車床床身（shēn）的三維造型

進行運動仿真，觀察各機構的運動狀態是否滿足要求。

（1 ）虛擬裝配。Creo 軟件提供兩種裝配方式：一（yī）是利用裝配約束進行裝配；二是利用（yòng）連接關係進行裝配，主要根據各零部件在工作過程中有無相（xiàng）對運（yùn）動進行選（xuǎn）擇。對於無相對運動的零部件，通過裝（zhuāng）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（fǎ）向、角（jiǎo）度偏移、相切等，根據零部件的正確位置來選擇。裝配完成後零部件完全約束，固定不動，約（yuē）束設置值作為參數可隨時修改，並可（kě）與其（qí）他參數建立關（guān）係方程，即整個（gè）裝配體實際上是一個參數化的裝配體[ 5 ] 。對於有相對運動的零部件，需要（yào）通過連接關（guān）係來裝配（pèi），定義的零部件具有一定的自由度，可進行旋轉或移動。常用的連接關係有銷、滑塊（kuài）、圓柱、平麵、球等，使用時根（gēn）據零部件的運動（dòng）方式正確選擇。

車床主軸變速機構裝配效果和機床總裝配效果（guǒ）如圖 3～圖 4 所示。

（2 ）運（yùn）動仿真。運動仿真主（zhǔ）要包括（kuò）主軸傳動係統、進給傳（chuán）動係統、刀架和溜（liū）板箱及（jí）尾座的運動（dòng）仿真等。通過運動仿真可直觀地觀（guān）察各零部件之間的運動狀態和相（xiàng）互運動關係，便於（yú）理解（jiě）和掌握實訓內容。運動仿真是在 Creo 軟件中的“應用程序”→“機構模塊”中完成的。創建機構運動仿（fǎng）真的（de）一般步驟為：

圖 3 車床主軸變速機構裝配效果（guǒ）

圖 4 機床（chuáng）總裝配效果

一是在（zài）裝配環境裝配完成後，單擊菜單欄菜單“應用程（chéng）序”→“機構（gòu）”按鈕，係統便進入（rù）機構模塊，可定義齒輪、凸輪等（děng）副機構的連接；二是定義伺服電（diàn）動機（jī）；三是進行運動分析；四是進行機構回放；五是分析測量。

2.2 係統的實（shí）現

對各種虛擬現實軟件進行比較，最終選擇 Unity3D軟（ruǎn）件（jiàn）進行開發。Unity3D 軟件可創建三（sān）維遊戲、虛擬漫遊及虛（xū）擬展示等多種內容，學生能輕易上手；同時將所開發軟件發布到Windows,iphoness,androids 等係統，學生可（kě）在計算機和（hé）手機上完成（chéng）實訓係統的學習，使（shǐ）用方（fāng）便。利用 Unity3D 軟件的各（gè）種函數功能（néng），在仿真實訓係統中製作界麵、轉換（huàn）幾何模型（xíng）格式（shì）和編（biān）寫動作代碼（mǎ），可（kě）實現仿真實訓係統的功能。

2.2.1 製作界麵。為了更（gèng）好地實現人機交互功能，在實訓係統界麵布置一定的功能按鈕，如“主傳動係統”“進給（gěi）傳動係統”“部件拆裝”等。學生通（tōng）過點擊按鈕即（jí）可進入相應內容進行學習和操作練習（xí），使用方便。Unity3D 軟件通過重載 On GUI 函數，將各個功（gōng）能按鈕布置在屏（píng）幕相應的位置上[6]。

2.2.2 轉換（huàn）幾何模型格式。Unity3D 軟件所（suǒ）能識別的模型為 FBX 格式，與 Creo 軟件所建立的幾何模型無法直接實現共享。在製作過程中，需要對幾何模型進（jìn）行格式（shì）轉換，即采用 3DMAX 軟件將幾何模（mó）型導出成為 FBX格式（shì），然後再調入到 Unity3D 軟件中。

2.2.3 編寫動作代碼。根據車床各零部件的運動狀（zhuàng）態與規律，選擇合（hé）適的（de）運（yùn）動參數編寫動作普通車床零部件主要運（yùn）動方式有移動、旋轉和縮放。車床主軸傳動係統運動控製部（bù）分代碼如下：

3 、應用實例

普通車（chē）床仿（fǎng）真實訓係統可直接在 Windows 係統或A n d r o i d 係統中安裝（zhuāng）使用，通過（guò）鼠標操作即（jí）可。如普通（tōng）車床主軸拆裝（zhuāng）實訓（xùn）目的是，讓學生掌握普通車（chē）床（chuáng）主

5 車床仿真實訓係統主界麵

軸部件的結（jié）構組成和拆裝工藝。在實訓（xùn）初期，學生利用仿真（zhēn）實訓係統進行模擬拆裝，打開仿真實訓係統，鼠標點擊界麵上（shàng）的“主軸拆裝”按鈕，即可進入拆裝界麵進行主（zhǔ）軸的拆（chāi）裝仿真（zhēn）實訓界麵；點擊“開始拆卸”按鈕，係統會以動（dòng）畫的形式模擬拆（chāi）卸過（guò）程，各個零部件以（yǐ）拆卸工藝順序，一（yī）個個地與主軸零件分開（kāi），放到（dào）指定位置上（shàng）。學生（shēng）通過模擬訓練，掌握機床主軸部件的組成及各個零（líng）部件的相互（hù）位置關係，掌握主軸拆（chāi）裝（zhuāng）的順序（xù），達到實訓目的（de），使用方便。

6 車床仿真實（shí）訓係統主運（yùn）動鏈界（jiè）麵

4、結束語

在實訓環節（jiē）初期，學生利用仿真實訓（xùn）係統（tǒng）進行訓練，之後再進行（háng）實物操作，能較快地掌握實訓（xùn）內容，縮短實訓時間，安全性較高，節約成本，提高學生動（dòng）手能力，為以後走上工作崗位（wèi）打下堅實的基礎（chǔ）。此外，仿真實訓係統的開發可讓學生共（gòng）同參與（yǔ），進一步加深學生對知識的掌握和理解，有利於創新能力和動手能力的培養。

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