普通車床仿真實訓係統的開發與（yǔ）應用
2017-7-13 來源：河北機（jī）電職業技術（shù）學院 機械工程係 作者：李彩風 李海（hǎi）濤 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、實訓時間和實訓場地的限製，使實訓效果大受影響，安全（quán）也（yě）難以保證。實踐證明，在實訓環節初期，學生利用 Creo 軟件和（hé） Unity3D 軟件功能開發的普通車床仿真（zhēn）實訓係統進行實訓，可大大縮（suō）短學生掌握機床操作技能的時間，提高實訓效果。
[關鍵詞（cí）] 高職教育；車床；仿真實訓係統；職業技能
引 言
實訓是高職學生形成職業技能和（hé）職業素養的重要環節，但在整個實訓（xùn）過程中均采用實（shí）物實訓，受實（shí）訓成本、實訓時間、實訓場地的（de）限製，加之安全保障問題，使學生的實（shí）踐動（dòng）手能力不能得到足夠的鍛煉，大大影響（xiǎng）了實訓效果[1]。近年來，教育部頒布了一（yī）係列的相關文件，大力提倡實訓環節采用虛（xū）擬仿（fǎng）真技術，以解決高職院校普遍存在的實習實訓難（nán）等問題，推進綠色實（shí）訓與教育公平。采用仿真實訓係統進行實訓，可有效解決實訓中存在的各種困難，彌補實物實訓的不足，提高實訓效（xiào）果，同（tóng）時還可改變（biàn）傳統的職業教（jiāo）育模式[ 2 ] 。目前，對汽車、數控（kòng）機床等方麵的實訓係統研究較（jiào）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。在實訓環節初期（qī），學（xué）生利用普通車床仿真實訓（xùn）係統進行實訓內容的模擬訓練（liàn），可掌（zhǎng）握機床的基本結構組成、操作方法和操作流程（chéng），然後再在實物機（jī）床上進行操作訓（xùn）練，可大大提高實訓效果，使學生能（néng）在較短的時間內熟練掌握機床操作技能，減少（shǎo）操作失誤。本文主要探討普通（tōng）車床仿真實訓係統的（de）開發與應（yīng）用。
1、 係統總體方案
根據實訓內（nèi）容和知識難點，仿真實訓係統采用三維模型展現普通車床，學生利（lì）用仿真係統中（zhōng）的功能按鈕和（hé）互動操作，了解各部分的結構和工作原（yuán）理，如各部件之間的（de）連接關係、傳動係統的傳（chuán）動路線及主軸箱變速原理等，還可進行操作，如變速操作、溜板箱的運動和部件拆裝等。利用實訓係統反（fǎn）複多次進行訓練，熟（shú）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（tǐ）方案為：利用 Creo 軟件創建車（chē）床的三維模（mó）型，利用 Unity3D 軟件進行車床（chuáng）模型的鏈接和係統的（de）開發（fā）。
2 、係統的開（kāi）發實現
2.1 基於 Creo 軟件的普通車床幾何模型（xíng）的建立利用 Creo 軟件創建（jiàn）車床的三維模型（xíng）。Creo 軟件是美國 PTC 公司在 2010 年推出的計算機輔助設計軟件包，是當今主（zhǔ）流的 CAD/CAM/CAE 軟件之一[4]。利用 Creo 軟件（jiàn）的參數化建模，能輕鬆捕（bǔ）獲設計意圖，設計者可隨時對模型（xíng）進行修改；利用族表命令，定義和創建同一係列的零件（jiàn），進行零部件庫的建立，使用（yòng）方便。
2.1.1 零件幾何模型的創建。由於實訓係統的幾何模型是對現（xiàn）有的車床進行測繪後建立的，所有零件的形狀和尺寸都已（yǐ）知，所以采用自底向上的方法創建幾何模型。首先對各主要零件的相關尺（chǐ）寸進行測繪，然後利用 Creo 軟件的零件建模模塊，完成主要零件的（de）三（sān）維造型。為了（le）增強實訓的外觀效果，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身的三維造型如（rú）圖 1 ～圖 2 所示。
2.1.2 虛擬（nǐ）裝配與運動仿真。根據車床各零部件（jiàn）之間的裝配順序和位置關係，在 Creo 軟件的裝配模塊中完成零部件（jiàn）裝配和整體裝配，分（fèn）析（xī）各零部件之間有無幹涉現象，進行參數的修改和優化。在車床（chuáng）機構模塊中
圖 1 溜（liū）板箱箱體的造型
圖 2 車床床身的三維造型
進行運動仿真，觀察各機構的（de）運動狀態是否滿足要（yào）求（qiú）。
（1 ）虛擬裝配。Creo 軟（ruǎn）件提供兩種裝配方式（shì）：一是利用裝配約束（shù）進行裝配；二是利用（yòng）連接關係進行裝配（pèi），主要根據各零部件在工作過程中有無相對運（yùn）動進（jìn）行（háng）選擇。對於無相對運動的零部件，通過裝配約束添加到裝配體中。常用的（de）裝配約（yuē）束有重合、距離、平行、法向、角度偏移、相切等（děng），根據零部件（jiàn）的（de）正（zhèng）確位置來選擇。裝配完成後零部件（jiàn）完全約束，固定不動，約束設置值作為參數可隨時修改，並可與其他（tā）參數（shù）建立關係方程，即整個裝配體實際上是一個參數化的裝配體[ 5 ] 。對於（yú）有相對運動的零部件，需要通過連接關係來裝配，定義的零部件具有一定的自由度，可進行旋轉或移（yí）動。常用的連接關係有銷（xiāo）、滑塊、圓柱、平麵、球等，使用時根據零部件的（de）運動方式正確選擇。
車床主軸變速機構裝配效果和機床總裝配效（xiào）果如圖 3～圖 4 所示。
（2 ）運動仿真。運動仿真主要包括（kuò）主軸傳動係統、進給傳動係統、刀架和溜板箱及尾座的運動（dòng）仿真等。通（tōng）過運動仿真可直觀地（dì）觀察各零部件之間的運動狀態和相互運動關係，便於理解（jiě）和掌握（wò）實訓內（nèi）容。運動仿真是在 Creo 軟（ruǎn）件中的“應用程序”→“機構模塊”中完成的（de）。創建機（jī）構運動仿真的一般步驟為：
圖 3 車床主軸變速機構（gòu）裝配效果
圖 4 機床總裝配效果
一是在裝配環境裝配完成後，單擊菜單欄菜單“應用程序”→“機構”按鈕，係統便（biàn）進入機構模塊，可定義齒輪、凸輪等副機構（gòu）的（de）連接；二是定義伺服電動機（jī）；三（sān）是進行運動分析；四是進（jìn）行機構回放；五是分析測量。
2.2 係統的實現
對各種虛擬現實軟件進（jìn）行（háng）比較，最終（zhōng）選擇 Unity3D軟件進行開發。Unity3D 軟件可創（chuàng）建三（sān）維遊戲、虛擬漫遊及虛擬展示等多種（zhǒng）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，學生可在計（jì）算機和手機上完成實訓係統的學習，使用方便。利（lì）用（yòng） Unity3D 軟件的各種（zhǒng）函數功能，在仿真實訓係統中製作（zuò）界麵、轉換幾何模型格式和編寫（xiě）動作代碼，可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（rén）機交互功能，在實（shí）訓係統界麵（miàn）布置一定的功能按鈕，如“主傳動係統”“進給傳動係統（tǒng）”“部（bù）件拆裝”等。學（xué）生通（tōng）過點擊（jī）按鈕即可進入相應（yīng）內容進行學習和操作練習，使用方便。Unity3D 軟件通過重載 On GUI 函數，將各個功能（néng）按鈕布置在屏幕相應（yīng）的位置上[6]。
2.2.2 轉（zhuǎn）換幾（jǐ）何模型格式。Unity3D 軟件所能識（shí）別的模型為 FBX 格式（shì），與 Creo 軟件所建（jiàn）立的幾何模型無法直接（jiē）實現共享。在製作過（guò）程中，需要對幾何模（mó）型進行格式轉換，即采用 3DMAX 軟（ruǎn）件將幾（jǐ）何模型導出成為 FBX格式，然後再調入到 Unity3D 軟件中。
2.2.3 編（biān）寫動作代碼。根（gēn）據車床各（gè）零部件的運動狀態與規律，選擇合適的運動參數編寫動作普通（tōng）車床（chuáng）零部件主要運動方式有移動（dòng）、旋轉和縮放。車床主軸傳動係統運（yùn）動控製部分代碼（mǎ）如下（xià）：
3 、應用（yòng）實例
普通（tōng）車床仿真實訓係統可直接在 Windows 係統或A n d r o i d 係統中安裝使用，通過鼠標操作即可。如普通車床主軸拆裝實訓目的是，讓學生掌握（wò）普通車床主
5 車床仿（fǎng）真實訓係統主界麵
軸部件的結構（gòu）組成（chéng）和拆裝工藝（yì）。在實訓初期，學生利用仿真實訓（xùn）係統進行模（mó）擬拆裝，打（dǎ）開仿真實訓係統，鼠標點擊界麵上的“主軸拆裝”按鈕，即可進入拆裝界麵進行主軸的拆裝仿真實訓界麵；點（diǎn）擊“開（kāi）始拆卸”按鈕，係統會以動畫的形式模擬拆（chāi）卸過程，各個零部件（jiàn）以拆卸工（gōng）藝順序，一個個地與主軸零件分開，放到指定（dìng）位（wèi）置上。學生通過（guò）模擬訓（xùn）練，掌握機床主軸部件的組成及各個零部件的（de）相互位置關係，掌握主軸拆裝的順序，達到實訓目的，使用方便。
6 車床仿真實訓係統主運動鏈界麵
4、結束語
在實訓環節初期，學生利用仿（fǎng）真實訓係統進行訓練，之後再進行（háng）實物操作，能較快地掌（zhǎng）握實訓內容，縮短實訓時間，安全性較高，節約成本，提高學生動手能力，為以（yǐ）後走上工作（zuò）崗位打下堅實的基礎。此外，仿真實訓係統的（de）開（kāi）發可讓學生共同參與，進一步加深學生對知識的掌握和理解，有利於創新能力（lì）和（hé）動手能力的培養 。
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