普通車床仿真實訓係統的開（kāi）發與應用-數控機床市（shì）場網

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普通車床仿真實訓係統的開發與應用

2017-7-13 來源：河北（běi）機電職業技術學院機械工程係作者：李彩風（fēng）李海濤孫（sūn）振（zhèn）傑（jié）張曉芳孫誌平（píng）

[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（xùn）效果大受影響（xiǎng），安全也難以保（bǎo）證。實踐證明，在實（shí）訓環節初期，學生利用 Creo 軟件和 Unity3D 軟件功能開發的普通車床仿真（zhēn）實訓係統進（jìn）行實訓，可大大縮短學生掌握機床操作技能的（de）時間，提高實訓效果。

[關鍵詞] 高職教育；車床；仿真實訓係統；職業技能

引言

實訓（xùn）是高（gāo）職學生形（xíng）成職業（yè）技能和職業素養的重要環節，但在整個實訓過程中均采用實物實訓，受實訓成本、實訓時間、實訓場地的限製，加之安全保障問題，使（shǐ）學（xué）生的實踐動手能力不能得到足夠的鍛煉，大大影響了實訓效果[1]。近年（nián）來，教育部頒布了一係列的相（xiàng）關文（wén）件，大力提倡實訓環節采用虛擬（nǐ）仿真技術，以解（jiě）決高職院校普遍存在的實（shí）習實訓難等問題，推（tuī）進綠色實訓與教育公平。采用仿真實訓係統進（jìn）行實訓，可（kě）有效解決實（shí）訓中存在的各種困難，彌補實物實訓的不足，提高實訓效果，同時還可改變傳統的（de）職業教育模式[ 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（chuáng）的研究較少，不能滿足其仿（fǎng）真實訓的要求（qiú）。在實訓環節初期，學生利用普通（tōng）車床（chuáng）仿（fǎng）真實訓係統進行實訓內容的模擬（nǐ）訓練，可掌（zhǎng）握機床的基本結構組成、操作（zuò）方法和操作流（liú）程，然後再在實（shí）物機床上進行操作訓練，可大大提高實訓效果，使學生能在較短的時間內熟練掌握機床操作（zuò）技能，減少操作失誤。本（běn）文主要探討普通車（chē）床仿真實訓（xùn）係統（tǒng）的開發與應用。

1、係統總體方案

根據實訓內容和知（zhī）識難點（diǎn），仿真實（shí）訓係統采用三維模型展現普通車（chē）床，學生利用仿真係統中的功（gōng）能按鈕和互動操作（zuò），了解各部分的結構和工作原理，如各部件之間的連接關係、傳動係統的傳動路線及（jí）主軸箱（xiāng）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（chāi）裝等。利用實訓係統反複多次進行訓（xùn）練（liàn），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（tǒng）總體方案為：利用 Creo 軟件創建車床的（de）三維模型，利用 Unity3D 軟（ruǎn）件進行車床（chuáng）模（mó）型的鏈（liàn）接和係統的開發。

2 、係統的開發實現

2.1 基於 Creo 軟件的普通車床幾何模型的建立利用 Creo 軟件創建（jiàn）車床的三維模型。Creo 軟件是美國 PTC 公司在 2010 年推出（chū）的（de）計（jì）算機輔助設（shè）計軟件包，是當今主（zhǔ）流的 CAD/CAM/CAE 軟件之一[4]。利用 Creo 軟件的參數化建模，能輕（qīng）鬆捕獲設計意圖，設計（jì）者可隨時對模型進行修改；利用（yòng）族表命令，定義（yì）和創建同（tóng）一係列的零件，進行零部件庫的建（jiàn）立，使用方便。

2.1.1 零件幾何模型的創建（jiàn）。由於實訓係統的幾何模型是對現有的車床（chuáng）進行測繪後建（jiàn）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建幾何模型。首先對各（gè）主要零件的（de）相關尺寸進行測（cè）繪，然後利用 Creo 軟件的（de）零件建模模塊，完成主要零件（jiàn）的三維造型。為（wéi）了增（zēng）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（qǔ）、顏色的（de）設置和燈光的使（shǐ）用等。溜板箱箱體的造型和車床床身的三維造型如圖（tú） 1 ～圖 2 所示。

2.1.2 虛（xū）擬裝配與（yǔ）運動仿真。根據車床（chuáng）各零部件之間的（de）裝配順（shùn）序和位置關（guān）係，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（wú）幹涉現象，進行參數的修改和（hé）優化。在車床機構模塊中

圖 1 溜板箱箱體（tǐ）的造型

圖 2 車（chē）床床身的三維造型

進行運動仿真，觀察各機構的運動狀態是否滿足要（yào）求。

（1 ）虛擬裝配。Creo 軟件提供兩（liǎng）種裝配方式：一是利用裝配約束進行裝（zhuāng）配；二是利（lì）用（yòng）連接關係進行裝配（pèi），主要根據各零（líng）部件在工作過程中有無（wú）相對運動進行選擇。對於無相對運動的零（líng）部件，通過裝配約（yuē）束添加到裝配體中。常用的裝配約束有重合（hé）、距離、平行、法向、角度偏移、相切等（děng），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（gù）定不動，約束設置值作為參數可隨時修改，並可與其他參數（shù）建立關係方程，即整個裝配（pèi）體（tǐ）實際上是一個參（cān）數（shù）化的裝配體（tǐ）[ 5 ] 。對於有相（xiàng）對運動的零部件（jiàn），需要通（tōng）過連接關係來裝配，定義的零部（bù）件具有一定的自由度，可進行旋轉（zhuǎn）或移動。常用的連接關係有銷、滑塊、圓柱、平麵、球等，使用（yòng）時（shí）根據零部件（jiàn）的運動方式正確選擇。

車床主軸變速（sù）機構裝配效果（guǒ）和（hé）機床總（zǒng）裝配效果如圖 3～圖 4 所示。

（2 ）運動仿真。運動仿真主要包括主（zhǔ）軸傳動係（xì）統、進給傳動係統、刀架（jià）和溜板箱及尾座的運動仿真等。通過運（yùn）動仿真可直觀地（dì）觀察各（gè）零部件之間的運動狀態和相互運動關係，便（biàn）於理解和掌握實訓內容。運（yùn）動仿真是在 Creo 軟件（jiàn）中的（de）“應用程序”→“機構模塊（kuài）”中完成的。創建機構運動仿真的（de）一般步驟為：

圖 3 車床（chuáng）主軸變速機構裝配效果

圖 4 機床總裝配效果

一是在裝配（pèi）環（huán）境裝配完（wán）成後（hòu），單擊菜（cài）單欄菜單“應用程序”→“機（jī）構”按鈕，係（xì）統便進入（rù）機構模塊，可（kě）定義齒輪、凸輪等副機構的連接；二是定（dìng）義伺服電動機；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（de）實（shí）現

對各（gè）種虛擬現實軟件進行比較，最終選擇 Unity3D軟件進行開發。Unity3D 軟件可創建三維遊戲、虛擬漫遊及（jí）虛擬展示等多種內容，學生能輕易（yì）上（shàng）手；同時將所開發軟件發布到Windows,iphoness,androids 等（děng）係統，學生可在（zài）計算機（jī）和手機上完（wán）成實訓係統的學（xué）習，使用（yòng）方便。利用 Unity3D 軟件的各種函（hán）數（shù）功能，在仿（fǎng）真（zhēn）實訓係統中（zhōng）製作界麵、轉換幾何模型格式和編寫動作代碼，可實現仿真實訓係統（tǒng）的功能。

2.2.1 製作界麵。為了（le）更好地實現人機交互（hù）功能，在實訓係統（tǒng）界麵布置一定的功（gōng）能按鈕，如“主傳動係（xì）統（tǒng）”“進給傳動係統”“部件拆裝”等。學生通過點擊按鈕即可進入相應內容（róng）進行學習（xí）和操作練習，使（shǐ）用（yòng）方便。Unity3D 軟件通過重載 On GUI 函數，將各個功能按鈕布置在屏幕相應的位置（zhì）上[6]。

2.2.2 轉換幾何模型格式。Unity3D 軟件所能識別的模型為 FBX 格式，與 Creo 軟件所建立的（de）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（xíng）進行格式轉換，即采（cǎi）用 3DMAX 軟件將幾何模型導出成為 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（chuáng）各零部件（jiàn）的（de）運動狀態與規律，選（xuǎn）擇（zé）合適的（de）運動參數編寫（xiě）動作普通車床零部件主要運動方式有移動、旋轉和縮放（fàng）。車床主軸傳動係統運動控製部分代碼如下（xià）：

3 、應用實例

普通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（zhōng）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，讓學生掌握普通車床主

5 車床仿真實訓係統主界麵

軸部件的結構組成和（hé）拆裝（zhuāng）工藝。在實訓（xùn）初期，學生利用仿（fǎng）真實（shí）訓（xùn）係統進行模擬拆裝，打開仿真實訓係統，鼠標點擊（jī）界麵上的“主軸拆裝（zhuāng）”按鈕，即可進入拆裝界麵進行主軸的拆裝仿真實訓界麵；點擊“開始拆卸”按鈕，係統會以動畫的形式模擬拆卸過程，各個零部件以拆卸工藝順序，一個個（gè）地與主軸零件分（fèn）開，放（fàng）到指定位置上。學生通過模擬訓練，掌握機床主軸部件的組成及各個零部件的相互位（wèi）置關係，掌握主軸拆裝的順序，達到實訓目的，使用方便（biàn）。

6 車床仿真實訓係統（tǒng）主運動鏈（liàn）界麵

4、結束語（yǔ）

在實訓（xùn）環（huán）節初期，學生利（lì）用仿真實訓係統進行訓練，之後再進行實物操作，能較快地掌握（wò）實訓內容，縮短實（shí）訓時間，安全性較高，節約成本，提高學生動手能力，為以後走上工作崗位打下堅實的基礎（chǔ）。此外，仿真實訓係統的開發可讓學生共同參與（yǔ），進一（yī）步（bù）加深學生對知識的掌握和理解，有（yǒu）利於創新能力和動手能力的（de）培養。

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