普通車床仿真實（shí）訓係統的開發與應用
2017-7-13 來源（yuán）：河北機電職業技（jì）術學院 機械工程係 作者：李彩風 李海濤 孫振傑 張曉芳（fāng） 孫誌平
[摘 要] 傳統的普通車床實訓受實訓（xùn）成本、實訓時間和（hé）實訓場地的限製（zhì），使實（shí）訓效果大受影響，安全也難以保證。實踐證明，在實訓環節初期，學生利（lì）用 Creo 軟件和 Unity3D 軟件功能開發的普通車床仿（fǎng）真實訓係統進（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（yán）
實訓是高（gāo）職學生形成職業技能和職業素養的重要環節，但在（zài）整個實訓過程中均采用（yòng）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，使學生的實踐動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（nián）來，教育部頒布（bù）了一係列的相關文（wén）件，大（dà）力提倡實訓環節采用虛擬（nǐ）仿真技術（shù），以解決高職院校（xiào）普遍存在（zài）的實習實訓難等問題，推（tuī）進綠色實訓與（yǔ）教育公平。采用仿真實訓係統進行實訓（xùn），可有效解決實訓（xùn）中存在的各種困難，彌補實物實訓的不足，提（tí）高（gāo）實訓效果，同時還可改變傳（chuán）統的職業（yè）教育模式（shì）[ 2 ] 。目前，對汽（qì）車、數控機床等方麵的實（shí）訓係統（tǒng）研究（jiū）較為關注，對普通車床的研究（jiū）較少，不能滿足（zú）其仿真實（shí）訓的要求。在實訓環節初期，學（xué）生利用普通車床（chuáng）仿真實訓係統進行實訓內（nèi）容的（de）模擬訓練，可掌握機床的基本（běn）結構組成、操作方法和操作流程，然後再在實物機（jī）床上進行操作訓練（liàn），可大大提高實訓效果，使（shǐ）學生能在較（jiào）短的時間內熟練掌握機床操作技能，減少操作失誤。本文主要探討普通車床仿真實訓係統的開發（fā）與應用。
1、 係統總體方案
根據實訓內容和知識難點，仿真實訓係（xì）統采用三維模型展現（xiàn）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（bù）分的結構（gòu）和工作原理，如各部件之間的連（lián）接關係、傳動係統的傳動路（lù）線及（jí）主軸箱變速原理等，還可進行操作，如（rú）變速（sù）操作、溜板箱（xiāng）的（de）運動（dòng）和部件拆裝等。利用實訓係統反複多次（cì）進行訓練，熟練後再實物操作，可大大提高（gāo）學生實踐操作（zuò）的效（xiào）果[3]。係統總體方案（àn）為：利用 Creo 軟件（jiàn）創建車床的三維模型，利用 Unity3D 軟件進行車（chē）床模型（xíng）的鏈接和係統的開發。
2 、係統（tǒng）的開發實現
2.1 基於 Creo 軟件的普通車（chē）床幾何模型的建立利用 Creo 軟件創建車床的三（sān）維（wéi）模型。Creo 軟件是美國 PTC 公司在 2010 年推出的計算機輔助（zhù）設計軟件包（bāo），是當（dāng）今主（zhǔ）流（liú）的 CAD/CAM/CAE 軟件之一（yī）[4]。利用 Creo 軟件的參數（shù）化建模，能輕鬆（sōng）捕（bǔ）獲設計意圖，設計者可（kě）隨時對模型進行修改；利用族表命（mìng）令，定義和創建同一係列的零件，進行零部件庫的建立，使用方便。
2.1.1 零件幾何模型的創建。由於實訓係（xì）統的幾何模型（xíng）是對現有的車床進行測繪後建立的，所有（yǒu）零件的形狀和尺寸都已知，所以采用自底向上（shàng）的（de）方法創建幾何（hé）模（mó）型。首先對各主要零件的相關尺寸進行測繪，然後利（lì）用 Creo 軟件的零件建模模塊，完成主要零件的三維造型。為了增強實訓的外觀（guān）效（xiào）果（guǒ），零件造型創建完成後，需（xū）要進（jìn）行渲染，包括材質的選（xuǎn）取、顏色的設置（zhì）和燈光的使用等。溜板箱箱體的造型和車床（chuáng）床身的三（sān）維造型如圖 1 ～圖 2 所示。
2.1.2 虛擬裝配與運動仿（fǎng）真。根據車床各零部件之間的裝配順序和位置關係（xì），在 Creo 軟件的裝配模塊中完成零部件裝配和整體裝配（pèi），分析各零部件之間有無幹涉（shè）現象，進行參數的修改和優化。在車床機構模塊中
圖 1 溜板箱（xiāng）箱體的造型
圖 2 車床床身的三維造型
進行運動仿真，觀察各機構的運（yùn）動狀態是否滿足要求。
（1 ）虛擬（nǐ）裝配。Creo 軟件提供兩種裝配方式（shì）：一是利用裝配（pèi）約（yuē）束進行裝配；二是利用連（lián）接關係進行裝配，主（zhǔ）要根據各零部件在工（gōng）作過程中有無相對運動進行選（xuǎn）擇。對於無相對運動的零部件，通（tōng）過裝配約束添加到裝配體中。常用的裝配約（yuē）束有重合（hé）、距離、平行、法向、角度偏移、相切（qiē）等，根據零部件的正（zhèng）確位置來選擇。裝配完（wán）成後（hòu）零部件完全約束，固定不動，約束設置值作（zuò）為（wéi）參數可隨時修改，並可（kě）與其他參數建立關係方程，即整個裝配體實際上是一（yī）個參數化的裝配體[ 5 ] 。對於有相對運動的零部件，需要通（tōng）過連接關係（xì）來裝配（pèi），定義的（de）零部件（jiàn）具有一定的自由（yóu）度，可進行（háng）旋轉或移動。常用的連接關係有（yǒu）銷（xiāo）、滑塊、圓柱（zhù）、平麵、球等，使用時根據零部件的運動方式正確選擇。
車床主軸變速機構（gòu）裝配效果和（hé）機床總裝配效果如圖 3～圖 4 所示（shì）。
（2 ）運動仿真。運動仿真主要包括主軸傳動係統、進給（gěi）傳動係統、刀架（jià）和溜板箱及尾座的運動仿（fǎng）真等。通過運動仿真可直觀地觀察各（gè）零部件之間的運動（dòng）狀態和相（xiàng）互運動關係，便於理解和掌握（wò）實訓內容。運動仿真是在 Creo 軟件中的（de）“應用程序”→“機（jī）構模塊”中完成的。創建機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（pèi）效果
一是在裝配環境裝配完成後，單擊菜（cài）單欄菜單“應用程序”→“機構”按鈕，係統便進入機構（gòu）模塊，可定義齒輪、凸輪等副機構的連接；二是定義伺服電動機；三是進行運動分析；四（sì）是進行機構回放；五是分析測量。
2.2 係統的（de）實現
對各種虛擬現實軟件進行比較，最終選擇 Unity3D軟件進行開（kāi）發。Unity3D 軟件可創建三維（wéi）遊戲（xì）、虛擬漫遊及（jí）虛擬展示等多種內（nèi）容，學生能輕易上（shàng）手；同時將所開發軟件發布（bù）到Windows,iphoness,androids 等係統，學生可在計算（suàn）機和（hé）手機上完成實訓係統（tǒng）的學習（xí），使用方便。利用 Unity3D 軟件（jiàn）的各種函數功能，在仿（fǎng）真實訓係統中製作界麵、轉換幾何模（mó）型格式（shì）和編寫動作代碼（mǎ），可實現仿真實訓係統的功能。
2.2.1 製作界麵。為了更好地實（shí）現人機交互功能，在實訓係統界麵布置一定的功能按（àn）鈕，如“主（zhǔ）傳動係統”“進給傳動（dòng）係統”“部件拆裝（zhuāng）”等。學生通（tōng）過點擊按鈕即可進入相應內容進行學習和操作練（liàn）習，使用方（fāng）便。Unity3D 軟件通過重載（zǎi） On GUI 函數，將各個功（gōng）能按（àn）鈕布置在屏幕相應的位置上[6]。
2.2.2 轉（zhuǎn）換幾何模型格式。Unity3D 軟件所能識（shí）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（xiǎng）。在製作過程（chéng）中，需要對幾何（hé）模型進行（háng）格式轉換，即采用 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（jù）車床各零部件的運動狀態與規律，選擇合適的（de）運動參數編寫動作普通車床零部件主要運動方式（shì）有移動、旋轉和縮放（fàng）。車床主軸傳動係統運動控製部分代（dài）碼如下：
3 、應用實例
普通車床仿真實訓係統可直接在 Windows 係（xì）統或A n d r o i d 係統中安裝使用，通過（guò）鼠標操作即可。如普（pǔ）通車床主軸拆裝（zhuāng）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拆裝工藝。在（zài）實訓初期（qī），學生利用仿真（zhēn）實訓係統進行（háng）模擬拆裝，打開仿真實訓係統，鼠標點擊界麵上的（de）“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“開始拆卸”按鈕，係統（tǒng）會以動（dòng）畫的形式模擬拆卸過程，各個零部件以（yǐ）拆卸工藝順序（xù），一個個地與（yǔ）主軸零件分開，放到指定位置上。學生通過模擬訓練，掌握機床主（zhǔ）軸部件的組成及各個零（líng）部件的相互位置關係，掌握主軸拆裝的順序（xù），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（jiē）初期，學生利用仿真實訓係統進行訓（xùn）練，之後再進行實物操作，能較快地掌握實訓內容，縮短實訓時間，安全性較高，節約成本（běn），提高學生動手能力，為以（yǐ）後走上工作崗位打下堅實（shí）的基礎。此外，仿真實訓係（xì）統的開發可讓學生共同參與，進一步加深學生（shēng）對知識的掌握和理（lǐ）解，有利於創新能力和動手能力的培養 。
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