虛擬裝配系統(tǒng)以裝配對象的三維實體模型為基礎,在計算機上對裝配操作的全過程進行仿真,真實地模擬和展示產(chǎn)品的相關特性。虛擬裝配系統(tǒng)的作用主要有:在設計和制造階段,可以通過仿真環(huán)境優(yōu)化產(chǎn)品設計,避免或減少產(chǎn)品實際加工中的反復試制或改進;在裝配階段,可以通過虛擬環(huán)境模擬裝配過程,利用計算機對裝配序列、裝配路徑的規(guī)劃進行驗證和糾錯,從而降低裝配成本;將虛擬裝配與實際裝配相結合,創(chuàng)建沉浸、半沉浸的虛擬環(huán)境,對于培訓和教學而言,可以提高裝配操作人員的工作效率。
數(shù)控機床刀架是數(shù)控車床的執(zhí)行機構,是重要的功能部件,它在一定程度上標志著數(shù)控車床的技術水平,并且與加工精度和生產(chǎn)效率密切相關。通過虛擬裝配仿真系統(tǒng)可以更加安全、高效地掌握數(shù)控機床刀架的工作原理和裝拆方法,對于數(shù)控機床的檢測和故障維修具有重要意義。LDB4數(shù)控機床刀架為經(jīng)濟型數(shù)控車床電動刀架,在加工制造業(yè)具有廣泛的應用場合。本文以LDB4數(shù)控機床刀架的虛擬仿真為背景,以虛擬裝配培訓為目標,利用虛擬現(xiàn)實技術原理,為產(chǎn)品裝配過程的設計、規(guī)劃和運動仿真分析構建一個實用的平臺。這個系統(tǒng)可通過人機交互的方式,對裝配體進行模型展示、裝配序列和裝配路徑的模擬,同時可結合分析驗證裝配序列的可行性與合理性。
1 系統(tǒng)功能模塊及總體框架
1.1 開發(fā)環(huán)境的選擇
EON Studio是一種虛擬現(xiàn)實環(huán)境生成工具,可以依據(jù)使用者的意圖,研發(fā)實時3D應用程序。本文選用VC++6.0與EON Studio相結合,進行交互式虛擬裝配仿真系統(tǒng)的開發(fā)。所設計的數(shù)控機床刀架虛擬裝配系統(tǒng),主要應用于教學,系統(tǒng)在滿足虛擬裝配仿真的基礎上,易學易用,操作簡便靈活,并具備可拓展的功能。
1.2 系統(tǒng)的構成
構建虛擬仿真系統(tǒng)的主要任務是實現(xiàn)數(shù)控機床刀架三維可視化模型的展示,按照合理的裝配序列和裝配路徑進行運動仿真和人機交互操作訓練。本文所建立的交互式虛擬裝配仿真系統(tǒng)主要包括三維模型創(chuàng)建模塊、模型導入模塊、裝配仿真模塊、人機交互模塊、功能集成模塊。在功能上主要包括裝配體零部件結構展示、快速裝拆仿真、虛擬裝配和虛擬拆卸。
2 技術路線及功能實現(xiàn)方法
2.1 三維模型的創(chuàng)建與導入
本文選擇利用Pro/E建立LDB4數(shù)控機床刀架的三維模型,用它建立的三維數(shù)據(jù)模型具有準確的尺寸。為便于網(wǎng)絡傳輸和進一步控制,將Pro/E建立的三維數(shù)據(jù)模型導人到3DMAX中進行材質設置,之后通過3 DMAX與EON Studio的接口插件,可方便地導入EON Studio進行開發(fā)設計。
2.2 虛擬運動仿真功能實現(xiàn)
2.2.1 EON Studio的功能節(jié)點
在EON Studio系統(tǒng)中,各種功能主要通過節(jié)點來實現(xiàn)。節(jié)點是一個具有功能和數(shù)據(jù)的對象,節(jié)點的數(shù)據(jù)信息一般包括域(field)和事件(event)兩個方面,可以對節(jié)點的屬性進行設置,或者對節(jié)點接收到的信息進行修改,也可以通過接口來操作其他節(jié)點。圖1所示為EON Studio中節(jié)點的事件驅動原理。
圖1 EON Studio中節(jié)點的事件驅動原理
2.2.2 虛擬裝配路徑規(guī)劃
裝配路徑是零部件在虛擬裝配空間中的運動軌跡。裝配路徑的規(guī)劃除包含了裝配的工藝路線,亦包含了零件行走的正確軌跡,確保零部件更合理的裝配,同時也獲得更高的裝配精度。
本文數(shù)控機床刀架裝配體的設計是在完成零件造型的基礎上,新建一個裝配體,然后點擊瀏覽,依次選擇要插入的零部件即可。LDIM數(shù)控機床刀架裝拆過程中零件的運動軌跡主要包括直線運動和旋轉運動。兩個零件之間的裝配約束關系用3個坐標方向的位移以及繞這3個坐標方向的轉動表示。針對具體的運動方式,在本文描述的虛擬裝配系統(tǒng)當中主要利用Script節(jié)點、Path node節(jié)點和Place節(jié)點來進行控制。其中:Script節(jié)點主要用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和輸出M1;Path node節(jié)點用來實現(xiàn)旋轉運動仿真;Place節(jié)點用來實現(xiàn)直線運動仿真。
2.3 人機交互控制與系統(tǒng)集成
EON Studio提供了與外部應用程序之間的通信接口EONX,EONX其實是一個ActiveX控件,它能使EON Studio開發(fā)的應用程序在其他應用程序中顯示并正常運行川。本文通過VC++調用EONX控件的接口函數(shù),實現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)傳遞。實現(xiàn)VC++與EON Studio之間的通信過程的主要程序流程如下:
a.在EON Studio中建立EventIn節(jié)點和EventOut節(jié)點,以實現(xiàn)事件的輸人與輸出。 b.在EON Studio中建立JScript節(jié)點,將JScript節(jié)點與EventIn節(jié)點或Event Out節(jié)點連接,JScript節(jié)點可以從Eventln節(jié)點接收數(shù)據(jù),并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給EventOut節(jié)點。 c.在交互界面上通過按鈕或文本框發(fā)送指令給VC++和EON Studio的接口程序,觸發(fā)EONScript的事件。 d.在VC++中添加消息響應函數(shù),對EventOut進行監(jiān)聽,并利用SendEve函數(shù)將VC++的數(shù)據(jù)傳輸給EventIn節(jié)點。
2.4 實現(xiàn)的技術路線
根據(jù)系統(tǒng)所要實現(xiàn)的上述任務,確定本文實現(xiàn)LDB4數(shù)控電動刀架虛擬裝配仿真系統(tǒng)的技術路線為:
a.利用三維幾何建模軟件構建設備模型,并對模型的品質等進行優(yōu)化。
b.將三維模型輸出為EON Studio能夠識別的文件格式。通過三維幾何建模軟件和虛擬現(xiàn)實軟件的數(shù)據(jù)接口,將模型轉入到系統(tǒng)開發(fā)平臺中,檢查產(chǎn)品的初始模型是否正確,進行數(shù)據(jù)反饋和修改。通過可視化顯示與分析,實現(xiàn)裝拆項目的加載。
c.進行裝配路徑和零部件運動軌跡的規(guī)劃.生成裝配序列并記錄序列信息。裝配路徑的規(guī)劃包括裝配約束的定義、裝配定位和裝配序列規(guī)劃等,從而實現(xiàn)系統(tǒng)的運動仿真和設備拆裝的自動演示。
d.創(chuàng)建基于裝配序列和裝配路徑交互式虛擬裝拆模塊,在虛擬裝拆的過程中提供相關知識信息。
LDIM數(shù)控機床刀架虛擬裝配仿真系統(tǒng)的技術路線如圖2所示。
圖2 LDB4數(shù)控機床刀架虛擬裝配仿真系統(tǒng)技術路線圖
3 刀架裝拆的虛擬仿真過程模擬
完成的LDIM數(shù)控機床刀架虛擬裝配仿真系統(tǒng)如圖3所示。圖3(a)為LDB4數(shù)控機床刀架仿真模型,圖3(b)為LDIM數(shù)控機床刀架虛擬裝配仿真系統(tǒng)的爆炸圖。系統(tǒng)直觀地表達出零部件之間的裝配關系與裝配意圖,為虛擬裝配做準備。裝配模型中主要零部件及裝配順序規(guī)劃如下:下刀體組件及中軸組件→電源線接線柱→上刀體組件→壓簧→離合銷→銷→離合盤→平面軸承→止退圈→定位鍵葉鎖緊螺母→螺釘→發(fā)訊盤→小螺母→磁鋼組件→螺釘→上罩→螺釘→防水墊→防水螺釘。LDB4數(shù)控機床刀架虛擬裝配仿真系統(tǒng)操作及模塊功能示意。操作者可根據(jù)此運動仿真模型了解刀架結構組成、零部件之間的裝配關系,進行快速裝配或拆卸模擬。亦可在虛擬環(huán)境下進行刀架裝配或拆卸練習。以裝配練習模塊為例,當操作者將鼠標靠近任意一個零件,系統(tǒng)即自動顯示該零件的基本信息,并提示裝配路徑中該零件所涉及到的相鄰零部件。
操作及模塊功能示意如操作者未按正確路徑進行裝配或拆卸操作,系統(tǒng)會進行報錯提示,同時部件無響應。
4 結論
基于本文的研究工作可以得出以下基本結論:
a.借助虛擬現(xiàn)實技術,以LDB4數(shù)控機床刀架的拆裝為例,開發(fā)了具有交互功能的虛擬裝配仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)通過人機交互的方式,對裝配體的組成零部件進行結構和裝配序列的認知以及實時運動仿真。為產(chǎn)品裝配過程的設計、規(guī)劃和分析提供了平臺;為利用虛擬現(xiàn)實技術輔助進行產(chǎn)品設計和教學訓練提供了可借鑒的途徑。
b.系統(tǒng)以EON Studio作為仿真環(huán)境,利用VC++6.0進行了二次開發(fā),實現(xiàn)了軟件之間的對接,為虛擬仿真問題的開發(fā)工具選擇提供了參考。
c.進一步擴充和完善現(xiàn)有的虛擬仿真系統(tǒng),深入研究虛擬現(xiàn)實技術,實現(xiàn)機械產(chǎn)品沉浸式的交互仿真,是今后進一步的研究方向。
(審核編輯: 智匯胡妮)
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