虛擬仿真系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件加工中的應(yīng)用

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在各專業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在現(xiàn)如今傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，教師難以憑借語(yǔ)言、文字和二維平面圖來(lái)表述清楚某些零部件的結(jié)構(gòu)與加工過(guò)程。針對(duì)這些教學(xué)難點(diǎn)，可以利用虛擬仿真軟件來(lái)進(jìn)行大量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，以三維動(dòng)畫(huà)的形式生動(dòng)展示零部件結(jié)構(gòu)與加工過(guò)程，增強(qiáng)教學(xué)的直觀性和生動(dòng)性。文章將介紹如何利用Solidworks、UG、Unity3D等軟件以及Java語(yǔ)言、Jsp相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)虛擬仿真軟件的開(kāi)發(fā)以及在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件加工工藝中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真系統(tǒng)；發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件；加工工藝

1 概述

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，信息技術(shù)在教學(xué)中已經(jīng)成為不可缺少的元素，多媒體、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被廣泛的應(yīng)用在教育教學(xué)中[1]。與傳統(tǒng)的教學(xué)模式對(duì)比中，虛擬仿真系統(tǒng)能夠增強(qiáng)教學(xué)的直觀性與生動(dòng)性，不但使學(xué)生更容易掌握其中的原理與方法。還能吸引學(xué)生的興趣，帶動(dòng)學(xué)生的積極性和互動(dòng)性。虛擬仿真（Virtual Reality）就是利用計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件模擬出一個(gè)虛擬的三維世界，給使用者提供一個(gè)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的模擬環(huán)境。

學(xué)生進(jìn)入虛擬仿真系統(tǒng)后可以先通過(guò)相關(guān)視頻及學(xué)習(xí)資料來(lái)了解發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件加工工藝。再利用不同種類的機(jī)床和刀具對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件各個(gè)工序進(jìn)行虛擬加工。通過(guò)該過(guò)程演示和虛擬操作，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)典型零件加工工藝的認(rèn)識(shí)，了解和掌握不同機(jī)床和刀具的加工對(duì)象，并能夠?qū)?jiǎn)單零件進(jìn)行基本工藝的制定。

文章采用SolidWorks制圖軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件進(jìn)行三維建模，利用UG進(jìn)行數(shù)控仿真加工，實(shí)現(xiàn)零件加工工藝過(guò)程的三維情景化仿真模擬。并與Unity3D軟件進(jìn)行交互，并依靠Unity3D軟件來(lái)制作加工工藝過(guò)程環(huán)境，以及網(wǎng)頁(yè)動(dòng)態(tài)效果。系統(tǒng)是基于B/S結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，并采用JavaScrip腳本語(yǔ)言進(jìn)行部分設(shè)計(jì)，以及選用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)來(lái)構(gòu)建虛擬仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)模塊主要分為：發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)理論模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝過(guò)程模塊、典型零件加工工藝模塊、學(xué)校效果測(cè)驗(yàn)?zāi)K等。管理員在B/S系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，對(duì)每位學(xué)生設(shè)置可以使用的用戶名賬號(hào)密碼，學(xué)生在進(jìn)入虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)學(xué)習(xí)的時(shí)候只要輸入自己的賬戶信息便可以登錄到系統(tǒng)中，學(xué)生通過(guò)系統(tǒng)便可以進(jìn)行學(xué)習(xí)與互動(dòng)。如圖1所示為本系統(tǒng)總體框架圖。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件的建模與加工工藝

構(gòu)建虛擬仿真系統(tǒng)首先要進(jìn)行三維建模，三維建模是虛擬仿真最基本的交互操作對(duì)象。由于上述采用的軟件Unity3D雖然技術(shù)功能強(qiáng)大而又簡(jiǎn)單操作，但也有不足之處就是它們并不具備三維建模功能，不能單獨(dú)使用來(lái)構(gòu)建虛擬仿真系統(tǒng)，必須配合一款三維建模軟件來(lái)共同完成系統(tǒng)的構(gòu)建。本系統(tǒng)采用SolidWorks三維軟件來(lái)繪制發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件的建模。

SolidWorks三維建模軟件為達(dá)索系統(tǒng)下的子公司，專門(mén)負(fù)責(zé)研發(fā)的機(jī)械設(shè)計(jì)軟件。該軟件不但滿足發(fā)動(dòng)機(jī)典型零部件建模尺寸的準(zhǔn)確性和外觀逼真性，而且與Unity3D等軟件有很好的交互性?？捎糜谧x取或轉(zhuǎn)換現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)零部件三維模型，是制作各種動(dòng)畫(huà)和交互對(duì)象的基礎(chǔ)。

以?shī)W迪V6發(fā)動(dòng)機(jī)的典型零件缸體為例，缸體作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)五大核心部件之一，其制造工藝一直是發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)[2]。各個(gè)安裝零部件和附件安裝時(shí)位置是否正確，則需要由缸體來(lái)保證。缸體的加工質(zhì)量好壞，將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。如圖2所示為用Solidworks建模后的奧迪v6發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體。

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的加工工藝將采用先面后孔、粗精分開(kāi)原則。先加工平面，再利用此面定位來(lái)加工其他表面。由于缸體的剛性較差，所以應(yīng)考慮在加工缸體各表面時(shí)將粗、精加工分開(kāi)進(jìn)行。如表1所示為缸體主要加工工序。

文章采用UG數(shù)控加工編程模塊來(lái)對(duì)零件進(jìn)行編程。在Solidworks與UG間圖紙轉(zhuǎn)化時(shí)，需要將Solidworks圖紙以另存為的形式保存，文件類型為.step。否則UG無(wú)法進(jìn)行讀取。

對(duì)缸體的表面進(jìn)行加工仿真。單擊工具欄中的插入按鈕，點(diǎn)擊菜單中的創(chuàng)建幾何體選項(xiàng)，彈出“創(chuàng)建幾何體對(duì)話框”，在類型中選擇mill_contour，通過(guò)創(chuàng)建幾何體的對(duì)話框可以設(shè)置機(jī)床坐標(biāo)系、部件幾何體、毛坯幾何體以及切削區(qū)域。

單機(jī)工具欄中插入按鈕，選擇菜單中刀具選項(xiàng)，彈出創(chuàng)建刀具對(duì)話框，在刀具子類型中選擇Mill圖標(biāo)，點(diǎn)擊應(yīng)用。彈出銑刀-5參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。其中，主要的設(shè)置參數(shù)為直徑18，下半徑為0，長(zhǎng)度30，刀刃長(zhǎng)度15。在刀柄一欄中，對(duì)刀柄進(jìn)行如下設(shè)置：直徑50，長(zhǎng)度60，拔模角0，角半徑為20。

接下來(lái)創(chuàng)建工序，類型選擇，F(xiàn)IXED_CONTOUR 即固定軸面輪廓銑，通過(guò)刀具刀軸可以任意選用所創(chuàng)建的刀具及設(shè)置要加工的軸向。在刀軌設(shè)置中可以設(shè)置加工參數(shù)。設(shè)置好之后單擊生成按鈕，便可獲取走刀軌跡。如圖3所示為缸體上表面粗加工刀軌。

3 Unity3D在虛擬仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用

Unity 3D軟件是由Unity Technologies開(kāi)發(fā)的用來(lái)制作如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫(huà)等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型游戲開(kāi)發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎，同時(shí)也是一個(gè)場(chǎng)景編輯器，也可以用它創(chuàng)造3D場(chǎng)景，并能使用腳本語(yǔ)言。Unity3D是一款類似于Vortools的開(kāi)發(fā)環(huán)境軟件，其編譯器運(yùn)行在Windows和Mac OSX下，可發(fā)布游戲至Windows、Mac，Wii或iPhone平臺(tái)，也可以利用Unity web player插件發(fā)布網(wǎng)頁(yè)游戲，支持Mac和Windows的網(wǎng)頁(yè)瀏覽[3]。

發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件仿真加工系統(tǒng)需要借助Unity3D的游戲引擎開(kāi)發(fā)，通過(guò)Marker識(shí)別、利用Unity3D強(qiáng)大的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)結(jié)合以及虛擬仿真加工實(shí)驗(yàn)的交互。虛擬加工的環(huán)境可以先利用紋理、貼圖、反射、高光和凹凸來(lái)進(jìn)行材質(zhì)屬性的設(shè)置，然后在場(chǎng)景中添加燈光效果及背景。再將一些機(jī)床、刀具及UG制作出的發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件以動(dòng)畫(huà)的形式導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中作為貼圖，這樣的場(chǎng)景可以達(dá)到虛擬加工環(huán)境的效果。再編寫(xiě)相應(yīng)的程序來(lái)完成發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件加工過(guò)程的效果。

在使用者與虛擬仿真系統(tǒng)交互時(shí)，通過(guò)菜單來(lái)選擇不同的機(jī)床、刀具。所以實(shí)驗(yàn)?zāi)K包括機(jī)床、刀具選擇菜單。本系統(tǒng)的機(jī)床、刀具菜單可以用Unity3D中的GUI對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)入不同種類的機(jī)床、刀具圖片作為貼圖。使用者在進(jìn)入系統(tǒng)后選擇發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件加工模塊，系統(tǒng)自動(dòng)加載資源中的場(chǎng)景模型。使用者通過(guò)鼠標(biāo)即可完成交互。

4 虛擬仿真系統(tǒng)的構(gòu)建

設(shè)計(jì)的虛擬仿真系統(tǒng)需要依靠性能好的軟硬件設(shè)備來(lái)實(shí)施，即可用于互聯(lián)網(wǎng)，又能適用于局域網(wǎng)，在客戶端方面：操作系統(tǒng)可用于WindowsXp/win7/win8/win10. 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：TCP/IP 瀏覽器：Internet Explorer8.0版本。數(shù)據(jù)庫(kù)：Microsoft SQL2005以上版本均可用。服務(wù)器方面操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及數(shù)據(jù)庫(kù)與客戶端相同，WEB服務(wù)器則選用tomcat6.0以上均可。硬件環(huán)境中，服務(wù)器和客戶機(jī)最低要求配置內(nèi)存均在1G以上。

通常情況下，B/S結(jié)構(gòu)形式包括以下三個(gè)部分，他們分別是數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)層、服務(wù)器應(yīng)用層和用戶瀏覽器表示[4]。采用這種三層式的B/S結(jié)構(gòu)，將會(huì)使得系統(tǒng)的每一個(gè)功能單元獨(dú)立完整運(yùn)行[5]。三層B/S結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。[4]

在開(kāi)發(fā)客戶端時(shí)文章采用HTML、JavaScript進(jìn)行開(kāi)發(fā)。HTML用來(lái)制作網(wǎng)頁(yè)標(biāo)記語(yǔ)言，描述網(wǎng)頁(yè)的格式設(shè)計(jì)以及在互聯(lián)網(wǎng)上與其他網(wǎng)頁(yè)的連接信息。通過(guò)瀏覽器執(zhí)行即可，然而HTML并不具備互動(dòng)性，若想讓學(xué)生對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件工藝更好的學(xué)習(xí)和互動(dòng)，還需JavaScript技術(shù)的支持，將JavaScript腳本嵌入在HTML的源碼中，用來(lái)給HTML網(wǎng)頁(yè)增加動(dòng)態(tài)功能。達(dá)到讓學(xué)生與其交互的效果。Web數(shù)據(jù)傳遞可以采用XML。HTML的文件利用XML進(jìn)行提取，利用XML可以對(duì)HTML網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行技術(shù)支持與完善。

通過(guò)Microsoft SQL2005創(chuàng)建命名為“QCFDJSXXT”數(shù)據(jù)庫(kù)，在“QCFDJSXXT”數(shù)據(jù)庫(kù)下建立以下表：管理員信息表、教師用戶表、學(xué)生用戶表、管理員可以通過(guò)后臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行增加和刪減。服務(wù)器端可以使用JSP進(jìn)行開(kāi)發(fā)。目前JSP支持的腳本只有Java，根據(jù)前文的介紹對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)的連接需要使用JDBC來(lái)實(shí)現(xiàn)，而利用JSP使用JDBC便可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)，通過(guò)JDBC和JSP便可以實(shí)現(xiàn)SQL語(yǔ)句的執(zhí)行。用戶通過(guò)瀏覽器發(fā)出指令時(shí)，服務(wù)器會(huì)分析相應(yīng)的Java語(yǔ)言程序。然后經(jīng)過(guò)處理的信息以HTML的格式傳送到客戶端的WEB上，而JSP技術(shù)包含了Java程序段和HTML形式的文件。在虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中通過(guò)JSP以及Java技術(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，相比較其他開(kāi)發(fā)語(yǔ)言更具備優(yōu)勢(shì)。

服務(wù)器開(kāi)發(fā)完成后，利用Unity3D的引擎，開(kāi)發(fā)一個(gè)接口，讓典型零件加工工藝模塊與Unity3D制作出來(lái)的三維模擬加工仿真場(chǎng)景框架進(jìn)行對(duì)接，當(dāng)使用者進(jìn)入該模塊時(shí)，會(huì)獲取相對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景模型文件路徑，并將其傳達(dá)給Unity3D三維模擬加工仿真場(chǎng)景框架。這樣模擬加工仿真場(chǎng)景框架會(huì)加載模型文件，并與使用者完成交互。通過(guò)上述結(jié)構(gòu)，學(xué)生若要完成學(xué)習(xí)與交互，絕大部分內(nèi)容在服務(wù)器上完成，通過(guò)瀏覽器，學(xué)生可以隨時(shí)完成學(xué)習(xí)與操作，并不需要安裝相應(yīng)程序。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章介紹了關(guān)于虛擬仿真加工系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件加工實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用。在與傳統(tǒng)的授課中，利用虛擬仿真系統(tǒng)教學(xué)能起到形象直觀得教學(xué)效果，學(xué)生潛在的工程能力也會(huì)得到挖掘、對(duì)零部件的工藝、加工原理等更容易掌握。豐富教師的教學(xué)手段也不再受設(shè)備的限制，既降低實(shí)訓(xùn)的成本又開(kāi)闊學(xué)生的視野。

參考文獻(xiàn)

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