虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)床夾具課程中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

機(jī)床夾具結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，內(nèi)容抽象，在機(jī)床夾具設(shè)計(jì)課程中采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式令學(xué)生難以理解和掌握。針對(duì)存在的現(xiàn)狀，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到課程教學(xué)中，依據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)，以虛擬現(xiàn)實(shí)軟件EON Studio為開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)了機(jī)床典型夾具虛擬拆裝系統(tǒng)。系統(tǒng)采用Pro/E軟件創(chuàng)建了夾具零部件三維實(shí)體模型，運(yùn)用EON Studio提供的功能節(jié)點(diǎn)和元件，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互、零部件拾取和拖放，碰撞檢測(cè)，網(wǎng)上發(fā)布等關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)踐證明，在機(jī)床夾具設(shè)計(jì)課程教學(xué)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠提高教學(xué)效果，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 機(jī)床夾具 EON Studio 虛擬拆裝

《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)》課程是高等職業(yè)院校機(jī)械類專業(yè)的一門重要專業(yè)課，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性、應(yīng)用性，名詞術(shù)語多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)；學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中容易產(chǎn)生枯燥乏味、思路不清難以理解的感覺。目前該課程教學(xué)一般是課堂講解并結(jié)合實(shí)物展示、掛圖、多媒體軟件等輔助手段進(jìn)行，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，很難對(duì)課程產(chǎn)生興趣。如果在課程中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為學(xué)生提供逼真、直觀可重復(fù)拆裝的夾具訓(xùn)練虛擬系統(tǒng)，學(xué)生通過在虛擬環(huán)境中親手拆裝夾具，有助于學(xué)生掌握機(jī)床夾具設(shè)計(jì)的內(nèi)容和方法，提高教學(xué)效果。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，集成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)和并行處理技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)，具有視覺、聽覺、觸覺等一體化的虛擬環(huán)境，給用戶提供了一種身臨其境的體驗(yàn)，并且用戶可以通過多種傳感設(shè)備與虛擬世界中的物質(zhì)進(jìn)行交互。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事訓(xùn)練、醫(yī)學(xué)、娛樂、建筑、教育培訓(xùn)等眾多領(lǐng)域，在教育領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有更廣泛的作用和影響。EON Studio是美國(guó)EON Reality公司開發(fā)的專業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，具有使用簡(jiǎn)單，節(jié)點(diǎn)功能豐富，對(duì)常用三維建模軟件支持較好，交互功能和圖形處理功能強(qiáng)大，模擬程序文件小，程序發(fā)布方便等優(yōu)點(diǎn)。本文應(yīng)用EON軟件制作了典型機(jī)床夾具虛擬拆裝系統(tǒng)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到機(jī)床夾具設(shè)計(jì)教學(xué)中進(jìn)行了有效嘗試。

1 系統(tǒng)具有的功能和實(shí)現(xiàn)的教學(xué)目標(biāo)

1.1 系統(tǒng)具有的功能

典型機(jī)床夾具一般包括：銑夾具、車夾具、鏜夾具和鉆夾具等類型，夾具又由夾具體、定位裝置和夾緊裝置、對(duì)刀裝置等組成。系統(tǒng)針對(duì)典型機(jī)床夾具設(shè)計(jì)了菜單項(xiàng)和彈出菜單，菜單項(xiàng)列出了四種典型機(jī)床夾具，每種夾具選用一個(gè)生產(chǎn)實(shí)際中比較典型的實(shí)例，彈出菜單列出虛擬拆卸、裝配和結(jié)構(gòu)圖等功能，結(jié)構(gòu)圖包括了夾具的二維圖片和夾具三維分解圖片。當(dāng)運(yùn)行中需要停止或退出時(shí)單擊相應(yīng)按鈕，按住滾輪并拖動(dòng)可以從不同視角觀察實(shí)物。另外，系統(tǒng)還配有文字提示，當(dāng)鼠標(biāo)經(jīng)過定位裝置和夾緊裝置時(shí)，變成了小手形狀，按下鼠標(biāo)左鍵即可看到提示文字，使學(xué)生能很快地熟悉夾具定位、夾緊作用和注意事項(xiàng)等。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能框架圖如圖1所示，EON界面如圖2所示。例如當(dāng)單擊銑夾具時(shí)彈出相應(yīng)下拉菜單，圖形區(qū)域出現(xiàn)銑圓柱槽夾具（數(shù)字1，2，3……為快捷鍵），單擊相應(yīng)按鈕在圖形區(qū)可進(jìn)行銑夾具的拆卸和裝配等操作。

1.2 實(shí)現(xiàn)的教學(xué)目標(biāo)

虛擬拆裝系統(tǒng)用于學(xué)生的課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，課前預(yù)習(xí)即“預(yù)實(shí)踐”，能使學(xué)生把握新課的內(nèi)容，了解重點(diǎn)，增強(qiáng)聽課的針對(duì)性；課后復(fù)習(xí)，學(xué)生可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)反復(fù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，使學(xué)生對(duì)所學(xué)夾具知識(shí)加深理解，系統(tǒng)掌握，全面提高；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的教學(xué)目標(biāo)如下：

（1）工件的裝夾與找正；

（2）機(jī)床夾具的組成；

（3）定位的基本原理及定位元件使用；

（4）夾緊裝置的組成，夾緊的整個(gè)動(dòng)作過程；

（5）夾具對(duì)刀方法。

2 夾具虛擬拆裝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)以銑槽夾具為例，論述夾具虛擬拆裝系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。夾具的裝配模型如圖3所示，拆卸模型如圖圖4所示。

2.1 模型建立及導(dǎo)入

三維虛擬模型的建立是虛擬系統(tǒng)的基礎(chǔ)。從模型建立到導(dǎo)入EON虛擬環(huán)境中需要三個(gè)步驟：

2.1.1 模型建立

EON平臺(tái)支持大部分的CAD類型模型，為很多的CAD系統(tǒng)都提供了數(shù)據(jù)接口。三維模型建立軟件有多種，其中，Pro/E軟件具有強(qiáng)大的實(shí)體造型、曲面造型和裝配等設(shè)計(jì)功能。本系統(tǒng)采用Pro/E軟件建立零部件和裝配三維模型，并分別導(dǎo)出為*.stl格式文件；

2.1.2 中間處理

將Pro/E建立的幾何模型導(dǎo)入3ds max中進(jìn)行處理，利用3ds max進(jìn)行渲染和著色，增強(qiáng)模型的虛擬環(huán)境中的真實(shí)感，隨后通過EON為3ds max提供的一個(gè)EON Raptor輸出的插件，將模型保存為EOZ格式文件。

2.1.3 導(dǎo)入EON軟件

在EON軟件中，打開上步建立的EOZ文件，模擬樹視圖中自動(dòng)生產(chǎn)一個(gè)默認(rèn)的模型層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。為了便于后續(xù)工作重新構(gòu)建層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)每個(gè)零件重新命名并設(shè)定父子節(jié)點(diǎn)。如圖5所示為模型建立和導(dǎo)入EON的過程圖。

2.2 裝配序列和裝配路徑規(guī)劃

進(jìn)行裝配路徑規(guī)劃的目的是實(shí)現(xiàn)無碰撞、無干涉裝配，從而可以保護(hù)零部件，并且更快速、更有效的進(jìn)行虛擬裝配。裝配序列生成方法一般有兩種，一類是基于裝配推理的裝配序列生成，另一類是基于拆卸的裝配序列生成，也叫拆卸法。拆卸法是將產(chǎn)品拆卸成一個(gè)個(gè)獨(dú)立零件，反過來獨(dú)立的零件被裝配成產(chǎn)品的過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)零部件的裝配。本系統(tǒng)裝拆可逆，采用拆卸法并結(jié)合人為經(jīng)驗(yàn)獲得裝配序列，裝配序列為：夾具體→夾具體側(cè)板（兩個(gè)）→擋板→加工零件→對(duì)刀板。

2.3 人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)

人機(jī)交互是指用戶對(duì)現(xiàn)實(shí)平臺(tái)中的物體執(zhí)行操作并從虛擬環(huán)境中得到相應(yīng)的反饋，它是構(gòu)成虛擬拆裝的關(guān)鍵技術(shù)之一。本系統(tǒng)采用在文本框2D Text節(jié)點(diǎn)下添加彈出菜單POPUPMenu和鍵盤傳感器KeyBoardSensor實(shí)現(xiàn)的。如圖2所示在場(chǎng)景窗口的左上角列出了四個(gè)文本框，分別是“銑夾具”、“車夾具”、“鏜夾具”、“鉆夾具”。每種夾具對(duì)應(yīng)設(shè)定一個(gè)彈出菜單包括5項(xiàng)：拆卸，快速?gòu)?fù)原，裝配，快速拆卸，結(jié)構(gòu)圖，當(dāng)點(diǎn)擊銑夾具時(shí)可以選擇相應(yīng)操作，另外還可以單擊鍵盤上的數(shù)字鍵（1-4）實(shí)現(xiàn)快捷操作。人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)通過對(duì)路由圖標(biāo)的編輯和邏輯連接，從功能節(jié)點(diǎn)的輸出域到對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的輸入域，如圖6所示為事件驅(qū)動(dòng)的路由圖。endprint

2.4 零部件的拾取及拖放

虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)零部件的手動(dòng)拆卸和裝配，需要借助鼠標(biāo)、鍵盤在虛擬環(huán)境中選取一個(gè)或者多個(gè)零部件進(jìn)行拖動(dòng)來移動(dòng)操作。

首先，放置DragManager元件到場(chǎng)景的Camera節(jié)點(diǎn)下，設(shè)置DragManager元件的自由度屬性，可約束零件的移動(dòng)方向；然后在裝配體樹狀結(jié)構(gòu)圖中找到需要拖動(dòng)的零件所在的節(jié)點(diǎn)，在其下放置四個(gè)節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)ClickSensor節(jié)點(diǎn)，一個(gè)DragSelect節(jié)點(diǎn)，一個(gè)Place節(jié)點(diǎn)。其中，一個(gè)ClickSensor節(jié)點(diǎn)觸發(fā)方式設(shè)為“Left”，另一個(gè)ClickSensor1節(jié)點(diǎn)觸發(fā)方式設(shè)為“Right”，最后將DragManager元件關(guān)聯(lián)復(fù)制到DragSelect節(jié)點(diǎn)的黃色擴(kuò)展文件夾DragManager中，將四個(gè)節(jié)點(diǎn)拖到路由窗口中，建立邏輯關(guān)系，如圖7所示為銑刀拖放功能實(shí)現(xiàn)邏輯圖。單擊右鍵拾取拆卸零件，拖動(dòng)零件到合適位置單擊左鍵放置零件。

2.5 碰撞檢測(cè)及響應(yīng)

碰撞檢測(cè)是虛擬裝配技術(shù)的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一。碰撞檢測(cè)的實(shí)質(zhì)就是在虛擬場(chǎng)景中，碰撞檢測(cè)是夾具裝配中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。零部件在裝配過程中產(chǎn)生相互穿透的不真實(shí)現(xiàn)象，這樣會(huì)給裝配提供一些不完整信息，因此為了使夾具在裝配過程更加符合真實(shí)情況，在虛擬裝配過程中添加實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)。在EON Studio中，碰撞檢測(cè)節(jié)點(diǎn)（Collision）有效的解決了這一問題。如在模擬樹的對(duì)刀塊零件中放入CollisionObject節(jié)點(diǎn)，并設(shè)置相應(yīng)屬性，當(dāng)對(duì)刀塊在裝配時(shí)與其他零件發(fā)生碰撞時(shí)，系統(tǒng)做出文字顯示。在Camera下加入CollisionManger節(jié)點(diǎn)對(duì)所有零部件的CollisionObject節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一管理。

2.6 網(wǎng)上發(fā)布

應(yīng)用EON自帶有網(wǎng)頁(yè)發(fā)布精靈，專門用于將EON文件嵌入網(wǎng)頁(yè)文件中并發(fā)布到服務(wù)器上，供其他計(jì)算機(jī)訪問。點(diǎn)擊菜單File→Create Web Distribution進(jìn)入網(wǎng)頁(yè)發(fā)布向?qū)?，向?qū)⒁胗脩暨M(jìn)行一系列自定義設(shè)置，如分辨率、發(fā)布模式等相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。再調(diào)用EON公司開發(fā)的Java Script腳本函數(shù)，便能實(shí)現(xiàn)虛擬夾具拆裝系統(tǒng)的網(wǎng)上發(fā)布，可以通過HTML網(wǎng)頁(yè)對(duì)機(jī)床夾具系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)上交流和學(xué)習(xí)。

3 小結(jié)

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到機(jī)床夾具設(shè)計(jì)課程中，可以使學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行對(duì)夾具進(jìn)行反復(fù)的拆裝訓(xùn)練，從而使學(xué)生對(duì)夾具的整體結(jié)構(gòu)有感性認(rèn)識(shí)，直接看到夾具的定位組件、機(jī)構(gòu)及工件在其上的定位和夾緊的整個(gè)動(dòng)作過程，更加理解夾具結(jié)構(gòu)和組成，工作原理。激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增加教學(xué)的直觀性，改善教學(xué)環(huán)境，提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，降低教學(xué)成本，彌補(bǔ)機(jī)床夾具課程教具模型和生產(chǎn)型夾具實(shí)物不健全的缺陷，使學(xué)生可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)反復(fù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和練習(xí)，改善實(shí)訓(xùn)條件，提高教學(xué)質(zhì)量，都將起到積極作用。

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作者簡(jiǎn)介

史翠蘭，女，碩士學(xué)位。遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院教授。主要研究方向?yàn)镃AD/CAM技術(shù)。

作者單位

遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 遼寧省丹東市 118002endprint