基于MATLAB和VRML的減速機(jī)虛擬裝配設(shè)計(jì)

江北大 劉治宏 蔡曉紅

機(jī)械裝配技術(shù)是士官職業(yè)技術(shù)教育機(jī)電類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課，通過本課程的學(xué)習(xí)，為學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課和從事軍械維修工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。減速機(jī)的結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)和裝配訓(xùn)練是該課程的重點(diǎn)內(nèi)容之一。學(xué)生普遍反饋減速機(jī)零部件眾多，直接上手拆裝難度較大。運(yùn)用Matlab中的Simulink 3D Animation虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱，結(jié)合VRML技術(shù)，制作出可交互減速機(jī)的虛擬裝配場(chǎng)景，不僅能夠?qū)p速機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理、運(yùn)動(dòng)方式講解得更清楚，還能夠極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生的訓(xùn)練積極性。

1 Matlab虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱簡(jiǎn)介

Matlab是MathWorks公司出品的一款商業(yè)軟件，主要用于數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算等用途，具有功能強(qiáng)大、容易調(diào)試、交互性好等特點(diǎn)。在機(jī)電類課程教學(xué)中，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真和虛擬裝配對(duì)于幫助學(xué)生理解機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理和運(yùn)動(dòng)特性至關(guān)重要。在Matlab中實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的方法主要有三種，第一種是基于模型解算，首先列出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程，然后通過編程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算得到機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、加速度等參數(shù)，缺點(diǎn)是結(jié)果大多通過大量的數(shù)據(jù)來顯示，不夠直觀。第二種是通過SimMechanics工具對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，優(yōu)點(diǎn)是編程工作量少，缺點(diǎn)是仿真結(jié)果難以通過三維模型形象地展示。最后一種則是運(yùn)用Matlab提供的Simulink 3D Animation虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱結(jié)合VRML語(yǔ)言編寫的三維模型來實(shí)現(xiàn)。VRML全稱為虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言，已經(jīng)通過ISO組織認(rèn)證為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，被各大主流建模軟件支持。Matlab從6.1版本增加了Simulink 3D Animation虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱，提供了實(shí)現(xiàn)VRML格式三維模型對(duì)象交互的途徑。第三種方法結(jié)合了前面兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，不僅實(shí)現(xiàn)難度低而且仿真結(jié)果更加形象逼真。

2減速機(jī)虛擬裝配設(shè)計(jì)

2.1 總體思路

減速機(jī)是一種由齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)所組成的傳動(dòng)裝置，在原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間起匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用，應(yīng)用非常廣泛。

減速機(jī)的虛擬裝配設(shè)計(jì)涉及各零部件的平移和旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)形式。比如，通過向下平移箱蓋實(shí)現(xiàn)將其安裝到箱座上，螺釘?shù)难b配則要求螺釘做旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)。在VRML語(yǔ)言中，驅(qū)動(dòng)減速機(jī)各零部件的運(yùn)動(dòng)，主要用到ROUTE節(jié)點(diǎn)和TimeSensor、OrientationInterpolator、translationInterpolator等傳感器節(jié)點(diǎn)，在Matlab虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱中，則是通過改變各零部件Transform節(jié)點(diǎn)的translation域和rotation域的域值來更加簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)。

減速機(jī)虛擬裝配設(shè)計(jì)的基本思路是首先需要建立減速機(jī)的三維模型并轉(zhuǎn)換為wrl格式，然后進(jìn)入Simulink中的VRSink模塊，根據(jù)減速機(jī)拆裝時(shí)各零部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，編寫控制框圖。

2.2 減速機(jī)零部件建模

VRML語(yǔ)言支持使用基本幾何節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建簡(jiǎn)單的三維模型，比如使用Box節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)方體，但對(duì)于復(fù)雜的模型，使用專業(yè)的三維建模軟件UGNX建立零部件的模型再導(dǎo)出為wrl格式更為簡(jiǎn)便。方法如下：

1）使用UGNX軟件建立減速機(jī)各零部件模型并裝配；

2）將裝配體導(dǎo)出為wrl格式，選擇輸出類型為VRML 2.0（動(dòng)畫）；

3）使用Matlab軟件中的3D World Editor應(yīng)用程序打開減速機(jī)wrl文件，將UGNX自動(dòng)生成的數(shù)字形式的各零部件Transform名稱改為便于識(shí)別的英文名稱，以便在Simulink中區(qū)分。

2.3 減速機(jī)虛擬裝配的實(shí)現(xiàn)

在Simulink中新建一個(gè)空白Model，將VR Sink模塊添加到Model中，然后將Source file設(shè)置為減速機(jī)的wrl文件，并在Virtual World Tree中勾選減速機(jī)虛擬裝配中做平移運(yùn)動(dòng)的各零部件（箱蓋、軸、螺紋緊固件等）Transform節(jié)點(diǎn)的translation域，以及做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的各零部件（螺紋緊固件等）Transform節(jié)點(diǎn)的rotation域。

以端蓋螺釘?shù)奶摂M裝配為例。首先添加一個(gè)VR Signal Expander模塊作為螺釘Transform節(jié)點(diǎn)的translation域的域值，Output width設(shè)置為3表示translation域的三個(gè)坐標(biāo)軸變量，Output signal indices設(shè)置為[2]表示translation域的第二個(gè)坐標(biāo)軸變量，然后添加一個(gè)Repeating table模塊作為VR Signal Expander的輸入值，根據(jù)端蓋螺釘裝配時(shí)間，Time values參數(shù)設(shè)置為[0 10 11]，Output values參數(shù)設(shè)置為[ 0 400 400]表示螺釘從初始位置沿旋入方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)到螺紋孔然后停止。螺釘旋轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)相對(duì)于平移較為復(fù)雜，方法是通過Constant、Repeating table和Mux等模塊設(shè)置螺釘?shù)墓潭ㄐD(zhuǎn)坐標(biāo)軸和遞增的角位移。螺釘?shù)奶摂M裝配仿真模型如圖1所示。

3結(jié)論

VRML格式作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，被主流三維建模軟件支持，非常適合作為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真和虛擬拆裝的素材。運(yùn)用Simulink 3D Animation虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱和VRML技術(shù)實(shí)現(xiàn)常用減速機(jī)的虛擬拆裝，使機(jī)械裝配技術(shù)課程能夠更加形象直觀、充滿趣味，從而顯著提升教學(xué)效果。

（作者單位：陸軍工程大學(xué)軍械士官學(xué)?；A(chǔ)部機(jī)械基礎(chǔ)教研室）