普通车床仿真实训系统的开发与应用
2017-7-13 来源：河北机电职业技术学院 机械工程系 作者：李彩风 李海涛 孙振杰 张晓芳 孙志平
[摘 要] 传统的普通车床实训受实训成本、实训时间和实训场地的限制，使实训效果大受影响，安全也难以保证。实践证明，在实训环节初期，学生利用 Creo 软件和 Unity3D 软件功能开发的普通车床仿真实训系统进行实训，可大大缩短学生掌握机床操作技能的时间，提高实训效果。
[关键词] 高职教育；车床；仿真实训系统；职业技能
引 言
实训是高职学生形成职业技能和职业素养的重要环节，但在整个实训过程中均采用实物实训，受实训成本、实训时间、实训场地的限制，加之安全保障问题，使学生的实践动手能力不能得到足够的锻炼，大大影响了实训效果[1]。近年来，教育部颁布了一系列的相关文件，大力提倡实训环节采用虚拟仿真技术，以解决高职院校普遍存在的实习实训难等问题，推进绿色实训与教育公平。采用仿真实训系统进行实训，可有效解决实训中存在的各种困难，弥补实物实训的不足，提高实训效果，同时还可改变传统的职业教育模式[ 2 ] 。目前，对汽车、数控机床等方面的实训系统研究较为关注，对普通车床的研究较少，不能满足其仿真实训的要求。在实训环节初期，学生利用普通车床仿真实训系统进行实训内容的模拟训练，可掌握机床的基本结构组成、操作方法和操作流程，然后再在实物机床上进行操作训练，可大大提高实训效果，使学生能在较短的时间内熟练掌握机床操作技能，减少操作失误。本文主要探讨普通车床仿真实训系统的开发与应用。
1、 系统总体方案
根据实训内容和知识难点，仿真实训系统采用三维模型展现普通车床，学生利用仿真系统中的功能按钮和互动操作，了解各部分的结构和工作原理，如各部件之间的连接关系、传动系统的传动路线及主轴箱变速原理等，还可进行操作，如变速操作、溜板箱的运动和部件拆装等。利用实训系统反复多次进行训练，熟练后再实物操作，可大大提高学生实践操作的效果[3]。系统总体方案为：利用 Creo 软件创建车床的三维模型，利用 Unity3D 软件进行车床模型的链接和系统的开发。
2 、系统的开发实现
2.1 基于 Creo 软件的普通车床几何模型的建立利用 Creo 软件创建车床的三维模型。Creo 软件是美国 PTC 公司在 2010 年推出的计算机辅助设计软件包，是当今主流的 CAD/CAM/CAE 软件之一[4]。利用 Creo 软件的参数化建模，能轻松捕获设计意图，设计者可随时对模型进行修改；利用族表命令，定义和创建同一系列的零件，进行零部件库的建立，使用方便。
2.1.1 零件几何模型的创建。由于实训系统的几何模型是对现有的车床进行测绘后建立的，所有零件的形状和尺寸都已知，所以采用自底向上的方法创建几何模型。首先对各主要零件的相关尺寸进行测绘，然后利用 Creo 软件的零件建模模块，完成主要零件的三维造型。为了增强实训的外观效果，零件造型创建完成后，需要进行渲染，包括材质的选取、颜色的设置和灯光的使用等。溜板箱箱体的造型和车床床身的三维造型如图 1 ～图 2 所示。
2.1.2 虚拟装配与运动仿真。根据车床各零部件之间的装配顺序和位置关系，在 Creo 软件的装配模块中完成零部件装配和整体装配，分析各零部件之间有无干涉现象，进行参数的修改和优化。在车床机构模块中
图 1 溜板箱箱体的造型
图 2 车床床身的三维造型
进行运动仿真，观察各机构的运动状态是否满足要求。
（1 ）虚拟装配。Creo 软件提供两种装配方式：一是利用装配约束进行装配；二是利用连接关系进行装配，主要根据各零部件在工作过程中有无相对运动进行选择。对于无相对运动的零部件，通过装配约束添加到装配体中。常用的装配约束有重合、距离、平行、法向、角度偏移、相切等，根据零部件的正确位置来选择。装配完成后零部件完全约束，固定不动，约束设置值作为参数可随时修改，并可与其他参数建立关系方程，即整个装配体实际上是一个参数化的装配体[ 5 ] 。对于有相对运动的零部件，需要通过连接关系来装配，定义的零部件具有一定的自由度，可进行旋转或移动。常用的连接关系有销、滑块、圆柱、平面、球等，使用时根据零部件的运动方式正确选择。
车床主轴变速机构装配效果和机床总装配效果如图 3～图 4 所示。
（2 ）运动仿真。运动仿真主要包括主轴传动系统、进给传动系统、刀架和溜板箱及尾座的运动仿真等。通过运动仿真可直观地观察各零部件之间的运动状态和相互运动关系，便于理解和掌握实训内容。运动仿真是在 Creo 软件中的“应用程序”→“机构模块”中完成的。创建机构运动仿真的一般步骤为：
图 3 车床主轴变速机构装配效果
图 4 机床总装配效果
一是在装配环境装配完成后，单击菜单栏菜单“应用程序”→“机构”按钮，系统便进入机构模块，可定义齿轮、凸轮等副机构的连接；二是定义伺服电动机；三是进行运动分析；四是进行机构回放；五是分析测量。
2.2 系统的实现
对各种虚拟现实软件进行比较，最终选择 Unity3D软件进行开发。Unity3D 软件可创建三维游戏、虚拟漫游及虚拟展示等多种内容，学生能轻易上手；同时将所开发软件发布到Windows,iPhone,Android 等系统，学生可在计算机和手机上完成实训系统的学习，使用方便。利用 Unity3D 软件的各种函数功能，在仿真实训系统中制作界面、转换几何模型格式和编写动作代码，可实现仿真实训系统的功能。
2.2.1 制作界面。为了更好地实现人机交互功能，在实训系统界面布置一定的功能按钮，如“主传动系统”“进给传动系统”“部件拆装”等。学生通过点击按钮即可进入相应内容进行学习和操作练习，使用方便。Unity3D 软件通过重载 On GUI 函数，将各个功能按钮布置在屏幕相应的位置上[6]。
2.2.2 转换几何模型格式。Unity3D 软件所能识别的模型为 FBX 格式，与 Creo 软件所建立的几何模型无法直接实现共享。在制作过程中，需要对几何模型进行格式转换，即采用 3DMAX 软件将几何模型导出成为 FBX格式，然后再调入到 Unity3D 软件中。
2.2.3 编写动作代码。根据车床各零部件的运动状态与规律，选择合适的运动参数编写动作普通车床零部件主要运动方式有移动、旋转和缩放。车床主轴传动系统运动控制部分代码如下：
3 、应用实例
普通车床仿真实训系统可直接在 Windows 系统或A n d r o i d 系统中安装使用，通过鼠标操作即可。如普通车床主轴拆装实训目的是，让学生掌握普通车床主
5 车床仿真实训系统主界面
轴部件的结构组成和拆装工艺。在实训初期，学生利用仿真实训系统进行模拟拆装，打开仿真实训系统，鼠标点击界面上的“主轴拆装”按钮，即可进入拆装界面进行主轴的拆装仿真实训界面；点击“开始拆卸”按钮，系统会以动画的形式模拟拆卸过程，各个零部件以拆卸工艺顺序，一个个地与主轴零件分开，放到指定位置上。学生通过模拟训练，掌握机床主轴部件的组成及各个零部件的相互位置关系，掌握主轴拆装的顺序，达到实训目的，使用方便。
6 车床仿真实训系统主运动链界面
4、结束语
在实训环节初期，学生利用仿真实训系统进行训练，之后再进行实物操作，能较快地掌握实训内容，缩短实训时间，安全性较高，节约成本，提高学生动手能力，为以后走上工作岗位打下坚实的基础。此外，仿真实训系统的开发可让学生共同参与，进一步加深学生对知识的掌握和理解，有利于创新能力和动手能力的培养 。
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