虛擬仿真系統在發動機典型零件加工中的應用

摘 要：隨著計算機技術的不斷發展，虛擬仿真技術在各專業領域得到了廣泛的應用。在現如今傳統的教學模式中，教師難以憑借語言、文字和二維平面圖來表述清楚某些零部件的結構與加工過程。針對這些教學難點，可以利用虛擬仿真軟件來進行大量的虛擬仿真實驗，以三維動畫的形式生動展示零部件結構與加工過程，增強教學的直觀性和生動性。文章將介紹如何利用Solidworks、UG、Unity3D等軟件以及Java語言、Jsp相關技術開發虛擬仿真軟件的開發以及在汽車發動機典型零件加工工藝中的應用。

關鍵詞：虛擬仿真系統；發動機典型零件；加工工藝

1 概述

隨著計算機技術的飛速發展，信息技術在教學中已經成為不可缺少的元素，多媒體、網絡技術被廣泛的應用在教育教學中[1]。與傳統的教學模式對比中，虛擬仿真系統能夠增強教學的直觀性與生動性，不但使學生更容易掌握其中的原理與方法。還能吸引學生的興趣，帶動學生的積極性和互動性。虛擬仿真（Virtual Reality）就是利用計算機及相關軟件模擬出一個虛擬的三維世界，給使用者提供一個真實實驗的模擬環境。

學生進入虛擬仿真系統后可以先通過相關視頻及學習資料來了解發動機典型零件加工工藝。再利用不同種類的機床和刀具對發動機典型零件各個工序進行虛擬加工。通過該過程演示和虛擬操作，增強學生對典型零件加工工藝的認識，了解和掌握不同機床和刀具的加工對象，并能夠對簡單零件進行基本工藝的制定。

文章采用SolidWorks制圖軟件對發動機典型零件進行三維建模，利用UG進行數控仿真加工，實現零件加工工藝過程的三維情景化仿真模擬。并與Unity3D軟件進行交互，并依靠Unity3D軟件來制作加工工藝過程環境，以及網頁動態效果。系統是基于B/S結構進行系統開發，并采用JavaScrip腳本語言進行部分設計，以及選用SQL Server數據庫等技術來構建虛擬仿真系統。系統模塊主要分為：發動機基礎理論模塊、發動機拆裝過程模塊、典型零件加工工藝模塊、學校效果測驗模塊等。管理員在B/S系統結構下，對每位學生設置可以使用的用戶名賬號密碼，學生在進入虛擬實訓系統學習的時候只要輸入自己的賬戶信息便可以登錄到系統中，學生通過系統便可以進行學習與互動。如圖1所示為本系統總體框架圖。

2 發動機典型零件的建模與加工工藝

構建虛擬仿真系統首先要進行三維建模，三維建模是虛擬仿真最基本的交互操作對象。由于上述采用的軟件Unity3D雖然技術功能強大而又簡單操作，但也有不足之處就是它們并不具備三維建模功能，不能單獨使用來構建虛擬仿真系統，必須配合一款三維建模軟件來共同完成系統的構建。本系統采用SolidWorks三維軟件來繪制發動機典型零件的建模。

SolidWorks三維建模軟件為達索系統下的子公司，專門負責研發的機械設計軟件。該軟件不但滿足發動機典型零部件建模尺寸的準確性和外觀逼真性，而且與Unity3D等軟件有很好的交互性。可用于讀取或轉換現有發動機零部件三維模型，是制作各種動畫和交互對象的基礎。

以奧迪V6發動機的典型零件缸體為例，缸體作為汽車發動機五大核心部件之一，其制造工藝一直是發動機生產中的重點和難點[2]。各個安裝零部件和附件安裝時位置是否正確，則需要由缸體來保證。缸體的加工質量好壞，將直接影響發動機的工作性能。如圖2所示為用Solidworks建模后的奧迪v6發動機的缸體。

發動機缸體的加工工藝將采用先面后孔、粗精分開原則。先加工平面，再利用此面定位來加工其他表面。由于缸體的剛性較差，所以應考慮在加工缸體各表面時將粗、精加工分開進行。如表1所示為缸體主要加工工序。

文章采用UG數控加工編程模塊來對零件進行編程。在Solidworks與UG間圖紙轉化時，需要將Solidworks圖紙以另存為的形式保存，文件類型為.step。否則UG無法進行讀取。

對缸體的表面進行加工仿真。單擊工具欄中的插入按鈕，點擊菜單中的創建幾何體選項，彈出“創建幾何體對話框”，在類型中選擇mill_contour，通過創建幾何體的對話框可以設置機床坐標系、部件幾何體、毛坯幾何體以及切削區域。

單機工具欄中插入按鈕，選擇菜單中刀具選項，彈出創建刀具對話框，在刀具子類型中選擇Mill圖標，點擊應用。彈出銑刀-5參數設置對話框。其中，主要的設置參數為直徑18，下半徑為0，長度30，刀刃長度15。在刀柄一欄中，對刀柄進行如下設置：直徑50，長度60，拔模角0，角半徑為20。

接下來創建工序，類型選擇，FIXED_CONTOUR 即固定軸面輪廓銑，通過刀具刀軸可以任意選用所創建的刀具及設置要加工的軸向。在刀軌設置中可以設置加工參數。設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在虛擬仿真系統中的應用

Unity 3D軟件是由Unity Technologies開發的用來制作如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內容的多平臺的綜合型游戲開發工具，是一個全面整合的專業游戲引擎，同時也是一個場景編輯器，也可以用它創造3D場景，并能使用腳本語言。Unity3D是一款類似于Vortools的開發環境軟件，其編譯器運行在Windows和Mac OSX下，可發布游戲至Windows、Mac，Wii或iPhone平臺，也可以利用Unity web player插件發布網頁游戲，支持Mac和Windows的網頁瀏覽[3]。

發動機典型零件仿真加工系統需要借助Unity3D的游戲引擎開發，通過Marker識別、利用Unity3D強大的功能來實現虛擬環境與現實結合以及虛擬仿真加工實驗的交互。虛擬加工的環境可以先利用紋理、貼圖、反射、高光和凹凸來進行材質屬性的設置，然后在場景中添加燈光效果及背景。再將一些機床、刀具及UG制作出的發動機典型零件以動畫的形式導入Unity3D中作為貼圖，這樣的場景可以達到虛擬加工環境的效果。再編寫相應的程序來完成發動機典型零件加工過程的效果。

在使用者與虛擬仿真系統交互時，通過菜單來選擇不同的機床、刀具。所以實驗模塊包括機床、刀具選擇菜單。本系統的機床、刀具菜單可以用Unity3D中的GUI對象來實現，導入不同種類的機床、刀具圖片作為貼圖。使用者在進入系統后選擇發動機典型零件加工模塊，系統自動加載資源中的場景模型。使用者通過鼠標即可完成交互。

4 虛擬仿真系統的構建

設計的虛擬仿真系統需要依靠性能好的軟硬件設備來實施，即可用于互聯網，又能適用于局域網，在客戶端方面：操作系統可用于WindowsXp/win7/win8/win10. 網絡協議：TCP/IP 瀏覽器：Internet Explorer8.0版本。數據庫：Microsoft SQL2005以上版本均可用。服務器方面操作系統、網絡協議以及數據庫與客戶端相同，WEB服務器則選用tomcat6.0以上均可。硬件環境中，服務器和客戶機最低要求配置內存均在1G以上。

通常情況下，B/S結構形式包括以下三個部分，他們分別是數據庫結構層、服務器應用層和用戶瀏覽器表示[4]。采用這種三層式的B/S結構，將會使得系統的每一個功能單元獨立完整運行[5]。三層B/S結構組成如圖4所示。[4]

在開發客戶端時文章采用HTML、JavaScript進行開發。HTML用來制作網頁標記語言，描述網頁的格式設計以及在互聯網上與其他網頁的連接信息。通過瀏覽器執行即可，然而HTML并不具備互動性，若想讓學生對于發動機典型零件工藝更好的學習和互動，還需JavaScript技術的支持，將JavaScript腳本嵌入在HTML的源碼中，用來給HTML網頁增加動態功能。達到讓學生與其交互的效果。Web數據傳遞可以采用XML。HTML的文件利用XML進行提取，利用XML可以對HTML網頁進行技術支持與完善。

通過Microsoft SQL2005創建命名為“QCFDJSXXT”數據庫，在“QCFDJSXXT”數據庫下建立以下表：管理員信息表、教師用戶表、學生用戶表、管理員可以通過后臺對數據庫進行增加和刪減。服務器端可以使用JSP進行開發。目前JSP支持的腳本只有Java，根據前文的介紹對于數據庫的連接需要使用JDBC來實現，而利用JSP使用JDBC便可實現對數據庫的訪問，通過JDBC和JSP便可以實現SQL語句的執行。用戶通過瀏覽器發出指令時，服務器會分析相應的Java語言程序。然后經過處理的信息以HTML的格式傳送到客戶端的WEB上，而JSP技術包含了Java程序段和HTML形式的文件。在虛擬實訓系統開發中通過JSP以及Java技術來進行設計，相比較其他開發語言更具備優勢。

服務器開發完成后，利用Unity3D的引擎，開發一個接口，讓典型零件加工工藝模塊與Unity3D制作出來的三維模擬加工仿真場景框架進行對接，當使用者進入該模塊時，會獲取相對應的場景模型文件路徑，并將其傳達給Unity3D三維模擬加工仿真場景框架。這樣模擬加工仿真場景框架會加載模型文件，并與使用者完成交互。通過上述結構，學生若要完成學習與交互，絕大部分內容在服務器上完成，通過瀏覽器，學生可以隨時完成學習與操作，并不需要安裝相應程序。

5 結束語

文章介紹了關于虛擬仿真加工系統的開發與在汽車發動機典型零件加工實訓中的應用。在與傳統的授課中，利用虛擬仿真系統教學能起到形象直觀得教學效果，學生潛在的工程能力也會得到挖掘、對零部件的工藝、加工原理等更容易掌握。豐富教師的教學手段也不再受設備的限制，既降低實訓的成本又開闊學生的視野。

參考文獻

[1]周云成.汽車發動機構造虛擬仿真實訓系統開發研究[D].吉林：交通學院，2012.

[2]房長興，羅和平，高志永，等.發動機缸體加工工藝研究[J].機械設計與制造，2013（3）：262-264.

[3]朱柱.基于Unity3D的虛擬實驗系統設計與應用研究[D].華中師范大學，2014.

[4]李敏.基于BS模式的網絡閱卷系統的設計與實現[D].吉林：吉林大學，2014.

[5]D.McDuff，R.E1 Kaliouby，and R.Picard，“Crowdsourced Dete Collection of Facial Responses，”Rroc.13th Int'1 Conf.Multimodal Interaction，2011.