基于Maya的智能制造仿真系統(tǒng)研究

周艷聰 黎屹杰 張 波 胡德計

（天津商業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津300134）

1 概述

社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使得制造業(yè)的成本不斷增加，迫使制造業(yè)從人工和半自動化的生產(chǎn)方式向著智能制造升級，智能制造作為新興領(lǐng)域的出現(xiàn)意味著制造業(yè)需要注入更多新鮮血液，而目前傳統(tǒng)的教學(xué)無法滿足智能制造教學(xué)目的。同時，制造業(yè)是精度要求極高的行業(yè)，任何一絲瑕疵都可能導(dǎo)致整個生產(chǎn)鏈出現(xiàn)問題，每一個假設(shè)的合理性都需要無數(shù)次試驗(yàn)來證實(shí)，仿真模型的出現(xiàn)大大減小了試驗(yàn)的操作難度。智能制造仿真系統(tǒng)運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建智能制造工廠線，最大程度還原智能制造過程。通過產(chǎn)品設(shè)計和加工過程虛實(shí)結(jié)合系統(tǒng)展現(xiàn)產(chǎn)品零部件制造工藝過程、智能制造設(shè)備及制造控制系統(tǒng)[1]。

2 虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真技術(shù)是近幾年非常流行的計算機(jī)技術(shù)，是通過建立一個計算機(jī)系統(tǒng)模仿一個現(xiàn)實(shí)生活中真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)，通過創(chuàng)建與人類感官系統(tǒng)交互的虛擬空間，克服現(xiàn)實(shí)世界的空間和物理約束，提供一種間接的體驗(yàn)[2]。其在計算機(jī)中實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界的再現(xiàn)，進(jìn)而使人們能從不同的視角獲得更高層次的感覺信息。近年來，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)逐漸出現(xiàn)在各個領(lǐng)域并大放異彩，在諸多領(lǐng)域中的使用都獲得了意想不到的收獲。Maya 是現(xiàn)在最為流行的頂級三維動畫軟件，在國內(nèi)外絕大多數(shù)的視覺設(shè)計領(lǐng)域都占有一席之地。本文通過Maya 軟件建立智能制造工廠虛擬仿真模型并進(jìn)行演示型研究設(shè)計。通過模擬仿真系統(tǒng)，可以了解智能制造系統(tǒng)的工作原理和加工流程，既降低了生產(chǎn)成本，又提高了生產(chǎn)效率。

3 智能制造仿真系統(tǒng)建模

3.1 總體模型設(shè)計。項(xiàng)目整體建模過程主要包括建模、裝備、動畫、渲染幾個環(huán)節(jié)。其中最常用三維建模方法有：Polygon 多邊形建模、Nurbs 曲面建模、Subdivision 細(xì)分曲面建模。多邊形建模是目前發(fā)展最為完善和廣泛的建模方法，也是Maya 建模的優(yōu)勢項(xiàng)目。智能加工工廠模型的制作，首先需要分析每個機(jī)器的大體結(jié)構(gòu)，然后分析各個機(jī)器結(jié)構(gòu)的比例，最后進(jìn)行模型制作[3]。此次智能加工工廠的模型，共涉及五個模型，其中四個固定模型，一個運(yùn)動模型。總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能加工車間整體模型

3.2 分模型介紹。3.2.1 運(yùn)輸裝置。運(yùn)輸裝置是唯一一個可以靈活移動的模型，負(fù)責(zé)運(yùn)輸材料。將材料放在頂部的裝載器內(nèi)，運(yùn)往其余各個固定模型。先創(chuàng)建一個立方體作為底座，復(fù)制兩次立方體、調(diào)整大小后通過布爾差集計算得到裝載器的一半，復(fù)制并按Y 軸旋轉(zhuǎn)180°得到一個完整的裝載器，復(fù)制2 次放置在底座上，完成材料傳遞裝置的制作。如圖2 所示。3.2.2 材料架。材料架的作用是存取材料。通過一個軌道在水平方向移動到目標(biāo)水平位置，再通過豎直軌道上移動的可旋轉(zhuǎn)夾子將材料在材料架與運(yùn)輸裝置之間傳遞。通過簡單的立方體組合制作材料架子，原材料是圓柱體，調(diào)整適合大小后放在第三層。復(fù)制原材料在圓柱體插入三條循環(huán)邊，選中中間循環(huán)邊并收縮、圓滑顯示得到加工完成的材料并放在第二層。創(chuàng)建三個圓柱體調(diào)整方向大小作為水平軌道，兩側(cè)用兩個立方體作為固定塊，軌道中間再放一個立方體作為移動豎直軌道的移動塊與固定塊，用一個圓柱體作為豎直軌道。創(chuàng)建一個立方體，兩側(cè)做擠出并收縮擠出的邊，稍作調(diào)整后與一個圓柱體結(jié)合再與豎直軌道做布爾差集計算完成材料夾的制作。如圖3 所示。3.2.3 打磨臺。打磨臺的作用是打磨材料。新建兩個立方體作為底座，上方橫著放一塊立方體，立方體上插入六條循環(huán)線，選中相應(yīng)面拉住并插入一個圓柱（做模型主體），上方一側(cè)放一個立方體與圓柱的結(jié)合、圓柱的一面添加三個微型立方體起固定作用，另一側(cè)放一個立方體與圓柱做布爾差集計算后的多面體并用一個圓柱體連接，使其能通過圓柱的旋轉(zhuǎn)而水平移動。再創(chuàng)建一個立方體設(shè)置成材料夾大小，插入兩條循環(huán)邊將兩側(cè)拉出一段距離，中間放置兩個圓柱作為材料夾的連接處使得材料夾可以靈活旋轉(zhuǎn)，材料夾在材料架中復(fù)制即可。材料夾的移動架先建立一個立方體做支架，支架上安裝一個圓柱以供移動軌道可以自由旋轉(zhuǎn)，移動軌道上放置一個細(xì)圓柱以便滑動，用三個立方體將移動軌道與上述材料夾連接起來。3.2.4 雕刻臺。雕刻臺的作用是為打磨好的材料進(jìn)行雕刻。先新建一個立方體底座，底座上再建一個立方體做工作臺，工作臺上放一個圓柱做旋轉(zhuǎn)作用，圓柱上放一個圓片做承載臺，承載臺上放置三個微型立方體起固定作用。雕刻裝置用一個立方體中間插入兩條循環(huán)線，選擇中間的面向后移動作為底座，底座上放置兩個立方體分別作為固定塊與移動塊，固定塊上放置一個圓柱體控制移動塊的移動。新建一個圓錐用來制作雕刻材料的針，把圓錐底面盡量小的縮放，圓錐高度縮放到相當(dāng)于材料夾裝置高度的1/3，后新建一個圓柱體連接雕刻針、移動臺和固定塊上的圓柱。材料的移動架復(fù)制打磨臺的即可。打印臺作用是在材料上雕刻文字。新建一個圓柱作為底座，圓柱上方圓面放置一個立方體與圓柱體的結(jié)合體（一），結(jié)合體的圓柱部份提供旋轉(zhuǎn)功能。支架用三個立方體做適當(dāng)調(diào)節(jié)組合而成，復(fù)制兩次上述結(jié)合體，結(jié)合體（二）連接支架上端，結(jié)合體（三）沿Z 軸旋轉(zhuǎn)180°之后通過一個圓柱體與（二）相連，中間圓柱體可以使結(jié)合體（三）前后伸縮。最后復(fù)制材料架中的材料夾與結(jié)合體（三）結(jié)合完成打印臺模型制作。

圖2 運(yùn)輸裝置圖

圖3 材料架圖

4 結(jié)論

智能制造仿真系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)中意義重大。通過仿真系統(tǒng)，在生產(chǎn)加工之前，仿真建模的產(chǎn)品可以被提前看到，以便了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及組成，了解產(chǎn)品生產(chǎn)加工的過程與步驟。與三維設(shè)計圖紙相比，智能制造仿真系統(tǒng)具有更形象、逼真的動態(tài)運(yùn)行展示效果，仿真結(jié)果可指導(dǎo)生產(chǎn)線的建設(shè)與優(yōu)化，并在接受運(yùn)營數(shù)據(jù)后還可對生產(chǎn)線進(jìn)行持續(xù)迭代的優(yōu)化[4]。因此，可貫穿于智能制造工廠整個生命周期的智能制造仿真系統(tǒng)，在制造業(yè)的前景不可估量。如何建立更加精準(zhǔn)的模型，使模型間配合更流暢，使智能制造車間模擬得更加逼真，將是我們下一步的重點(diǎn)工作。