文懷興，朱效杰

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安　710021)

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基于EON數(shù)控車床主軸箱虛擬裝配技術(shù)的研究*

文懷興，朱效杰

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安710021)

虛擬裝配是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用極大地促進(jìn)了機(jī)械行業(yè)的快速發(fā)展。文章以虛擬現(xiàn)實(shí)軟件EON Studio為研究平臺(tái)，以MJ-50數(shù)控車床主軸箱為研究對(duì)象，詳細(xì)論述了虛擬裝配技術(shù)的內(nèi)涵，深入分析了實(shí)際生產(chǎn)過程中機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)在裝配環(huán)節(jié)存在的問題。并且以主軸箱的虛擬裝配為實(shí)例，通過運(yùn)用EON Studio提供的功能節(jié)點(diǎn)和元件，方便地實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互、裝配序列規(guī)劃、碰撞檢測(cè)等虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)，省去了繁瑣的編程工作，很好地解決了上述存在的問題，結(jié)果表明虛擬裝配技術(shù)在企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)方面有廣闊的發(fā)展前景。

數(shù)控車床；主軸箱；虛擬裝配

0　引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和全球工業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇，給企業(yè)帶來了巨大的壓力。目前競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)主要集中于如何加速新產(chǎn)品的開發(fā)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短生產(chǎn)周期等問題。為此，許多新的制造手段和制造技術(shù)逐漸產(chǎn)生，如敏捷制造，并行工程等。伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展，又產(chǎn)生了虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬裝配等技術(shù)[1]。裝配是企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的裝配方式是：在產(chǎn)品全部零部件都生產(chǎn)出來后再進(jìn)行裝配，這無形中增加了產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間。并且這種裝配方式，可能會(huì)出現(xiàn)以下兩種問題：一是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)有誤無法進(jìn)行裝配，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的重新設(shè)計(jì)；二是裝配過程不合理，需要重新調(diào)整產(chǎn)品的裝配過程。這兩類問題必將導(dǎo)致反復(fù)修改設(shè)計(jì)，多次試裝配等，使新產(chǎn)品的研發(fā)周期延長(zhǎng)，成本提高，不能適應(yīng)當(dāng)前制造業(yè)的發(fā)展和需求[2]。因此，虛擬裝配技術(shù)對(duì)企業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)有著重要的意義。

EON Studio是一款運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行3D對(duì)象展示、運(yùn)動(dòng)仿真、虛擬裝配的多功能軟件。它是一個(gè)完全基于GUI的設(shè)計(jì)工具，能夠開發(fā)出應(yīng)用于銷售、電子商務(wù)、機(jī)械、建筑以及教育培訓(xùn)等領(lǐng)域的實(shí)時(shí)3D多媒體應(yīng)用程序。它采用了智能的操作界面和組件，擴(kuò)展性強(qiáng)；同時(shí)兼顧了專業(yè)人員和非專業(yè)人員學(xué)習(xí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所需的不同功能和模式的支持；能輕易的與其他3D軟件結(jié)合，不需要重建模型[3]。

1　虛擬裝配技術(shù)介紹

虛擬裝配是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR)技術(shù)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息處理等技術(shù)綜合發(fā)展的產(chǎn)物。它采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代科技生成逼真的視、聽、觸覺等一體化的虛擬環(huán)境，用戶借助鼠標(biāo)、鍵盤或其他外部設(shè)備與虛擬世界中的物體進(jìn)行交互，相互影響，從而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗(yàn)[4]。

虛擬裝配技術(shù)是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中根據(jù)零件的形狀特征、精度特征，真實(shí)地模擬零件的三維裝配過程，它是一門涉及眾多學(xué)科的新的實(shí)用技術(shù)，是集先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感與測(cè)量技術(shù)、仿真技術(shù)、微電子技術(shù)等為一體的綜合集成技術(shù)[5]。虛擬裝配技術(shù)的應(yīng)用將給產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)帶來新的思路。虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用于可裝配性設(shè)計(jì)，大大避免了因設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致制造和裝配失敗的情況，另外人們?cè)谟?jì)算機(jī)上進(jìn)行裝配工藝規(guī)劃與仿真以獲取較佳的裝配工藝方案。

2　數(shù)控車床主軸箱虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)控車床是集機(jī)械、電氣、液壓、微電子學(xué)和信息等多項(xiàng)技術(shù)為一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品。MJ-50數(shù)控車床主要用來加工內(nèi)外圓柱面、圓錐面、螺紋表面等；對(duì)于盤類零件可進(jìn)行鉆孔、鉸孔、鏜孔等加工。主軸箱是MJ-50數(shù)控車床的重要組成部分之一，它主要有主軸、主軸箱體、軸承、同步帶和帶輪、脈沖編碼器以及傳動(dòng)密封件等零件組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1、6、8.螺母 2.同步帶 3、16.同步帶輪 4.脈沖編碼器 5、12、13、17.螺釘 7.主軸 9.主軸箱體 10.角接觸球軸承 11、14.雙列圓柱滾子軸承 15.帶輪

圖1MJ-50數(shù)控車床主軸箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

主軸箱的裝配環(huán)節(jié)在主軸箱的整個(gè)生產(chǎn)過程中占有非常重要的位置。

2.1主軸箱三維虛擬模型的建立

三維虛擬模型的建立是虛擬裝配的首要步驟。傳統(tǒng)的CAD軟件(如Pro/E、SolidWorks、UG等)在建模方面功能已比較完善，而虛擬現(xiàn)實(shí)軟件在建模方面有一定的局限性，所以采用在SolidWorks中建立三維模型，然后再導(dǎo)入到虛擬環(huán)境中。EON Studio利用其內(nèi)部的插件轉(zhuǎn)換程序可以輕松導(dǎo)入絕大多數(shù)3D軟件(如3DS Max、Lightwave、AutoCAD、SolidWorks等)制作的三維模型，不需要重建模型，也不需要利用其它格式轉(zhuǎn)換軟件，有效地解決了不同格式的模型不兼容的問題。在SolidWorks中建立的主軸箱三維模型如圖2a所示，將其導(dǎo)入到EON Studio中并且設(shè)置虛擬環(huán)境，效果如圖2b所示。

(a)SolidWorks中建立的主軸箱三維模型

(b)主軸箱三維模型導(dǎo)入到EON Studio中

2.2虛擬裝配序列和裝配路徑的規(guī)劃

虛擬裝配序列和裝配路徑的規(guī)劃是虛擬裝配技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。裝配序列是指零部件之間依靠幾何關(guān)系、物理結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品功能所決定的裝配順序。裝配是受到了時(shí)間和空間約束的行為。時(shí)間約束是指零部件的裝配是有順序的，空間約束是指零部件之間裝配的幾何可行性[6]。傳統(tǒng)裝配序列規(guī)劃是通過人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的，伴隨著CAD設(shè)計(jì)工具的使用，帶動(dòng)了自動(dòng)計(jì)算裝配順序的發(fā)展。EON Studio的Log Window(日志視窗)可以記錄并保存當(dāng)前EON Studio的內(nèi)部操作信息，包括事件、用戶指令、腳本流程、調(diào)試等。利用日志過濾器將所顯示的信息類型設(shè)置為Event(事件)，當(dāng)模擬程序運(yùn)行結(jié)束后，將當(dāng)前日志視窗的信息存儲(chǔ)為.txt文件。然后利用Microsoft Word打開這個(gè)文件，并且將其文本轉(zhuǎn)換為表格的形式，就可以清楚地看到EON Studio的內(nèi)部操作信息，包括Time(時(shí)間)、Type(類型)、Description(描述)、Source(來源)、Message(信息)五部分，如表1所示。其中在信息這一部分詳細(xì)記錄了虛擬對(duì)象的裝配順序，表1的信息一欄記錄的部分零件裝配順序?yàn)橹鬏S箱箱體→鏈板→套筒→雙列圓柱滾子軸承。在實(shí)際裝配過程中，只需按照這個(gè)表格的裝配順序來依次完成所有零件的裝配，省去了繁瑣的人工記錄的工作。

表1　日志視窗中虛擬裝配序列部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

裝配路徑是指零部件在虛擬裝配場(chǎng)景中所走過的路徑。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。運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃無論是對(duì)人工裝配，還是對(duì)機(jī)械的自動(dòng)化裝配、柔性裝配或機(jī)器人裝配，都是非常有意義的[7]。EON Studio提供的RecordPath Prototype(記錄路徑元件)允許用戶記錄、編輯、保存關(guān)鍵幀路徑，利用這個(gè)元件可以記錄虛擬裝配對(duì)象的最佳裝配路徑，既操作簡(jiǎn)單又準(zhǔn)確可靠。主軸箱的裝配路徑部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示。

表2　主軸箱虛擬裝配路徑部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3碰撞檢測(cè)的設(shè)置

碰撞檢測(cè)是虛擬裝配技術(shù)的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。碰撞檢測(cè)的實(shí)質(zhì)就是在同一時(shí)刻檢測(cè)虛擬環(huán)境中是否有兩個(gè)或多個(gè)物體占據(jù)同一個(gè)空間區(qū)域[8]。在傳統(tǒng)的CAD軟件中進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的裝配時(shí)，兩個(gè)零件即使?jié)M足某種配合關(guān)系仍然會(huì)出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，而這種情況是不符合實(shí)際生產(chǎn)中的裝配要求的。因此，碰撞檢測(cè)在虛擬裝配過程中是一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。目前比較成熟的碰撞檢測(cè)方法主要有：包圍盒法、空間分割法、圖像空間法、距離場(chǎng)法、智能算法等。EON Studio中的碰撞檢測(cè)機(jī)理正是基于應(yīng)用廣泛的包圍盒法的思想。包圍盒法的基本思想是使用比被檢測(cè)對(duì)象體積略大而且形狀簡(jiǎn)單的幾何形體(如球體、長(zhǎng)方體、凸多面體)包圍虛擬環(huán)境中幾何形狀復(fù)雜的物體，當(dāng)對(duì)兩個(gè)物體進(jìn)行碰撞檢測(cè)時(shí)首先檢測(cè)這兩個(gè)物體最外面的包圍盒是否相交，如果不相交就說明這兩個(gè)物體不會(huì)發(fā)生碰撞，如果相交則對(duì)這兩個(gè)物體進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)[9]。EON Studio提供了多種與碰撞檢測(cè)相關(guān)的功能節(jié)點(diǎn)：Collision Node(碰撞節(jié)點(diǎn))、ConvexCollision Node(凸面碰撞節(jié)點(diǎn))、ConvexCollision Manager Node(凸面碰撞管理節(jié)點(diǎn))、CollisionGeometryType Node(碰撞幾何類型節(jié)點(diǎn))。通過對(duì)這些節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)單設(shè)置，就可以方便地實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)。此外，在兩個(gè)零件發(fā)生碰撞時(shí)，必須有明顯的碰撞響應(yīng)，這樣用戶才能真實(shí)地感覺到碰撞的發(fā)生。利用EON Studio提供的Script Node(腳本節(jié)點(diǎn))，可以很好地實(shí)現(xiàn)碰撞響應(yīng)[10]。Script節(jié)點(diǎn)是EON Studio節(jié)點(diǎn)中功能最強(qiáng)大的節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)允許利用VBScript或者Jscript來創(chuàng)建自定義的節(jié)點(diǎn)，這兩種腳本語言已經(jīng)包含在了安裝程序中。文中利用VBScript腳本語言編程來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)零件碰撞后顏色發(fā)生變化的功能。下面是部分VBScript編程代碼：

sub On_Collision()

Shutdown()

end sub

sub On_CollisionObj()

Shutdown()

EON.Trace(CollisionObj.GetMFCount())

For i=0 To CollisionObj.GetMFCount()-1 Step 1

OldCollisionObj.AddMFElement(CollisionObj.GetMFElement(i))

Set a = CollisionObj.GetMFElement(i)

Set NewChildren=a.GetFieldByName("Children")

Set Mesh =NewChildren.GetMFElement(0)

Set NewChildren=Mesh.GetFieldByName("Children")

Set Material = NewChildren.GetMFElement(0)

Set NewColour= Material.GetFieldByName("Color")

ChangeColour=NewColour.Value

ChangeColour(1)=0.6

ChangeColour(2)=0.9

NewColour.Value=ChangeColour

Next

end sub

此外，還可以利用Sound Node(聲音節(jié)點(diǎn))使兩個(gè)物體碰撞時(shí)發(fā)出聲音，這樣用戶就可以從視覺和聽覺兩個(gè)方面更加真實(shí)地感受到碰撞的發(fā)生。以帶輪與主軸箱體之間的碰撞檢測(cè)為例：在沒有設(shè)置碰撞檢測(cè)時(shí)，帶輪穿入了主軸箱體，出現(xiàn)了穿透現(xiàn)象如圖3a所示；在設(shè)置碰撞檢測(cè)后，帶輪沒有穿入主軸箱體，而是停在了與主軸箱體碰撞時(shí)的位置，并且?guī)л嗩伾伤{(lán)色變成了紅色，主軸箱體顏色由綠色變成了黃色，同時(shí)聽到“砰”的碰撞聲，如圖3b所示。

(a)碰撞檢測(cè)前帶輪穿入主軸箱　　　(b)帶輪未穿入主軸箱體

2.4人機(jī)交互性的設(shè)置

EON Studio提供了多個(gè)功能節(jié)點(diǎn)(如Motion節(jié)點(diǎn)、Walk節(jié)點(diǎn)、Keymove節(jié)點(diǎn)、WalkAbout節(jié)點(diǎn)等)可以使用戶與虛擬對(duì)象之間方便地進(jìn)行人機(jī)交互。其中Walk節(jié)點(diǎn)和WalkAbout節(jié)點(diǎn)是兩個(gè)最常用的節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)默認(rèn)Walk節(jié)點(diǎn)在Camera節(jié)點(diǎn)下。通過對(duì)該節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)單設(shè)置，配合鼠標(biāo)的左、右鍵就可以在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)前后、左右、上下行走的效果。WalkAbout節(jié)點(diǎn)也是用來實(shí)現(xiàn)虛擬對(duì)象運(yùn)動(dòng)的，它與Walk節(jié)點(diǎn)的不同點(diǎn)在于;它是用鍵盤進(jìn)行操作控制，而Walk節(jié)點(diǎn)是用鼠標(biāo)或者操作桿進(jìn)行操作控制的。WalkAbout節(jié)點(diǎn)的用法較簡(jiǎn)單：將該節(jié)點(diǎn)拖動(dòng)到SimulationTree(仿真樹)下，然后雙擊該節(jié)點(diǎn)在彈出的屬性框中即可以設(shè)置鍵盤的控制按鍵、行進(jìn)的速度、轉(zhuǎn)動(dòng)的角度等。通過使用Walk節(jié)點(diǎn)和WalkAbout節(jié)點(diǎn)，用戶可以通過鼠標(biāo)和鍵盤方便地操作控制虛擬對(duì)象，以便進(jìn)一步觀察、分析物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組合方式、裝配順序等重要內(nèi)容。

2.5多角度觀測(cè)和多窗口播放的設(shè)置

在主軸箱的虛擬裝配過程中，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、組成部件眾多，不可能從一個(gè)角度全面了解其裝配信息。因此，需要從多個(gè)角度和多個(gè)窗口來全面認(rèn)識(shí)主軸箱的整個(gè)裝配過程。EON Studio可以方便地設(shè)置多角度觀測(cè)以及多窗口播放。將Place Node(放置節(jié)點(diǎn))復(fù)制到Camera Node(相機(jī)節(jié)點(diǎn))下，然后設(shè)置觀測(cè)的位置和角度，就可以輕松地實(shí)現(xiàn)多角度觀測(cè)如圖4a、圖4b所示。EON Studio提供的Viewport Node(視窗節(jié)點(diǎn))能夠在仿真窗口中出現(xiàn)多個(gè)視窗，這些視窗從不同的角度顯示了主軸箱虛擬裝配的過程，如圖5所示。

圖5　多窗口播放

2.6其他輔助功能的設(shè)置

(1)ToolTip Node(提示節(jié)點(diǎn))可以為三維虛擬模型添加必要的輔助文字說明，當(dāng)鼠標(biāo)經(jīng)過該模型時(shí)，變成了小手形狀，按下鼠標(biāo)左鍵即可看到提示文字。利用該節(jié)點(diǎn)，用戶可以很快地熟悉復(fù)雜物體是由哪些零部件組成的。

圖6　輔助功能設(shè)置的窗口

(2)PopupMenu Node(菜單節(jié)點(diǎn)) 向用戶提供了一個(gè)菜單目錄，用戶可以將多個(gè)功能整合在一個(gè)菜單下，方便管理。這里所說的菜單具有用高級(jí)語言編程得到的菜單對(duì)話框的功能，然而它不需要編程，只需簡(jiǎn)單的設(shè)置，從而給用戶的應(yīng)用模擬程序方便地添加了一種交互性。設(shè)置的菜單如圖6所示，單擊“虛擬裝配”按鈕就會(huì)彈出一個(gè)菜單，再單擊某一項(xiàng)子菜單就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的指令。

(3)2DImage node(圖像節(jié)點(diǎn))允許用戶在EON Studio的3D渲染窗口顯示圖像，使仿真窗口更加逼真，如圖6左上角顯示了MJ-50數(shù)控車床的整體外觀圖。

(4)TextBox Node(文本節(jié)點(diǎn))可以在模擬場(chǎng)景中為用戶提供必要的文字信息。當(dāng)用戶打開仿真窗口時(shí)，文本信息出現(xiàn)在仿真窗口的界面上，幫助用戶快速地了解到重要的操作信息，如圖6右上角顯示的文字所示，這些信息可以幫助用戶了解到如何與虛擬對(duì)象進(jìn)行交互。

(5)MultimediaStream Node(多媒體節(jié)點(diǎn))允許用戶在仿真窗口中播放與裝配相關(guān)的視頻，使用戶更加全面的了解裝配信息。Sound Node(聲音節(jié)點(diǎn))可以將講解的音頻嵌入到模擬程序中。通過多媒體節(jié)點(diǎn)和聲音節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用，用戶可以從視覺和聽覺上更加全面的認(rèn)識(shí)虛擬裝配的重要內(nèi)容。

3　結(jié)論

數(shù)控車床主軸箱是數(shù)控車床的重要部件之一，主軸箱的裝配環(huán)節(jié)是其研發(fā)過程的最后也是最重要的環(huán)節(jié)。虛擬裝配技術(shù)的應(yīng)用有助于促進(jìn)主軸箱等重要機(jī)械產(chǎn)品裝配環(huán)節(jié)的研發(fā)，既可以縮短生產(chǎn)周期又節(jié)約成本。EON Studio是一款優(yōu)秀的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，通過對(duì)其功能節(jié)點(diǎn)和元件的簡(jiǎn)單設(shè)置，就可以完成虛擬裝配序列與路徑的規(guī)劃、碰撞檢測(cè)、人機(jī)交互等虛擬裝配的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以EON Studio為研發(fā)平臺(tái)的虛擬裝配技術(shù)，既可以應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品裝配環(huán)節(jié)的研發(fā)又可以應(yīng)用于企業(yè)和高校的教育培訓(xùn)、虛擬維修等方面，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

[1] 王偉，張鵬，劉慶云.制造業(yè)中虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2013(7)：1-4.

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(編輯李秀敏)

Research on Virtual Assembly Technology of CNC Lathe Spindle Box Based on EON

WEN Huai-xing,ZHU Xiao-jie

(College of Mechanical Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xi′an 710021,China)

Virtual assembly is one of the key technology of virtual reality technology, the application of virtual reality technology in the field of mechanical greatly promoted the rapid development of machinery industry.Based on powerful virtual reality software EON Studio as the research platform, MJ - 50 CNC lathe spindle box as the research object, and discusses in detail the connotation of virtual assembly technology, in-depth analysis of the mechanical product research and development in the process of actual production in assembly link existing problems. And virtual assembly of the spindle box as an example, through the use of EON Studio provides the function of the nodes and elements, easily realized the man-machine interaction, assembly sequence planning, collision detection, such as the key technology of virtual assembly, eliminating the tedious programming work, to solve the above problems, the results show that virtual assembly technology has broad prospects in enterprise product development.

numerical control lathe; spindle box ; virtual assembly

1001-2265(2015)11-0107-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.11.030

2015-01-28；

2015-03-06

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2009ZX04001-014)；陜西省教育廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(11JK0867)

文懷興(1957—)，男，陜西咸陽人，陜西科技大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及自動(dòng)化，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，(E-mail)zhuxiaojiely@126.com。

TH166;TG506

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