孙梦

基于Quest3D的齿轮加工虚拟仿真教学系统研究

孙梦

（长安大学 工程机械学院，陕西 西安 710064）

为解决机械类学生对齿轮加工实验的需求，基于Quest3D图形化编程开发平台，将齿轮加工工艺流程与虚拟现实技术有效结合，建立了齿轮加工虚拟仿真教学系统。系统分为三维场景模型、机械加工工艺系统模型、机床运动控制模块、人机交互模块四个部分，展示了齿轮制造与加工的完整工艺流程，能够从多视角多层级对机床的运动和加工过程进行模拟展示。该系统的应用弥补了理论教学的不足，真正实现虚拟人机交互，可为目前高校的虚拟仿真教学研究提供工程实例参考。

虚拟仿真教学系统；齿轮加工；Quest3D；人机交互

齿轮作为工业生产中的重要核心零件[1]，其相关知识在机械专业的课程与实验中占有很大比重。而齿轮制造加工工艺复杂、涉及多种机床与装备，实际实验与实习需要工厂式的生产车间来匹配完成[2]，并且对学生的操作水平要求较高。大多学校在实际教学中无法满足学生亲手进行加工的实验条件[3]，因此借助虚拟仿真技术对齿轮零件进行模拟加工能够很好解决上述问题[4]。

随着教育部启动“新工科”发展研究工作[5]，提出了国家级虚拟仿真实验中心的建设工作，国内各高校纷纷引进与开发虚拟加工系统应用于实际教学[6]。桌面式虚拟加工系统[7]对硬件要求低、可基于普通PC平台显示，得到了广泛应用。如沈阳理工大学的李兴山[8]结合VRML与JavaScript交互技术、开发出可实现机床运动仿真、模拟装配等功能的虚拟机床加工仿真系统。重庆大学罗求顺等[9]基于Quest3D软件开发了一套针对于钻床加工的虚拟教学系统，用于钻床教学培训。肖元昭等[10]基于 OpenGL与VC++建立了虚拟数控车床加工系统，模拟机床运动仿真及加工切削仿真。长安大学的常鹏[11]提出了一种融合半物理仿真思想的虚拟实训系统，设计了一款面向四轴加工中心的半物理仿真系统。

以上研究中的虚拟加工系统更着重针对各类机床的模拟操作，没有实现对特定零件制造加工整体流程的模拟，这样不利于学生了解掌握零件整体加工流程和工艺内容。并且目前大多系统基于基础编程语言开发，开发周期长、难度大、不便于修改[12-13]。因此，本文基于Quest3D软件，提出并开发了一套桌面式齿轮加工虚拟仿真教学系统，该系统集成齿轮加工中的多种机床与设备，涵盖齿轮从生产制造到机械加工的全过程，便于学生直观了解齿轮制造加工过程、熟悉齿轮加工机床的使用与操作方法，将理论与实践相结合，增强了学习效果。另外，该系统的开发不需要编写大量复杂代码，可以.exe格式文件安装运行，极大的提高了开发效率并且不受时间地点限制，更加方便教学。

1 系统设计

1.1 虚拟仿真教学系统框架设计

齿轮加工虚拟仿真教学系统框架设计如图1所示，该系统主要由三维场景模型、机械加工工艺系统模型、机床运动控制编程模块、人机交互模块四部分组成。

三维场景模型主要指灯光、相机等系统场景模型，便于用户从不同角度、距离对机床进行观察与操作。机械加工工艺系统模型中包含机床、刀具、工件、夹具的三维模型，是实现虚拟加工的主体部分。机床运动控制模块包含了机床各分运动的制作与控制，从而实现工件的机械加工。人机交互模块主要用于用户与计算机之间的信息交换，用户通过该模块进行系统控制并观察运行结果。

图1 系统总框架

1.2 齿轮加工工艺流程与机床运动设计

齿轮加工虚拟仿真教学系统中的加工工艺流程分为锻造制坯、正火、车削加工、滚齿加工、热处理和磨齿加工六个步骤模块[14]。其中，锻造制坯、正火、热处理三个步骤模块在系统中以文字和图片的形式展示。在车削加工、滚齿加工以及磨齿加工三个步骤模块中建立机床模型，制作机床交互运动，用户可以在虚拟仿真教学系统中利用鼠标模拟操作机床对齿轮的加工过程。

机床加工运动通常分为主运动和进给运动，主运动为产生主要加工效果的运动，进给运动是指维持加工效果得以继续的运动。根据机床运动特点，对不同步骤模块加工机床的各个分运动进行制作。车床主运动为齿轮的旋转运动，进给运动为刀架带动车刀的连续直线运动；滚齿加工主运动为滚刀的旋转，进给运动为滚刀作轴向的直线运动，滚齿加工还需要一个展成运动，即由滚刀旋转运动和工件旋转运动组成的复合表面成形运动；磨床主运动为主轴带动砂轮的旋转，进给运动是指砂轮径向往复磨削齿廓运动，辅助运动为磨削两齿槽之间的分度过程。

2 系统开发过程

齿轮加工虚拟仿真教学系统以Quest3D软件为开发平台，首先利用SolidWorks对机床、刀具等进行三维建模，所建模型通过3dmax进行简化并导入Quest3D中进行后续可视化编程，实现机床各部件的运动。最后将各部分子系统内容进行整合完善，制作完成虚拟仿真系统导出发布。系统开发流程如图2所示。

图2 系统开发流程图

2.1 三维场景的搭建

基本三维场景包含灯光、相机与三维物体。灯光起照明作用，便于用户对机床整体有所掌控。相机模块使得用户视角根据相机角度的变化而变化。参照机械标准，建立车床、滚齿机、齿轮磨床及相应刀具、夹具三维模型，将简化模型以.X格式导入Quest3D中。

利用Quest3D软件进行系统三维场景搭建。三维场景的搭建以Start 3DScene模块作为程序起点，连入3D Render，将物体、光源、摄像机连接到该模块下，根据灯光的照明情况增加光源数量，调整灯光的位置与角度。

2.2 运动制作与控制编程

在Quest3D中，物体的运动是通过改变其位置、旋转、尺寸、表面纹理坐标实现。设计制作好机床不同部件的运动后，加入运动控制模块对物体运动进行控制。根据机床运动控制变量的不同，控制编程分为数值控制、时间控制、复合控制与逻辑控制四类。

2.2.1 运动制作

物体运动由Motion模块实现。Motion模块下连接三个向量分别定义了物体在空间中的位置信息、旋转信息和尺寸信息，如图3所示。通过改变三个向量下级连接的、、值改变物体的位置、旋转以及大小。

图3 Motion模块结构

物体运动原理为矩阵变换，物体从位置到位置计算公式为：

物体的基本运动分为移动、旋转以及父子运动。其实现过程如下：

（1）实现物体移动需要Envelope模块，、、三个方向的运动需分别实现，图4为通过Envelope模块在方向上设置的运动曲线图。通过插入关键帧，将物体不同时刻的位置以坐标的形式储存，坐标图的横轴为输入控制值，纵轴为物体坐标位置值。将数值记录在Envelope中，物体就会沿着已封存的运动曲线移动。

图4 Envelope移动曲线图

实现物体旋转需要loop relative value模块。物体旋转就是其角度值从0～360°不断循环变化，在该模块下连接三个value值，分别代表循环初始值、终止值、以及循环增减量。将该模块快捷方式连接到物体旋转坐标中旋转轴的下方，可实现物体绕该轴循环旋转运动。

（2）机床部件间同步的相对运动关系称为父子关系。实现父子运动需要Motion模块层级级联。比如，滚刀装在滚刀架上，刀架上下移动时会附带着滚刀一起运动，而滚刀的旋转运动则不受影响，定义刀架运动为父运动，滚刀运动为子运动。将父物体的Motion模块连接到子物体运动模块的最后一个接口便实现两者的同步运动。

2.2.2 控制编程

物体运动的控制编程分为数值控制、时间控制、复合控制与逻辑控制等四类。实现方法及流程如下所述：

（1）数值控制

物体运动的数值控制编程流程如图5所示。用户通过鼠标或键盘的输入引发触发器，会把Set Value下方左边的值赋给右边，数值0、1分别控制物体的始末位置，右边的Value值就是Envelope里储存运动的坐标值。这样就实现用户控制物体坐标的改变，也就实现了物体的运动。

图5 数值控制流程

（2）时间控制

物体运动的时间控制编程流程如图6所示。时间控制需要Timer Command，该通道可对其子连接对应的起始和结束时间段进行控制。当用户输入触发信号后，时间计时器开始工作，通过时间控制物体按照Envelope中的曲线运动。

2.2 家系Ⅱ 检出致病基因为CDH23基因的c.7240-1G>A和c.7252G>A两个位点复合杂合突变；2名耳聋患者(Ⅱ2、Ⅱ3)视力、视野、眼底检查未见异常。CDH23基因c.7252G>A位点突变为国内首报新突变位点，结果、家系图及测序突变。见表1、表2、图1、图2。

图6 时间控制流程

（3）复合控制

物体运动的复合控制编程流程如图7所示。复合控制是指由不同变量控制物体的运动，例如刀架带动滚刀在快进快退运动时，其竖直方向上的运动应该是由时间控制运动的快慢；而滚刀在实际切削时，其运动应由工件旋转的角度控制，即工作台每转一转，滚刀架在竖直方向的移动。因此滚刀在该方向上需要两个Envelope去储存这两种运动，用不同变量进行控制。

图7 复合控制流程

（4）逻辑控制

物体运动的逻辑控制编程模块流程如图8。逻辑控制主要用于滚齿加工中的展成运动，滚刀和工件的啮合运动必须要准确满足定比传动，即滚刀每转1/转，工件应转1/转，滚刀每转一圈（＋6.28），齿轮转1/圈（＋0.184）。把计算后的值通过Set Value存放在一个新value中，这个Value值就是物体旋转中的循环增加值，这样就能实现每当有条件触发时，滚刀与齿轮同步运动并且其循环增加值不断更新。

图8 逻辑编程流程

2.3 人机交互界面设计

2.3.1 子系统设计

齿轮加工6项工艺过程中包括3项机床加工过程和3项工艺处理过程。每个工艺流程作为一个子系统模块进行单独设计。

机床运动子系统中的人机交互界面利用Quest3D中GUI模块进行制作，用户能够控制机床各个部分的运动。人机交互界面区域分为三部分：中间用于展示机床的三维场景模型，左方设计了控制机床运动的相关按钮，右方为文字显示区域，将采集到的机床运动参数以数据形式展示在界面中，便于使用者通过数据定性了解齿轮加工工艺过程。

对于不涉及加工机床的工艺流程子系统界面则采用图片展示与文字介绍相结合的方式进行说明。界面左边设置文字说明区域，右边设计工艺流程过程图片展示。

2.3.2 系统切换设计

虚拟仿真系统的整合与切换运用有限状态机channel，该通道可简化复杂结构中子程序之间的切换。首先，将所需模块连接到有限状态机通道下，第一类子连接下连接触发数值模块，即各子系统界面相对应的特定pressed模块。第二类子连接下连接需要被触发的模块，即每一个子系统界面的三维scene。其次，需要建立系统之间的树状关系结构，两界面之间通常为双向关系，通过点击相应按钮进入或返回其他界面。

3 系统仿真实例

以.exe的格式发布导出得到齿轮加工虚拟仿真教学系统。在各机床子界面系统中，通过上下滑动鼠标中间滚轮将机床模型进行放大缩小，通过长按鼠标右键移动来控制机床的旋转，从而从多角度详细的观察加工过程。图9为滚齿加工子系统界面。界面右侧为文字显示区域，用来显示刀具及工件的部分参数、动态坐标、进给量、转速等。界面左侧显示机床的加工流程中的工件旋转、工作台移动、道具进给、滚刀切削等运动控制按钮。图10为锻造工艺子系统界面。界面左侧展示锻造的下料、胚料加热、墩粗、冲孔、修整锻件与冷却工艺流程的要点。界面右侧展示相关工艺加工生产现场图片。

该系统可以帮助学生借助计算机和软件系统进行齿轮加工过程的实验和学习，加深理论课程的理解，直观真切的观看全过程，并能掌握加工参数和工艺要点，达到良好的教学效果。

图9 滚齿加工子系统界面

图10 锻造工艺子系统界面

4 结语

（1）齿轮加工虚拟仿真教学系统可使学生在可视化环境下对齿轮加工的流程、工艺及机床的操作进行模拟和学习，利于学生掌握齿轮加工的相关内容、分析加工参数的合理性，弥补了传统实践教学的缺点与不足，在教学中达到良好效果；同时该系统的开发也对虚拟现实技术与教学实验相结合起到了良好的推动作用。

（2）系统以.exe格式导出，可基于普通PC平台安装运行，对运行系统的配置要求较低。该系统将实验教学和课堂理论教学有机结合，具有实时性和便捷性，在高校企业的教学培训中具有广泛的应用前景。

（3）该虚拟教学系统的实时开发利用Quest3D中自带的构建模块进行图形化编程，避免了基于基础语言开发的繁琐编程过程，具有开发周期短、效率高等特点。便于根据教学使用情况进行优化升级，还可拓展增加新模块来满足仿真教学的要求。

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Research and Application on Virtual Simulation Teaching System of Gear Machining Based on Quest3D

SUN Meng

( School of Construction Machinery,Chang'an University, Xi'an 710064, China )

In order to meet the needs of mechanical students for gear processing experiments, by using the Quest3D graphical programming development platform, a virtual simulation teaching system for gear processing which combines the gear processing process with virtual reality technology is established. The system is divided into four parts: 3D scene module, machining process system module, machine tool motion control module, human-machine interaction module, which shows the complete process of gear manufacturing and machining is shown in detail and can simulate the machine movement as well as the machining process from multiple perspectives and levels. The application of the system makes up for the shortage of theoretical teaching and truly realizes the virtual human-machine interaction, which provides engineering examples for the research of virtual simulation teaching in colleges and universities.

virtual simulation teaching system；gear machining；Quest3D；human-computer interaction

TG51；TP391.9

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.06.012

1006-0316 (2021) 06-0075-06

2020-06-09

孙梦（1997－），女，新疆乌鲁木齐人，硕士研究生，主要研究方向为工程机械类设计及优化，E-mail：1075886693@qq.com。