劉文娟

(遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 丹東 118000)

0 引言

隨著當(dāng)前計算機(jī)水平的不斷進(jìn)步，各行業(yè)進(jìn)入智能化設(shè)計與制造時代。近年來，新興的VR技術(shù)被相繼應(yīng)用于工業(yè)仿真、娛樂設(shè)施、軍事航天、室內(nèi)設(shè)計及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，包含三維繪圖設(shè)計技術(shù)、多功能傳感裝置交互接口技術(shù)與高清晰顯示技術(shù)。經(jīng)參閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域中的產(chǎn)品三維設(shè)計與更新可與先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)產(chǎn)生接口，主要表現(xiàn)在零配件的三維建模與仿真裝配方面，圖1為基于VR技術(shù)的零配件設(shè)計與裝配場景。

圖1 基于VR技術(shù)的零部件設(shè)計與裝配

另一方面，當(dāng)前兩者融入應(yīng)用研究較少，為了促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計水平，筆者就農(nóng)用機(jī)具拖拉機(jī)中的通用零配件設(shè)計與改進(jìn)引入VR技術(shù)展開研究分析。

1 核心設(shè)計理念

通過設(shè)置一個虛擬的三維空間，實(shí)現(xiàn)五感的仿真模擬，營造一個接近于現(xiàn)實(shí)的場景，在此空間進(jìn)行體驗(yàn)、動作、評價等，可稱之為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality )。在我國應(yīng)用較為廣泛的拖拉機(jī)零配件設(shè)計與優(yōu)化方面，傳統(tǒng)的做法表述為：在CAD環(huán)境下完成零件尺寸的精確繪制，在滿足尺寸公差的要求基礎(chǔ)上，經(jīng)過零件的幾何裝配信息完成拖拉機(jī)整機(jī)的裝配設(shè)計與修改，存在設(shè)計周期長、耗費(fèi)精力大的缺陷。為提升拖拉機(jī)零配件的設(shè)計效率，采用當(dāng)前機(jī)械領(lǐng)域核心設(shè)計理念，利用VR技術(shù)進(jìn)行緊密融合，考慮零配件本身的尺寸大小、VR環(huán)境的設(shè)置，同時引入裝配自由度與裝配約束的管控，形成計算機(jī)工藝規(guī)劃、裝配規(guī)劃與路徑規(guī)劃，從多層次多角度進(jìn)行零配件設(shè)計與裝配質(zhì)量評價。

結(jié)合拖拉機(jī)在進(jìn)行田間作業(yè)過程中各零配件的相互配合與動作原理，給出擬設(shè)計拖拉機(jī)的主要零配件及技術(shù)參數(shù)，涵蓋發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、主要執(zhí)行系統(tǒng)等，如表1所示。

表1 拖拉機(jī)主要零配件設(shè)計

續(xù)表1

其各個裝置的尺寸協(xié)調(diào)是應(yīng)用VR技術(shù)進(jìn)行機(jī)械設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，此過程需結(jié)合Pro/E繪圖與3D成型技術(shù)，以達(dá)到預(yù)期設(shè)計效果。

2 VR建模設(shè)計

2.1 數(shù)學(xué)模型建立

拖拉機(jī)傳動部件、調(diào)速系統(tǒng)的零配件設(shè)計與裝配需要滿足特定的功能控制要求。在虛擬仿真環(huán)境下進(jìn)行組合時，結(jié)合機(jī)械設(shè)計與裝配約束方式基本理論(見圖2)，定義平移與旋轉(zhuǎn)兩種動作行為。同時，考慮正反兩個方向，構(gòu)成4×3矩陣，得到拖拉機(jī)VR裝配的特征控制矩陣方程M1～M4為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中 0—表示該方向上相鄰部件間不存在裝配約束；

1—表示該方向上相鄰部件間存在裝配約束。

圖2 零件設(shè)計與裝配約束方式

2.2 物理模型設(shè)計

為保證在VR場景實(shí)現(xiàn)完整裝配與調(diào)控，通過正確計算，給出幾何參數(shù)設(shè)計與運(yùn)動控制要求，建立拖拉機(jī)變速裝置的物理模型(見圖3)，從而進(jìn)行各相鄰零配件間相互定位；零件的接觸碰撞通過NC程序量化細(xì)節(jié)的修整，其他傳動軸裝置同步利用Pro/E進(jìn)行繪制。

2.3 VR裝配調(diào)控

根據(jù)零件的建模展開VR場景構(gòu)建，整體結(jié)構(gòu)的搭配與虛擬場景仿真是兩大核心步驟。工作時，進(jìn)入VR裝配調(diào)控，通過套接字程序?qū)⑼侠瓩C(jī)的三維機(jī)械結(jié)構(gòu)與虛擬環(huán)境BIND，整機(jī)的裝配圖形輸出必須與機(jī)械結(jié)構(gòu)的存儲和傳遞信息符合，并有效對場景中的障礙物進(jìn)行定位識別。此處給出部分程序段：

unitsPerMeter = “1” minOgreVersion = “1.6”

author =”O(jiān)greMaxScene Exporter”>

……

……

“NoMaterial”/>

根據(jù)編制的VR仿真主函數(shù)進(jìn)入VR場景，主函數(shù)與傳感器輸入進(jìn)行對象更新，通過遍歷全程實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)零配件的VR裝配調(diào)控，主要流程如圖4所示。

圖3 拖拉機(jī)變速裝置物理模型設(shè)計

圖4 VR裝配仿真場景下調(diào)控流程圖

在VR技術(shù)路徑的規(guī)劃與實(shí)時跟蹤調(diào)控方面，設(shè)計了拖拉機(jī)零配件VR裝配路徑，如圖5所示。針對拖拉機(jī)的零配件裝配參數(shù)與VR仿真場景設(shè)置，兩者共同構(gòu)成虛擬現(xiàn)實(shí)場景仿真，進(jìn)一步建立零配件的可尋路徑模型；通過核心控制算法后臺指導(dǎo)，拖拉機(jī)零配件在VR場景條件下進(jìn)行關(guān)鍵位姿搜索與調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)裝配體的運(yùn)動控制與路徑執(zhí)行；整個過程中實(shí)現(xiàn)最佳路徑的獲取與裝配過程的可視化，避免不合理的路徑產(chǎn)生。

圖5 拖拉機(jī)零部件VR裝配路徑規(guī)劃簡圖

3 仿真試驗(yàn)

3.1 條件設(shè)置

進(jìn)行VR仿真試驗(yàn)時，考慮與實(shí)際環(huán)境相比，存在感知能力較差、缺乏可操作性的難點(diǎn)，首先進(jìn)行條件設(shè)置如下：

1)VR試驗(yàn)場景保證足夠的動態(tài)光照與場景渲染；

2)硬件設(shè)備層裝備調(diào)試正常，包括PLC控制及DP通訊模塊等；

3)數(shù)據(jù)反饋與方位交互參數(shù)準(zhǔn)確。

VR試驗(yàn)控制簡圖如圖6所示。以判斷拖拉機(jī)零件裝配約束是否有效為控制主線進(jìn)行精準(zhǔn)定位操作，在內(nèi)部參數(shù)的調(diào)控下，完成VR環(huán)境下的拖拉機(jī)的零配件設(shè)計試驗(yàn)。若出現(xiàn)接觸位姿不當(dāng)?shù)那闆r，反饋至后臺控制程序，實(shí)現(xiàn)全方位、可視化及捷徑化的機(jī)械設(shè)計與裝配。

圖6 VR試驗(yàn)流程控制簡圖

表2給出拖拉機(jī)零配件VR裝配控制功能及腳本模塊的功能實(shí)現(xiàn)，主要包含零件接觸檢測、方位運(yùn)動控制、跟蹤移動與邏輯判斷。為準(zhǔn)確讀取VR場景及拖拉機(jī)部件模型，進(jìn)行參數(shù)初始化，部分程序如下：

#include “stdafx.h”

#include

#include

#include DL_tractorMesh 0

……

表2 拖拉機(jī)零配件VR裝配控制功能及腳本

3.2 過程分析

采用VR技術(shù)與機(jī)械設(shè)計基本理論結(jié)合，完成仿真試驗(yàn)。圖7為VR試驗(yàn)裝配后的拖拉機(jī)傳動裝置模型剖視圖，從視覺角度考慮，其裝配效果良好，并且內(nèi)部參數(shù)設(shè)置合理，各零配件銜接度較好。

圖7 VR試驗(yàn)裝配后模型

對VR試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與換算，選取關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行對比分析，得出如表3所示的拖拉機(jī)VR試驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)。由表3可知：設(shè)計可視度較實(shí)體建模與裝配改善效果可提升9.1%，零配件的約束度和位姿調(diào)控時間均能滿足設(shè)計要求，分別可達(dá)到93.7%和0.52s；拖拉機(jī)的整機(jī)裝配精度VR技術(shù)應(yīng)用環(huán)境較實(shí)體建模稍有降低，但是其裝配精度可達(dá)90%以上，VR技術(shù)應(yīng)用可行。

表3 拖拉機(jī)VR試驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)對比表

4 結(jié)論

1) 分析了拖拉機(jī)零配件設(shè)計與組裝的基本原理，選取關(guān)鍵部件進(jìn)行機(jī)械設(shè)計，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)核心理念，建立VR設(shè)計應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型并用Pro/E軟件進(jìn)行物理模型繪制，導(dǎo)入可視化的VR場景進(jìn)行零配件裝配，實(shí)現(xiàn)了可視化功能。

2) 根據(jù)設(shè)計需求，VR裝配調(diào)控實(shí)行C++語言后臺控制，并重點(diǎn)根據(jù)VR場景下的裝配流程進(jìn)行路徑規(guī)劃和VR仿真試驗(yàn)。

3) 試驗(yàn)表明：VR技術(shù)應(yīng)用拖拉機(jī)零配件的機(jī)械設(shè)計與裝配思路可行，各項參數(shù)與實(shí)體建模環(huán)境具有高度的一致性，具有一定的推廣價值，有利于VR技術(shù)應(yīng)用于其他農(nóng)用機(jī)具的設(shè)計與更新。