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(jì)

（天津商業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津300134）

1 概述

社會(huì)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(dòng)化的生產(chǎn)方式向著智能制造升級(jí)，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(wú)法滿足智能制造教學(xué)目的。同時(shí)，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(gè)生產(chǎn)鏈出現(xiàn)問(wèn)題，每一個(gè)假設(shè)的合理性都需要無(wú)數(shù)次試驗(yàn)來(lái)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(guò)程。通過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工過(guò)程虛實(shí)結(jié)合系統(tǒng)展現(xiàn)產(chǎn)品零部件制造工藝過(guò)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(jì)算機(jī)技術(shù)，是通過(guò)建立一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模仿一個(gè)現(xiàn)實(shí)生活中真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)，通過(guò)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(jì)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(jué)信息。近年來(lái)，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)逐漸出現(xiàn)在各個(gè)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(jí)三維動(dòng)畫軟件，在國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)的視覺(jué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域都占有一席之地。本文通過(guò)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(jì)。通過(guò)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(jì)。項(xiàng)目整體建模過(guò)程主要包括建模、裝備、動(dòng)畫、渲染幾個(gè)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(shì)項(xiàng)目。智能加工工廠模型的制作，首先需要分析每個(gè)機(jī)器的大體結(jié)構(gòu)，然后分析各個(gè)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(gè)模型，其中四個(gè)固定模型，一個(gè)運(yùn)動(dòng)模型?？傮w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(gè)可以靈活移動(dòng)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(gè)固定模型。先創(chuàng)建一個(gè)立方體作為底座，復(fù)制兩次立方體、調(diào)整大小后通過(guò)布爾差集計(jì)算得到裝載器的一半，復(fù)制并按Y 軸旋轉(zhuǎn)180°得到一個(gè)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(guò)一個(gè)軌道在水平方向移動(dòng)到目標(biāo)水平位置，再通過(guò)豎直軌道上移動(dòng)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(guò)簡(jiǎn)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(gè)圓柱體調(diào)整方向大小作為水平軌道，兩側(cè)用兩個(gè)立方體作為固定塊，軌道中間再放一個(gè)立方體作為移動(dòng)豎直軌道的移動(dòng)塊與固定塊，用一個(gè)圓柱體作為豎直軌道。創(chuàng)建一個(gè)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(gè)圓柱體結(jié)合再與豎直軌道做布爾差集計(jì)算完成材料夾的制作。如圖3 所示。3.2.3 打磨臺(tái)。打磨臺(tái)的作用是打磨材料。新建兩個(gè)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(gè)圓柱（做模型主體），上方一側(cè)放一個(gè)立方體與圓柱的結(jié)合、圓柱的一面添加三個(gè)微型立方體起固定作用，另一側(cè)放一個(gè)立方體與圓柱做布爾差集計(jì)算后的多面體并用一個(gè)圓柱體連接，使其能通過(guò)圓柱的旋轉(zhuǎn)而水平移動(dòng)。再創(chuàng)建一個(gè)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(gè)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(dòng)架先建立一個(gè)立方體做支架，支架上安裝一個(gè)圓柱以供移動(dòng)軌道可以自由旋轉(zhuǎn)，移動(dòng)軌道上放置一個(gè)細(xì)圓柱以便滑動(dòng)，用三個(gè)立方體將移動(dòng)軌道與上述材料夾連接起來(lái)。3.2.4 雕刻臺(tái)。雕刻臺(tái)的作用是為打磨好的材料進(jìn)行雕刻。先新建一個(gè)立方體底座，底座上再建一個(gè)立方體做工作臺(tái)，工作臺(tái)上放一個(gè)圓柱做旋轉(zhuǎn)作用，圓柱上放一個(gè)圓片做承載臺(tái)，承載臺(tái)上放置三個(gè)微型立方體起固定作用。雕刻裝置用一個(gè)立方體中間插入兩條循環(huán)線，選擇中間的面向后移動(dòng)作為底座，底座上放置兩個(gè)立方體分別作為固定塊與移動(dòng)塊，固定塊上放置一個(gè)圓柱體控制移動(dòng)塊的移動(dòng)。新建一個(gè)圓錐用來(lái)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(gè)圓柱體連接雕刻針、移動(dòng)臺(tái)和固定塊上的圓柱。材料的移動(dòng)架復(fù)制打磨臺(tái)的即可。打印臺(tái)作用是在材料上雕刻文字。新建一個(gè)圓柱作為底座，圓柱上方圓面放置一個(gè)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(gè)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(guò)一個(gè)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(tái)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(guò)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(guò)程與步驟。與三維設(shè)計(jì)圖紙相比，智能制造仿真系統(tǒng)具有更形象、逼真的動(dòng)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(yíng)數(shù)據(jù)后還可對(duì)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(gè)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。