基于EON数控车床主轴箱虚拟装配技术的研究*

文怀兴，朱效杰

(陕西科技大学 机电工程学院，西安　710021)



基于EON数控车床主轴箱虚拟装配技术的研究*

文怀兴，朱效杰

(陕西科技大学 机电工程学院，西安710021)

虚拟装配是虚拟现实技术的关键技术之一，虚拟现实技术在机械领域的应用极大地促进了机械行业的快速发展。文章以虚拟现实软件EON Studio为研究平台，以MJ-50数控车床主轴箱为研究对象，详细论述了虚拟装配技术的内涵，深入分析了实际生产过程中机械产品研发在装配环节存在的问题。并且以主轴箱的虚拟装配为实例，通过运用EON Studio提供的功能节点和元件，方便地实现了人机交互、装配序列规划、碰撞检测等虚拟装配的关键技术，省去了繁琐的编程工作，很好地解决了上述存在的问题，结果表明虚拟装配技术在企业产品研发方面有广阔的发展前景。

数控车床；主轴箱；虚拟装配

0　引言

随着世界经济的飞速发展和全球工业市场竞争的不断加剧，给企业带来了巨大的压力。目前竞争的焦点主要集中于如何加速新产品的开发、提高产品质量、缩短生产周期等问题。为此，许多新的制造手段和制造技术逐渐产生，如敏捷制造，并行工程等。伴随着网络技术、信息技术和计算机图形技术的发展，又产生了虚拟现实、虚拟装配等技术[1]。装配是企业产品研发的重要环节。传统的装配方式是：在产品全部零部件都生产出来后再进行装配，这无形中增加了产品投放市场的时间。并且这种装配方式，可能会出现以下两种问题：一是产品的设计有误无法进行装配，从而导致产品的重新设计；二是装配过程不合理，需要重新调整产品的装配过程。这两类问题必将导致反复修改设计，多次试装配等，使新产品的研发周期延长，成本提高，不能适应当前制造业的发展和需求[2]。因此，虚拟装配技术对企业产品的研发有着重要的意义。

EON Studio是一款运用虚拟现实技术进行3D对象展示、运动仿真、虚拟装配的多功能软件。它是一个完全基于GUI的设计工具，能够开发出应用于销售、电子商务、机械、建筑以及教育培训等领域的实时3D多媒体应用程序。它采用了智能的操作界面和组件，扩展性强；同时兼顾了专业人员和非专业人员学习虚拟现实技术所需的不同功能和模式的支持；能轻易的与其他3D软件结合，不需要重建模型[3]。

1　虚拟装配技术介绍

虚拟装配是虚拟现实技术的关键技术之一。虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术是计算机图形学、人工智能、计算机网络、信息处理等技术综合发展的产物。它采用以计算机技术为核心的现代科技生成逼真的视、听、触觉等一体化的虚拟环境，用户借助鼠标、键盘或其他外部设备与虚拟世界中的物体进行交互，相互影响，从而产生身临其境的感受和体验[4]。

虚拟装配技术是指在产品设计过程中根据零件的形状特征、精度特征，真实地模拟零件的三维装配过程，它是一门涉及众多学科的新的实用技术，是集先进的计算机技术、传感与测量技术、仿真技术、微电子技术等为一体的综合集成技术[5]。虚拟装配技术的应用将给产品的装配设计带来新的思路。虚拟装配技术应用于可装配性设计，大大避免了因设计不合理而导致制造和装配失败的情况，另外人们在计算机上进行装配工艺规划与仿真以获取较佳的装配工艺方案。

2　数控车床主轴箱虚拟装配的关键技术

数控车床是集机械、电气、液压、微电子学和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。MJ-50数控车床主要用来加工内外圆柱面、圆锥面、螺纹表面等；对于盘类零件可进行钻孔、铰孔、镗孔等加工。主轴箱是MJ-50数控车床的重要组成部分之一，它主要有主轴、主轴箱体、轴承、同步带和带轮、脉冲编码器以及传动密封件等零件组成，其结构如图1所示。

1、6、8.螺母 2.同步带 3、16.同步带轮 4.脉冲编码器 5、12、13、17.螺钉 7.主轴 9.主轴箱体 10.角接触球轴承 11、14.双列圆柱滚子轴承 15.带轮

图1MJ-50数控车床主轴箱结构简图

主轴箱的装配环节在主轴箱的整个生产过程中占有非常重要的位置。

2.1主轴箱三维虚拟模型的建立

三维虚拟模型的建立是虚拟装配的首要步骤。传统的CAD软件(如Pro/E、SolidWorks、UG等)在建模方面功能已比较完善，而虚拟现实软件在建模方面有一定的局限性，所以采用在SolidWorks中建立三维模型，然后再导入到虚拟环境中。EON Studio利用其内部的插件转换程序可以轻松导入绝大多数3D软件(如3DS Max、Lightwave、AutoCAD、SolidWorks等)制作的三维模型，不需要重建模型，也不需要利用其它格式转换软件，有效地解决了不同格式的模型不兼容的问题。在SolidWorks中建立的主轴箱三维模型如图2a所示，将其导入到EON Studio中并且设置虚拟环境，效果如图2b所示。

(a)SolidWorks中建立的主轴箱三维模型

(b)主轴箱三维模型导入到EON Studio中

2.2虚拟装配序列和装配路径的规划

虚拟装配序列和装配路径的规划是虚拟装配技术的关键技术之一。装配序列是指零部件之间依靠几何关系、物理结构和产品功能所决定的装配顺序。装配是受到了时间和空间约束的行为。时间约束是指零部件的装配是有顺序的，空间约束是指零部件之间装配的几何可行性[6]。传统装配序列规划是通过人的知识和经验进行的，伴随着CAD设计工具的使用，带动了自动计算装配顺序的发展。EON Studio的Log Window(日志视窗)可以记录并保存当前EON Studio的内部操作信息，包括事件、用户指令、脚本流程、调试等。利用日志过滤器将所显示的信息类型设置为Event(事件)，当模拟程序运行结束后，将当前日志视窗的信息存储为.txt文件。然后利用Microsoft Word打开这个文件，并且将其文本转换为表格的形式，就可以清楚地看到EON Studio的内部操作信息，包括Time(时间)、Type(类型)、Description(描述)、Source(来源)、Message(信息)五部分，如表1所示。其中在信息这一部分详细记录了虚拟对象的装配顺序，表1的信息一栏记录的部分零件装配顺序为主轴箱箱体→链板→套筒→双列圆柱滚子轴承。在实际装配过程中，只需按照这个表格的装配顺序来依次完成所有零件的装配，省去了繁琐的人工记录的工作。

表1　日志视窗中虚拟装配序列部分实验数据

装配路径是指零部件在虚拟装配场景中所走过的路径。进行装配路径规划的目的是实现无碰撞、无干涉装配，从而可以保护零部件，并且更快速、更有效的进行虚拟装配。运动轨迹规划无论是对人工装配，还是对机械的自动化装配、柔性装配或机器人装配，都是非常有意义的[7]。EON Studio提供的RecordPath Prototype(记录路径元件)允许用户记录、编辑、保存关键帧路径，利用这个元件可以记录虚拟装配对象的最佳装配路径，既操作简单又准确可靠。主轴箱的装配路径部分数据如表2所示。

表2　主轴箱虚拟装配路径部分实验数据

2.3碰撞检测的设置

碰撞检测是虚拟装配技术的另一项关键技术。碰撞检测的实质就是在同一时刻检测虚拟环境中是否有两个或多个物体占据同一个空间区域[8]。在传统的CAD软件中进行机械产品的装配时，两个零件即使满足某种配合关系仍然会出现穿透现象，而这种情况是不符合实际生产中的装配要求的。因此，碰撞检测在虚拟装配过程中是一个必不可少的环节。目前比较成熟的碰撞检测方法主要有：包围盒法、空间分割法、图像空间法、距离场法、智能算法等。EON Studio中的碰撞检测机理正是基于应用广泛的包围盒法的思想。包围盒法的基本思想是使用比被检测对象体积略大而且形状简单的几何形体(如球体、长方体、凸多面体)包围虚拟环境中几何形状复杂的物体，当对两个物体进行碰撞检测时首先检测这两个物体最外面的包围盒是否相交，如果不相交就说明这两个物体不会发生碰撞，如果相交则对这两个物体进行进一步检测[9]。EON Studio提供了多种与碰撞检测相关的功能节点：Collision Node(碰撞节点)、ConvexCollision Node(凸面碰撞节点)、ConvexCollision Manager Node(凸面碰撞管理节点)、CollisionGeometryType Node(碰撞几何类型节点)。通过对这些节点的简单设置，就可以方便地实现碰撞检测。此外，在两个零件发生碰撞时，必须有明显的碰撞响应，这样用户才能真实地感觉到碰撞的发生。利用EON Studio提供的Script Node(脚本节点)，可以很好地实现碰撞响应[10]。Script节点是EON Studio节点中功能最强大的节点，这个节点允许利用VBScript或者Jscript来创建自定义的节点，这两种脚本语言已经包含在了安装程序中。文中利用VBScript脚本语言编程来实现两个零件碰撞后颜色发生变化的功能。下面是部分VBScript编程代码：

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，还可以利用Sound Node(声音节点)使两个物体碰撞时发出声音，这样用户就可以从视觉和听觉两个方面更加真实地感受到碰撞的发生。以带轮与主轴箱体之间的碰撞检测为例：在没有设置碰撞检测时，带轮穿入了主轴箱体，出现了穿透现象如图3a所示；在设置碰撞检测后，带轮没有穿入主轴箱体，而是停在了与主轴箱体碰撞时的位置，并且带轮颜色由蓝色变成了红色，主轴箱体颜色由绿色变成了黄色，同时听到“砰”的碰撞声，如图3b所示。

(a)碰撞检测前带轮穿入主轴箱　　　(b)带轮未穿入主轴箱体

2.4人机交互性的设置

EON Studio提供了多个功能节点(如Motion节点、Walk节点、Keymove节点、WalkAbout节点等)可以使用户与虚拟对象之间方便地进行人机交互。其中Walk节点和WalkAbout节点是两个最常用的节点，系统默认Walk节点在Camera节点下。通过对该节点的简单设置，配合鼠标的左、右键就可以在虚拟环境中实现前后、左右、上下行走的效果。WalkAbout节点也是用来实现虚拟对象运动的，它与Walk节点的不同点在于;它是用键盘进行操作控制，而Walk节点是用鼠标或者操作杆进行操作控制的。WalkAbout节点的用法较简单：将该节点拖动到SimulationTree(仿真树)下，然后双击该节点在弹出的属性框中即可以设置键盘的控制按键、行进的速度、转动的角度等。通过使用Walk节点和WalkAbout节点，用户可以通过鼠标和键盘方便地操作控制虚拟对象，以便进一步观察、分析物体的内部结构、组合方式、装配顺序等重要内容。

2.5多角度观测和多窗口播放的设置

在主轴箱的虚拟装配过程中，由于其内部结构复杂、组成部件众多，不可能从一个角度全面了解其装配信息。因此，需要从多个角度和多个窗口来全面认识主轴箱的整个装配过程。EON Studio可以方便地设置多角度观测以及多窗口播放。将Place Node(放置节点)复制到Camera Node(相机节点)下，然后设置观测的位置和角度，就可以轻松地实现多角度观测如图4a、图4b所示。EON Studio提供的Viewport Node(视窗节点)能够在仿真窗口中出现多个视窗，这些视窗从不同的角度显示了主轴箱虚拟装配的过程，如图5所示。

图5　多窗口播放

2.6其他辅助功能的设置

(1)ToolTip Node(提示节点)可以为三维虚拟模型添加必要的辅助文字说明，当鼠标经过该模型时，变成了小手形状，按下鼠标左键即可看到提示文字。利用该节点，用户可以很快地熟悉复杂物体是由哪些零部件组成的。

图6　辅助功能设置的窗口

(2)PopupMenu Node(菜单节点) 向用户提供了一个菜单目录，用户可以将多个功能整合在一个菜单下，方便管理。这里所说的菜单具有用高级语言编程得到的菜单对话框的功能，然而它不需要编程，只需简单的设置，从而给用户的应用模拟程序方便地添加了一种交互性。设置的菜单如图6所示，单击“虚拟装配”按钮就会弹出一个菜单，再单击某一项子菜单就会执行相应的指令。

(3)2DImage node(图像节点)允许用户在EON Studio的3D渲染窗口显示图像，使仿真窗口更加逼真，如图6左上角显示了MJ-50数控车床的整体外观图。

(4)TextBox Node(文本节点)可以在模拟场景中为用户提供必要的文字信息。当用户打开仿真窗口时，文本信息出现在仿真窗口的界面上，帮助用户快速地了解到重要的操作信息，如图6右上角显示的文字所示，这些信息可以帮助用户了解到如何与虚拟对象进行交互。

(5)MultimediaStream Node(多媒体节点)允许用户在仿真窗口中播放与装配相关的视频，使用户更加全面的了解装配信息。Sound Node(声音节点)可以将讲解的音频嵌入到模拟程序中。通过多媒体节点和声音节点的应用，用户可以从视觉和听觉上更加全面的认识虚拟装配的重要内容。

3　结论

数控车床主轴箱是数控车床的重要部件之一，主轴箱的装配环节是其研发过程的最后也是最重要的环节。虚拟装配技术的应用有助于促进主轴箱等重要机械产品装配环节的研发，既可以缩短生产周期又节约成本。EON Studio是一款优秀的虚拟现实软件，通过对其功能节点和元件的简单设置，就可以完成虚拟装配序列与路径的规划、碰撞检测、人机交互等虚拟装配的关键环节。以EON Studio为研发平台的虚拟装配技术，既可以应用于机械产品装配环节的研发又可以应用于企业和高校的教育培训、虚拟维修等方面，具有重要的实用价值。

[1] 王伟，张鹏，刘庆云.制造业中虚拟仿真技术的发展研究[J].组合机床与自动化加工技术，2013(7)：1-4.

[2] 孙福臻，阎勤劳，单忠德,等. 机械虚拟现实技术的应用与发展[J].机械设计与制造，2010(5)：264-266.

[3] 于辉,赵经成,付战平,等.EON入门与高级应用技巧[M].北京：国防工业出版社,2008.

[4] 薛强, 孙文磊, 曹玉山,等. 基于虚拟现实技术的风力发电机齿轮箱的虚拟装配的研究[J].机床与液压，2010,38(9)：76-79.

[5] 邓逸辰，范秀敏，邱世广.基于装配约束动态创建的虚拟装配技术研究[J].组合机床与自动化加工技术，2014(7)：124-128.

[6] 李静,白姗姗,赵春蕾. 汽车离合器盖总成检测试验台虚拟装配系统研究[J].机械设计与制造，2014(9)：225-227.

[7] 张王卫，苏群星，刘鹏远，等. 虚拟维修拆卸路径规划关键技术研究[J].计算机仿真，2012,29(11)：28-33.

[8] 刘爱华，周建钊，徐肖攀，等. 基于EON的虚拟拆装碰撞检测算法[J].解放军理工大学学报:自然科学版，2014,15(1)：62-66.

[9] 侯伟伟，宁汝新，刘检华. 虚拟装配中基于精确模型的碰撞检测算法[J].计算机辅助设计与图形学学报,2010,22(5):797-802.

[10] 方传磊,苏群星,刘鹏远,等. EON中基于Script的功能扩展研究[J]. 科学技术与工程,2008,8(3):799-801.

(编辑李秀敏)

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

国家科技重大专项(2009ZX04001-014)；陕西省教育厅科技计划项目(11JK0867)

文怀兴(1957—)，男，陕西咸阳人，陕西科技大学教授，硕士生导师，工学博士，研究方向为机械制造及自动化，虚拟现实技术，(E-mail)zhuxiaojiely@126.com。

TH166;TG506

A