汽车发动机典型零件的加工工艺虚拟仿真系统研究

任小萍

（西安航空职业技术学院 陕西 西安 710089）

引言

虚拟仿真是一种借助计算机对现实环境进行模拟的智能技术，能够在计算机系统中创建出与现实世界大致相同的环境，是实现虚拟想象与现实世界连接的重要途径[1]。在虚拟仿真环境中，用户主要通过视觉、听觉以及感官等人体感知能力实现与虚拟世界之间的交互[2]。目前，在汽车发动机构造展示方面，主要采用PPT、Flash等传统展示方法，无法将较为复杂的汽车发动机典型零件加工工艺进行清晰展示。从而导致教师在向学生传授机械知识时，对汽车发动机典型零件加工工艺的描述太过复杂化，学生无法在教学过程中与教者之间进行互动，学者难以从本次学习中获取到真实有效的知识。基于此，本文就将引入Unity3D虚拟仿真技术对汽车发动机典型零件加工工艺虚拟仿真系统进行设计研究[3]，以此期望为高校机械知识教学领域起到有效促进作用。

1 系统设计目标与思路

本次系统设计的主要目的在于简化汽车发动机典型零件加工工艺教学，使教者能够以简单明了的方式让学生掌握整个加工过程的相关知识，以此提高汽车发动机典型零件加工工艺教学的有效性，促进我国机械领域高速发展。对此，为实现上述的设计目标，本文将采用多个二维场景及三维场景组合的方式，对汽车发动机典型零件加工工艺虚拟仿真系统进行设计。其中，二维场景主要借助UGUI界面与C++语言结合的方式，实现对UI（User Interface）界面的设计；三维场景主要通过3个步骤达到生动逼真的场景效果设计[4-6]。首先，利用SolidWorks建模软件建立起相应的汽车发动机典型零件模型，并通过3DSMAX将该模型转化为FBX格式；其次，通过C++语言对该模型进行控制设计，以此形成三维场景交互模式；最后，利用Unity3D软件自身所带的各项先进功能，如烘焙技术、渲染系统、Phys X物理引擎等，对三维场景进行渲染，以此形成生动逼真，演示效果真实的三维场景，为学生提供更为生动、逼真的虚拟仿真学习环境。

2 系统功能模块设计

根据上述的设计目的，在系统功能设计方面，本文将其划分为理论知识模块、加工仿真演示模块以及考核模块。其中，理论知识模块主要是对汽车发动机曲轴以及气缸体两大零部件相关知识进行介绍，如零件介绍、工艺卡片以及零件图等；加工仿真演示模块是整个仿真系统的关键所在，该模块主要是对汽车发动机典型零件中的曲轴及气缸体的加工工艺进行仿真演示；考核模块主要是对前两部分功能所介绍及演示的知识进行检验。具体汽车发动机典型零件加工工艺虚拟仿真系统功能模块设计框图如图1所示。

图1 系统功能模块设计框图

2.1 理论知识模块

汽车发动机典型零件曲轴及气缸体在加工之前，必须在充分掌握相关零件图纸及零件理论知识的基础上，对零件加工工艺规章进行制定。对此，为了使本文所设计的汽车发动机典型零件加工工艺虚拟仿真系统具备一套完善的教学知识体系，理论知识功能模块将包含发动机零件加工之前需掌握的一切关键理论知识。理论知识功能模块主要由零件介绍、工艺卡片、零件预览、零件图以及刀具介绍5部分组成，能够让学生全面地认识到曲轴及气缸体这两大零件的相关理论知识，为其在后续加工仿真演示模块学习中打下基础，以此提高学生对发动机典型零件构造的熟悉程度。

2.2 加工仿真演示模块

加工仿真演示模块主要是对曲轴及气缸体两大零件加工过程进行动态仿真演示。加工仿真演示模块主要由零件的工艺路线演示，每道工序的工序卡片演示，工艺参数检验以及加工过程动态仿真效果展示组成。其中，零件工艺路线演示部分主要是对汽车发动机典型零件曲轴及气缸体生产工艺路线进行仿真演示，使学生充分掌握该零件生产过程主要线路；每道工序的工序卡片部分主要为学生提供相应的工序内容，便于学生自行进行参数计算与选取；工业参数检验部门则是对学生计算与选择完毕的参数进行检验，确定该参数是否具备合理性；加工过程动态仿真效果演示部分则是对曲轴及气缸体加工过程进行动态演示。

2.3 考核模块

设置该模块的目的是对学生掌握基本的机械零部件加工工艺参数，并根据学习的知识，对发动机典型零件曲轴及气缸的知识进行测试。对此，设计加工工序编制，加工工艺路线测试和试卷测试等部分。

3 系统实现

3.1 点击触发实现

用户在借助鼠标及相关硬件点击UI界面按钮功能后，引发的相关功能效果就是点击触发事件。在本文所设计的汽车发动机典型零件加工工艺虚拟仿真系统中，想要将理论知识模块以及加工仿真演示模块得以清晰展示，都需借助点击触发事件得以实现。在点击触发事件设计方面，本文主要通过两方面对其进行实现。一方面，利用UGUI模块对该系统功能界面按键外观及文字进行设计；另一方面，在UGUI模块完成按键设计后，采用Unity3D自带组件库对其进行控制。其中，在按键外观素材方面，主要采用Unity3D软件具备的图片素材，或者是开发者所喜爱的图片素材；按键文字设计方面，则采用Unity3D软件中特有的文字编辑器Text文本，对按键文字进行编辑。同时，借助Inspector属性面板对触发按键字体、颜色、大小等进行相应的调整，使整个按键外观达到新颖、鲜明、整洁等特点。在完成一系列按键设计之后，再利用Unity3D组件库中Inspector属性面板完成对按键添加Button组件的设计，实现系统点击触发事件功能。具体Button组件赋予如图2所示。

3.2 加工工艺参数检验

学生在完成汽车发动机典型零件加工工艺理论知识学习之后，可根据所学知识计算及选取相应的加工工艺参数。而学生计算及选取后的数值是否正确，还需工艺参数检验模板对其进行检验。通常情况下，在传统式虚拟仿真系统的加工工艺参数检验模板中，仅能对较少数量的参数进行识别检验，采用的检验方式也仅根据参数范围最大值及最小值进行识别检验，难以满足汽车发动机典型零件加工工艺这种较为复杂参数检验要求。对此，本文将在汽车发动机典型零件加工工艺虚拟仿真系统中引入数字段分割算法对学生计算与选取参数值进行检验。具体设计过程分为3个步骤：第一，将数字段分割为数字段max值以及数字段min值，并将此数值存储至相应的部位中；第二，对学生计算与选取的加工工艺参数进行检验，若是该数值大于最小值小于最大值，就将该数值返回至true中，反之，则将其返回至false中；第三，使各加工工艺参数保持一致性。具体加工工艺参数检验算法框图如图3所示。

图2 Button组件赋予

图3 加工工艺参数检验算法框图

3.3 加工演示效果实现

虚拟动态加工仿真通过触发时间按钮，从而完成开始、暂停、继续、结束等控制。要实现动态演示加工效果，本文则采用Unity3D三维软件。目前，在引入Unity3D引擎的仿真系统领域中，主要采用两种方法实现系统的仿真动态演示功能。一种是以序列帧方式将制作的3D文件导出，然后以转换为png格式，最后导入Unity3D软件中完成动态演示。在这种模式下，将图片通过Sprite（2D and UI）功能直接转变为2D，然后借助Inspector属性面板，对图片进行分别设置，以设定其播放的顺序。最后将上述的画面拖入到Hierarchy中开始进行动态演示。但是这种方式通常会占用系统很大的内存，导致播放速度变慢。因此，针对上述的问题，本文采用第二种方式，那就是通过Game Object进行加工演示。该方法的原理就是将程序直接挂载大搜场景对象当中，然后通过Inspector属性面板对其记性坐标编辑，进而作为动态演示的屏幕。具体效果如图4所示。

图4 虚拟仿真加工演示界面

4 系统具体应用案例

为验证上述方案的可行性，本文以某发动机气缸体加工过程动态仿真作为实践案例进行仿真验证。在对气缸体零件加工过程进行动态仿真时，主要对该零件的面加工以及孔加工两项工艺进行仿真。其中，面加工工艺中工件表面变形这道工序是仿真技术所面临的主要难点；在对孔加工工艺进行仿真时，直径变化工序是仿真技术面临的主要难点。基于此，本文以下将以气缸孔粗镗加工工艺为例，对气缸体加工过程进行动态仿真。

4.1 工艺参数检验

在气缸体各面的粗加工过程中，主要采用高速铣削技术开展相关的加工工作。因此，在气缸体加工过程的工艺参数检验方面，本文将选用底面粗加工为例，对工艺参数选取与计算进行检验（如图5所示）。

1）切削速度。将高速立式加工中心引入到气缸体底面粗加工过程中，且选择特质优质刀具作为加工使用的主要刀具。通过对该刀具手册的查阅，可将切削速度确定为vc=700m/min。

图5 工艺参数检验界面

2）主轴转速。根据切削理论对主轴转速进行计算，具体计算公式为：

3）进给量。以高速铣削技术加工特点作为基础，在进行到高速铣削加工底面时，采用较少的进给量。

4）设置进给速度，具体计算公式为：

4.2 动态仿真

以气缸孔的实现为例，气缸体的各个面孔加工是通过三维软件来实现，而对孔的分布则采用超级布尔分割。其具体的实现步骤为：

Step1：根据加工孔的大小创建圆柱体，然后采用超级布尔分割对孔的位置进行一定的分割；

Step2：对坐标进行定义，将自定义的Y轴与整体坐标系的Y轴的夹角设为30°。同时设定每一帧刀具的位移和每一帧的旋转角度。

Step3：根据刀具的位移，在对应的帧数下借助挤出功能，进而实现粗精镗孔加工。

具体实现效果如图6所示。

图6 实现效果

5 结束语

通过上述的设计，借助Unity3D等三维软件实现了一款可用于机械专业发动机零部件加工的仿真学习系统，并给出了部分动态仿真演示界面。而在设计的过程中，针对开发的难点，首先对加工工艺参数设置的准确性进行检验，并给出了检测算法；其次为实现动态效果，引入Unity3D软件对动态进行仿真。而通过上述的设计，为当前汽车发动机零部件的在线学习提供了一种新的借鉴参考。