基于Maya的智能制造仿真系统研究

周艳聪 黎屹杰 张 波 胡德计

（天津商业大学信息工程学院，天津300134）

1 概述

社会经济的快速发展使得制造业的成本不断增加，迫使制造业从人工和半自动化的生产方式向着智能制造升级，智能制造作为新兴领域的出现意味着制造业需要注入更多新鲜血液，而目前传统的教学无法满足智能制造教学目的。同时，制造业是精度要求极高的行业，任何一丝瑕疵都可能导致整个生产链出现问题，每一个假设的合理性都需要无数次试验来证实，仿真模型的出现大大减小了试验的操作难度。智能制造仿真系统运用虚拟仿真技术构建智能制造工厂线，最大程度还原智能制造过程。通过产品设计和加工过程虚实结合系统展现产品零部件制造工艺过程、智能制造设备及制造控制系统[1]。

2 虚拟仿真技术

虚拟仿真技术是近几年非常流行的计算机技术，是通过建立一个计算机系统模仿一个现实生活中真实系统的技术，通过创建与人类感官系统交互的虚拟空间，克服现实世界的空间和物理约束，提供一种间接的体验[2]。其在计算机中实现现实世界的再现，进而使人们能从不同的视角获得更高层次的感觉信息。近年来，虚拟仿真技术已经逐渐出现在各个领域并大放异彩，在诸多领域中的使用都获得了意想不到的收获。Maya 是现在最为流行的顶级三维动画软件，在国内外绝大多数的视觉设计领域都占有一席之地。本文通过Maya 软件建立智能制造工厂虚拟仿真模型并进行演示型研究设计。通过模拟仿真系统，可以了解智能制造系统的工作原理和加工流程，既降低了生产成本，又提高了生产效率。

3 智能制造仿真系统建模

3.1 总体模型设计。项目整体建模过程主要包括建模、装备、动画、渲染几个环节。其中最常用三维建模方法有：Polygon 多边形建模、Nurbs 曲面建模、Subdivision 细分曲面建模。多边形建模是目前发展最为完善和广泛的建模方法，也是Maya 建模的优势项目。智能加工工厂模型的制作，首先需要分析每个机器的大体结构，然后分析各个机器结构的比例，最后进行模型制作[3]。此次智能加工工厂的模型，共涉及五个模型，其中四个固定模型，一个运动模型。总体结构如图1 所示。

图1 智能加工车间整体模型

3.2 分模型介绍。3.2.1 运输装置。运输装置是唯一一个可以灵活移动的模型，负责运输材料。将材料放在顶部的装载器内，运往其余各个固定模型。先创建一个立方体作为底座，复制两次立方体、调整大小后通过布尔差集计算得到装载器的一半，复制并按Y 轴旋转180°得到一个完整的装载器，复制2 次放置在底座上，完成材料传递装置的制作。如图2 所示。3.2.2 材料架。材料架的作用是存取材料。通过一个轨道在水平方向移动到目标水平位置，再通过竖直轨道上移动的可旋转夹子将材料在材料架与运输装置之间传递。通过简单的立方体组合制作材料架子，原材料是圆柱体，调整适合大小后放在第三层。复制原材料在圆柱体插入三条循环边，选中中间循环边并收缩、圆滑显示得到加工完成的材料并放在第二层。创建三个圆柱体调整方向大小作为水平轨道，两侧用两个立方体作为固定块，轨道中间再放一个立方体作为移动竖直轨道的移动块与固定块，用一个圆柱体作为竖直轨道。创建一个立方体，两侧做挤出并收缩挤出的边，稍作调整后与一个圆柱体结合再与竖直轨道做布尔差集计算完成材料夹的制作。如图3 所示。3.2.3 打磨台。打磨台的作用是打磨材料。新建两个立方体作为底座，上方横着放一块立方体，立方体上插入六条循环线，选中相应面拉住并插入一个圆柱（做模型主体），上方一侧放一个立方体与圆柱的结合、圆柱的一面添加三个微型立方体起固定作用，另一侧放一个立方体与圆柱做布尔差集计算后的多面体并用一个圆柱体连接，使其能通过圆柱的旋转而水平移动。再创建一个立方体设置成材料夹大小，插入两条循环边将两侧拉出一段距离，中间放置两个圆柱作为材料夹的连接处使得材料夹可以灵活旋转，材料夹在材料架中复制即可。材料夹的移动架先建立一个立方体做支架，支架上安装一个圆柱以供移动轨道可以自由旋转，移动轨道上放置一个细圆柱以便滑动，用三个立方体将移动轨道与上述材料夹连接起来。3.2.4 雕刻台。雕刻台的作用是为打磨好的材料进行雕刻。先新建一个立方体底座，底座上再建一个立方体做工作台，工作台上放一个圆柱做旋转作用，圆柱上放一个圆片做承载台，承载台上放置三个微型立方体起固定作用。雕刻装置用一个立方体中间插入两条循环线，选择中间的面向后移动作为底座，底座上放置两个立方体分别作为固定块与移动块，固定块上放置一个圆柱体控制移动块的移动。新建一个圆锥用来制作雕刻材料的针，把圆锥底面尽量小的缩放，圆锥高度缩放到相当于材料夹装置高度的1/3，后新建一个圆柱体连接雕刻针、移动台和固定块上的圆柱。材料的移动架复制打磨台的即可。打印台作用是在材料上雕刻文字。新建一个圆柱作为底座，圆柱上方圆面放置一个立方体与圆柱体的结合体（一），结合体的圆柱部份提供旋转功能。支架用三个立方体做适当调节组合而成，复制两次上述结合体，结合体（二）连接支架上端，结合体（三）沿Z 轴旋转180°之后通过一个圆柱体与（二）相连，中间圆柱体可以使结合体（三）前后伸缩。最后复制材料架中的材料夹与结合体（三）结合完成打印台模型制作。

图2 运输装置图

图3 材料架图

4 结论

智能制造仿真系统在现实中意义重大。通过仿真系统，在生产加工之前，仿真建模的产品可以被提前看到，以便了解产品的结构及组成，了解产品生产加工的过程与步骤。与三维设计图纸相比，智能制造仿真系统具有更形象、逼真的动态运行展示效果，仿真结果可指导生产线的建设与优化，并在接受运营数据后还可对生产线进行持续迭代的优化[4]。因此，可贯穿于智能制造工厂整个生命周期的智能制造仿真系统，在制造业的前景不可估量。如何建立更加精准的模型，使模型间配合更流畅，使智能制造车间模拟得更加逼真，将是我们下一步的重点工作。