基于虚拟仿真的外流式压力机械设备的三维设计与加工

2021-03-03

制造业自动化 2021年2期

（湖北工业大学，武汉 430068）

0 引言

机械设备的设计是机械设计过程中最为重要的部分，近年来为了减少机械设备各个组件之间的摩擦对设备正常运行的影响，提出许多解决方案与应对措施，其中最为有效的就是设计三维模式的外流式压力机械[1]。传统的外流式压力机械设备的三维设计虽然在原有基础上降低了机械设备各个组件之间的摩擦，但是无法模拟机械设备工作运行的情况，一旦出现疏忽在机械后期的实操步骤时，会出现机械设备组件连接不当，必须返工才可以处理，浪费机械设备的材料，也降低机械设备的制作效率，导致机械运行过程中的摩擦不能完全消除。

虚实模拟技术，即用一个系统模拟另一个实际系统的技术。实际上，虚拟仿真是一个计算机系统，它可以创造和体验虚拟世界，这种由计算机生成的虚拟世界，可以是真实世界的再现，也可以是构思中的世界，使用者可以通过各种感知渠道，如视觉、听觉和触觉，与虚拟世界进行自然的互动[2]。该系统通过头盔显示器、数据手套等辅助感测设备，为用户提供了一个观察与虚拟世界互动的三维界面，使用户能够实时地反映实体物体的变化和相互作用，从而使用户能够直接参与和探索模拟物体在所处环境中的作用和变化，从而产生沉浸感。虚拟现实技术结合了许多高科技，如计算机技术、计算机图形学、计算机视觉、视觉生理学、视觉心理学、仿真技术、微电子技术、多媒体技术、信息技术、立体显示技术、传感和测量技术、软件工程、语音识别和合成、人机交互、网络技术和人工智能技术。它的逼真性和实时性为系统仿真技术提供了强有力的支持。

综上所述，本文提出了基于虚拟仿真技术的外流式压力机械设备的三维设计与加工的方法，建立三维模型，通过建立的三维模型实现信息分析，提高机械设备的质量合格率和运行效率。

1 基于虚拟仿真的外流式压力机械设备的三维建模

外流式压力的原理是为机械设备构建一个完全封闭的环境，使机械设备内部不与外界空气接触，避免外界因素对机械设备的干扰和损害，降低组件间的摩擦，提高机械设备的工作效率和使用周期。为了保证机械设备外流式压力环境的封闭度，本文通过机械设备运行过程中的动量、动能数值进行权衡计算，检验外流式压力的强度[3]。压力机械设备模型如图1所示。

机械设备的三维建模模型在机械设计过程中尤为重要，传统的机械设设计的核心是图纸，但是图纸的工作效率低，并且精度低，容易出现机械返工的情况，就会增加设计者的工作量。为此本文提出建立外流式压力机械设备的是三维模型，在设计过程中可以实时更改，提高工作效率，减去制作过程中不必要的麻烦。

图1 压力机械设备模型

在外流式压力机械设备的三维建模过程中，机械设备组件的管端托架、轴承、棒条、旋翼、主轴、螺栓、各个表面、机械转带型号以及机械各个组件之间的间隙大小都十分关键，都要十分精确，不可疏忽。压力机械设备零件结构如图2所示。

图2 压力机械设备零件结构

为了保证外流式压力机械设备内部组件之间的空隙大小，经过研究人员的分析，机械设备必须满足动能守恒，才能保证机械设备各个组件之间的紧密度，保障外流式压力机械设备的工作效率。因此本文融合物体质量守恒定律、动量守恒定律，总结出机械设备的动能守恒公式，具体公式如下所示：

具体的外流式压力机械设备的三维建模流程如图3所示。

图3 外流式压力机械设备三维建模流程

根据图3可知，本文提出的三维建模流程主要分为四步，具体的工作流程步骤概括如下。

第一步：对需要建模的机械设备进行结构分析，选取四个主要曲面、两个平面以及一个圆柱面作为三维建模的关键固定基准面，在关键面上确定一个中心点为三维建模坐标零点0（0.0.0），则三维模型的三个基准面分别为XY平面、XZ平面、YZ平面。建立的三维坐标模型如图4所示。

图4 三维坐标模型

第二步：建立三维模型的框架后，根据机械设备的性能需求和规格要求，设置机械设备的圆弧大小、旋翼正反面大小、曲面与正面之间的连接点位置，侧壁的两端点位等一些关键点。关键点合理设计好后，连接所有的关键点，在三维模型中，合理分配机械设备的各个区域，绘制初步的外流式压力机械设备的三维模型图纸。

第三步：本文设计的质量守恒方程对建立的外流式压力机械设备的三维模型进行二次检验，如果出现组件不守恒的问题，应该进行及时的修改。

第四步：修改完成后，按照最终修改的外流式压力机械设备的三维模型，重新固定打孔点、对点、设置连接螺纹点等其他关键点，最后创建完成三维模型的创建[4,5]。基于虚拟仿真的外流式压力机械设备的模型如图5所示。

图5 基于虚拟仿真的外流式压力机械设备模型

将图5的外流式压力机械设备模型应用到三维坐标内，得到的结果如图6所示。

图6 三维坐标下的外流式压力机械设备模型

2 基于虚拟仿真的外流式压力机械设备的三维加工

虚拟仿真技术的工作原理是在建立机械设备运行的三维真实场景后，通过借助部分软件完成三维模型的驱动，构建机械设备需要的三维运动场景，实现设计的初步模拟使用。虚拟仿真环境和真实的机械设备运转效果不存在实质性的差别，如果在模拟环境中发现问题，可以及时修改，减少设计麻烦。

虚拟仿真技术具有可变性和高效性，即使在环境内二次修改设计，也仅仅损失一个虚拟仿真环境，重新构建即可，不会带来任何损失。虚拟仿真技术模拟环境下的外流式压力机械设备运行真实性强，可视化效果好，是代替真实外流式压力设备运行的最好选择。因此本文选择虚拟仿真技术，对外流式压力机械设备进行进一步的三维加工，提高机械设备的工作效率，并解决机械设备运行中的小问题。

对于外流式压力机械设备的三维加工工作，基于虚拟仿真技术首先导入建立的三维模型，然后通过模型控制和动画实现方法，对外流式压力机械设备的三维模型进行修改，修改完成后对机械设备的相关部位进行三维加工，提高机械设备的工作效率和质量合格率[6]。

底面加工分为底面圆角加工和尖角加工，两者的区别是加工机械设备底面呈现的形状不同，其他加工程序都相同。首先选择对应底面的工具和相同大小的底面切盘，加工过程分为铣床、钻床、攻牙机三个步骤。在加工初期找到底面的底盘中心点，然后钻孔，钻口的直径误差不能超过0.5mm，钻床分别在机械设备的底面钻出螺槽（长宽公差不可超过0.5mm）和踩杯头（高度公差不可超过0.02mm）。攻牙机分别将外流式压力机械设备的底面加工攻牙M4、M5、M6卡槽，攻牙的气压为3Pa～4Pa。加工结果如图7所示。

图7 压力机械设备的三维加工结果

根据图7可知，螺纹加工首先选择合适的丝锥、攻丝和勾勒工具。加工过程分为螺纹切削、螺纹铣削、螺纹磨销、螺纹研销、攻丝和套丝。螺旋切削是对机械设备进行大致形态的切割，留出余剩部分，为接下来处理留出加工余地。螺旋铣削使用铣刀对螺旋进行铣削。螺纹磨销是将外流式压力机械设备的螺旋通过砂轮加工，使螺旋具有精密的螺纹，提高设备的紧和度。螺纹研磨是利用软材料对机械设备的螺旋进行正反研磨，提高螺旋的精度。攻丝是利用扭矩将机械设备的低空加工出螺纹，套丝指的是利用板牙在设备的管料上切出螺纹。

外流式压力机械设备的三维建模模型是机械设备加工处理的基础，只有对外流式压力机械设备进行全方面的分析和驱动运行实验，才可以准确地得到机械设备各个组件所存在的不足。因此基于虚拟仿真的外流式压力机械设备的三维加工流程如图8所示。

图8 基于虚拟仿真外流式压力机械设备的三维加工流程

根据图8可知，首先将机械设备建立的三维模型导入虚拟仿真环境中；然后对三维模型进行自主控制操作，通过动画效应观察虚拟仿真环境下模型的变化；最后根据外流式压力机械设备的三维模型运动情况，总结出机械设备组件存在的故障问题，分别采用相对应解决方法进行加工。

3 实验研究

为了检测本文提出的基于虚拟仿真的外流式压力机械设备的三维设计与加工方法的有效性，与传统的基于视觉传达的外流式压力机械设备的三维设计与加工方法，基于三维视觉的外流式压力机械设备的三维设计与加工方法进行对比实验，设定的实验参数如表1所示。

表1 实验参数

根据上述参数，选用本文提出的基于虚拟仿真的外流式压力机械设备的三维设计与加工方法的有效性，与传统的基于视觉传达的外流式压力机械设备的三维设计与加工方法，基于三维视觉的外流式压力机械设备的三维设计与加工方法进行对比实验，三维参数与实际参数的实验结果吻合度如图9所示。

图9 三维参数精准度实验结果

根据图9可知，本文提出的基于虚拟仿真的外流式压力机械设备的三维设计与加工方法获取参数的精准度要高于传统方法的参数，本文提出的三维设计与加工方法具备三维绘制能力，本文研究的仿真方法等待时间较少，选择平衡公式，通过对简单机械设备进行仿真，提高计算机性能。

加工时间如表2所示。

表2 加工时间

分析表2可知，本文提出的加工方法加工时间最少，本文提出的加工方法机械设备的侧壁加工首先根据三维模型对设备的压模制定侧壁加工策略，然后采用合适的刀具，侧壁加工的方式分为顺时针铣和逆时针铣，铣刀时要对侧壁进行选线、设置机械设备的偏移量和顶部偏移量。在侧壁的两端要选择最小型号的刀具，勾勒侧壁的线条。机械设备的正面加工在加工初期选择合适的切割工具，然后根据三维建模模型设计加工示意图，然后由上至下、由左到右进行加工。