虚拟现实技术在机床夹具课程中的应用与实现

机床夹具结构形状复杂，内容抽象，在机床夹具设计课程中采用传统的教学方式令学生难以理解和掌握。针对存在的现状，将虚拟现实技术应用到课程教学中，依据课程教学目标，以虚拟现实软件EON Studio为开发平台，开发了机床典型夹具虚拟拆装系统。系统采用Pro/E软件创建了夹具零部件三维实体模型，运用EON Studio提供的功能节点和元件，实现了人机交互、零部件拾取和拖放，碰撞检测，网上发布等关键技术。实践证明，在機床夹具设计课程教学中应用虚拟现实技术能够提高教学效果，具有较高的实用价值。

【关键词】虚拟现实技术 机床夹具 EON Studio 虚拟拆装

《机床夹具设计》课程是高等职业院校机械类专业的一门重要专业课，具有很强的实践性、应用性，名词术语多、结构复杂等特点；学生在学习过程中容易产生枯燥乏味、思路不清难以理解的感觉。目前该课程教学一般是课堂讲解并结合实物展示、挂图、多媒体软件等辅助手段进行，学生被动接受知识，很难对课程产生兴趣。如果在课程中引入虚拟现实技术，为学生提供逼真、直观可重复拆装的夹具训练虚拟系统，学生通过在虚拟环境中亲手拆装夹具，有助于学生掌握机床夹具设计的内容和方法，提高教学效果。

虚拟现实技术是以计算机技术为核心，集成了计算机图形学、仿真技术、人工智能技术、网络技术、传感技术和并行处理技术等多项技术，具有视觉、听觉、触觉等一体化的虚拟环境，给用户提供了一种身临其境的体验，并且用户可以通过多种传感设备与虚拟世界中的物质进行交互。目前，虚拟现实技术已广泛应用于航空航天、军事训练、医学、娱乐、建筑、教育培训等众多领域，在教育领域虚拟现实技术具有更广泛的作用和影响。EON Studio是美国EON Reality公司开发的专业虚拟现实软件，具有使用简单，节点功能丰富，对常用三维建模软件支持较好，交互功能和图形处理功能强大，模拟程序文件小，程序发布方便等优点。本文应用EON软件制作了典型机床夹具虚拟拆装系统，将虚拟现实技术应用到机床夹具设计教学中进行了有效尝试。

1 系统具有的功能和实现的教学目标

1.1 系统具有的功能

典型机床夹具一般包括：铣夹具、车夹具、镗夹具和钻夹具等类型，夹具又由夹具体、定位装置和夹紧装置、对刀装置等组成。系统针对典型机床夹具设计了菜单项和弹出菜单，菜单项列出了四种典型机床夹具，每种夹具选用一个生产实际中比较典型的实例，弹出菜单列出虚拟拆卸、装配和结构图等功能，结构图包括了夹具的二维图片和夹具三维分解图片。当运行中需要停止或退出时单击相应按钮，按住滚轮并拖动可以从不同视角观察实物。另外，系统还配有文字提示，当鼠标经过定位装置和夹紧装置时，变成了小手形状，按下鼠标左键即可看到提示文字，使学生能很快地熟悉夹具定位、夹紧作用和注意事项等。系统实现的功能框架图如图1所示，EON界面如图2所示。例如当单击铣夹具时弹出相应下拉菜单，图形区域出现铣圆柱槽夹具（数字1，2，3……为快捷键），单击相应按钮在图形区可进行铣夹具的拆卸和装配等操作。

1.2 实现的教学目标

虚拟拆装系统用于学生的课前预习和课后复习，课前预习即“预实践”，能使学生把握新课的内容，了解重点，增强听课的针对性；课后复习，学生可以在任何时间、任何地点反复进行学习和训练，使学生对所学夹具知识加深理解，系统掌握，全面提高；系统实现的教学目标如下：

（1）工件的装夹与找正；

（2）机床夹具的组成；

（3）定位的基本原理及定位元件使用；

（4）夹紧装置的组成，夹紧的整个动作过程；

（5）夹具对刀方法。

2 夹具虚拟拆装系统实现的关键技术

现以铣槽夹具为例，论述夹具虚拟拆装系统的实现。夹具的装配模型如图3所示，拆卸模型如图图4所示。

2.1 模型建立及导入

三维虚拟模型的建立是虚拟系统的基础。从模型建立到导入EON虚拟环境中需要三个步骤：

2.1.1 模型建立

EON平台支持大部分的CAD类型模型，为很多的CAD系统都提供了数据接口。三维模型建立软件有多种，其中，Pro/E软件具有强大的实体造型、曲面造型和装配等设计功能。本系统采用Pro/E软件建立零部件和装配三维模型，并分别导出为*.stl格式文件；

2.1.2 中间处理

将Pro/E建立的几何模型导入3ds max中进行处理，利用3ds max进行渲染和着色，增强模型的虚拟环境中的真实感，随后通过EON为3ds max提供的一个EON Raptor输出的插件，将模型保存为EOZ格式文件。

2.1.3 导入EON软件

在EON软件中，打开上步建立的EOZ文件，模拟树视图中自动生产一个默认的模型层次数据结构。为了便于后续工作重新构建层次数据结构，对每个零件重新命名并设定父子节点。如图5所示为模型建立和导入EON的过程图。

2.2 装配序列和装配路径规划

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。装配序列生成方法一般有两种，一类是基于装配推理的装配序列生成，另一类是基于拆卸的装配序列生成，也叫拆卸法。拆卸法是将产品拆卸成一个个独立零件，反过来独立的零件被装配成产品的过程，实现对零部件的装配。本系统装拆可逆，采用拆卸法并结合人为经验获得装配序列，装配序列为：夹具体→夹具体侧板（两个）→挡板→加工零件→对刀板。

2.3 人机交互实现

人机交互是指用户对现实平台中的物体执行操作并从虚拟环境中得到相应的反馈，它是构成虚拟拆装的关键技术之一。本系统采用在文本框2D Text节点下添加弹出菜单POPUPMenu和键盘传感器KeyBoardSensor实现的。如图2所示在场景窗口的左上角列出了四个文本框，分别是“铣夹具”、“车夹具”、“镗夹具”、“钻夹具”。每种夹具对应设定一个弹出菜单包括5项：拆卸，快速复原，装配，快速拆卸，结构图，当点击铣夹具时可以选择相应操作，另外还可以单击键盘上的数字键（1-4）实现快捷操作。人机交互的实现通过对路由图标的编辑和逻辑连接，从功能节点的输出域到对应节点的输入域，如图6所示为事件驱动的路由图。endprint

2.4 零部件的拾取及拖放

虚拟环境中实现零部件的手动拆卸和装配，需要借助鼠标、键盘在虚拟环境中选取一个或者多个零部件进行拖动来移动操作。

首先，放置DragManager元件到场景的Camera节点下，设置DragManager元件的自由度属性，可约束零件的移动方向；然后在装配体树状结构图中找到需要拖动的零件所在的节点，在其下放置四个节点，两个ClickSensor节点，一个DragSelect节点，一个Place节点。其中，一个ClickSensor节点触发方式设为“Left”，另一个ClickSensor1节点触发方式设为“Right”，最后将DragManager元件关联复制到DragSelect节点的黄色扩展文件夹DragManager中，将四个节点拖到路由窗口中，建立逻辑关系，如图7所示为铣刀拖放功能实现逻辑图。单击右键拾取拆卸零件，拖动零件到合适位置单击左键放置零件。

2.5 碰撞检测及响应

碰撞检测是虚拟装配技术的另一项关键技术之一。碰撞检测的实质就是在虚拟场景中，碰撞检测是夹具装配中一个非常重要的环节。零部件在装配过程中产生相互穿透的不真实现象，这样会给装配提供一些不完整信息，因此为了使夹具在装配过程更加符合真实情况，在虚拟装配过程中添加实时碰撞检测。在EON Studio中，碰撞检测节点（Collision）有效的解决了这一问题。如在模拟树的对刀块零件中放入CollisionObject节点，并设置相应属性，当对刀块在装配时与其他零件发生碰撞时，系统做出文字显示。在Camera下加入CollisionManger节点对所有零部件的CollisionObject节点统一管理。

2.6 网上發布

应用EON自带有网页发布精灵，专门用于将EON文件嵌入网页文件中并发布到服务器上，供其他计算机访问。点击菜单File→Create Web Distribution进入网页发布向导，向导将引入用户进行一系列自定义设置，如分辨率、发布模式等相关参数的设定。再调用EON公司开发的Java Script脚本函数，便能实现虚拟夹具拆装系统的网上发布，可以通过HTML网页对机床夹具系统进行网上交流和学习。

3 小结

将虚拟现实技术引入到机床夹具设计课程中，可以使学生在虚拟环境中进行对夹具进行反复的拆装训练，从而使学生对夹具的整体结构有感性认识，直接看到夹具的定位组件、机构及工件在其上的定位和夹紧的整个动作过程，更加理解夹具结构和组成，工作原理。激发学生学习兴趣，增加教学的直观性，改善教学环境，提高学生实践能力和创新能力，降低教学成本，弥补机床夹具课程教具模型和生产型夹具实物不健全的缺陷，使学生可以在任何时间、任何地点反复进行学习和练习，改善实训条件，提高教学质量，都将起到积极作用。

参考文献

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

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作者简介

史翠兰，女，硕士学位。辽宁机电职业技术学院教授。主要研究方向为CAD/CAM技术。

作者单位

辽宁机电职业技术学院 辽宁省丹东市 118002endprint