基于Flexsim和VR的机加工生产实习仿真系统研究和开发

胡明茂, 章弘毅, 孙 煜, 齐二石

(1. 湖北汽车工业学院 机械工程学院, 湖北 十堰 442002； 2. 天津大学 管理与经济学部, 天津 300072)

校外生产实习和认识实习是一个重要的教学环节,是学生强化工程意识、现场接触与了解企业技术信息、获得专业生产技术及管理知识、进行工程师基本素质训练的必要途径。国内高校在虚拟仿真实验和VR应用方面取得了许多实验教学成果[1-12],例如虚拟实训现场场景搭建、虚拟拆装训练等,提高了学生的学习兴趣和分析问题、解决问题的能力。

本文利用Flexsim仿真软件和VR技术开发了生产实习仿真系统,使学生能通过新颖的方式掌握和应用本专业知识,验证和巩固已学过的专业课程,以求达到理论结合实际,并为后续专业课的学习及毕业设计等教学过程打下良好的基础。

1 机加工实习仿真平台的研发背景

东风汽车有限公司商用车发动机厂是东风汽车有限公司主要的发动机生产厂,有各类设备2 300多台(套)。该厂与湖北汽车工业学院合作共建的国家级实习基地,是培养与实际生产紧密结合的、具有较强工程意识的机械类工程师的重要实习场所。

该发动机厂的曲轴车间是实习基地的重要实习场所,学生在这里熟悉和掌握曲轴机械加工工艺系统的机具,熟悉曲轴生产线设备的工作原理、基于Flexsim和VR的机加工生产实习仿真系统的研究和开发特点,熟悉和掌握曲轴机械加工工艺过程和每道工序的内容、定位基准,熟悉和掌握每道工序所使用机床夹具的工作原理、结构特点、自由度的限定及使用范围。

然而，学生到企业实习,会增加企业生产和安全管理方面的压力,因此学生到装备制造一线实践的时间和空间越来越少。此外，在2～4周的实习期间,学生要熟悉实习企业的某零件的生产工艺和生产设备也相当困难,实习过程往往存在认识不够深入、理论结合生产实际不紧密的问题。这样的生产实习难以达到预期效果,不利于在新工科背景下培养具有较强工程意识和动手能力的高素质制造业人才。

采用虚拟现实技术,可以使学生在虚拟空间了解和掌握制造系统的主要工作流程、原理和关键技术,从而提高学生对专业的兴趣和理论联系实际的能力。具体方案是：开发具有高度沉浸感的虚拟场景和数字化模型,利用Flexsim三维虚拟仿真软件和Sketch Up三维造型软件,在计算机上对实习车间曲轴生产线进行建模。通过仿真手段将生产过程虚拟化,使学生对制造工艺方案和加工过程形成映射；通过漫游技术和VR设备使学生可以观看机床和零件加工部位、定位方式等实际加工情况；通过该系统,使学生在实习前就能对企业车间布局、工件加工流程等有一个充分了解,并结合理论知识提出针对生产现场的问题,即采用虚实结合方法提高实习效果。

2 现场生产数据的采集和仿真建模

4H曲轴加工工艺复杂,有20多道工序,包括：车削、铣削、磨削、钻、铰、攻丝等,主要工艺流程是：轴颈粗加工—轴颈半精加工—油孔加工—热处理—中心孔修整—两端孔加工—轴颈精加工—抛光。主要工艺设备有CNC单刀数控车床、日本小松内铣机床等。学生要现场了解曲轴加工工艺和所使用机床的差异、夹具的结构和功能。

需采集的生产数据包括：每道工序装夹时间、生产线生产节拍等,用于仿真模型中相关参数设置。

Flexsim是面向制造、物流等领域开发的一套系统仿真模型设计、制作与分析工具软件。Flexsim集计算机三维图像处理技术、仿真技术、人工智能技术、数据处理技术为一体,内置有虚拟现实浏览窗口,可以让用户添加光源、雾以及采用虚拟现实立体技术。利用Flexsim构建高仿真环境步骤如下：

(1) 绘制曲轴车间曲轴生产线现场布局图。车间的空间大小、加工设备和传送装置的外形及尺寸、设备之间距等应尽量测量准确,用CAD绘制。

(2) 在Flexsim仿真软件中导入曲轴生产线CAD现场布局图。导入时，CAD图形单位和Flexsim场景的单位应一致。

(3) 利用SketchUp 3D软件绘制加工设备三维模型。建模时加工设备外形数据应准确、真实,为学生实习构建一个与真实环境相一致的虚拟现实环境。最后把建立的机床模型导入Flexsim仿真软件,形成三维仿真环境。Flexsim可以导入多种格式的3D媒体，包括3ds MAX、wrl、 stl和dxf。

3 生产实习仿真系统动画制作的关键技术

建立三维曲轴虚拟仿真车间,动画制作是关键技术。在生产线上有大量的运动部件及动作,例如：工人上下料动作、工件放在机床夹具上并定位、夹紧动作、加工曲轴时工件的旋转运动、使用刀具的加工过程及进刀运动等,有些动作还能通过人机交互进行参数设置以改变运动轨迹。在Flexsim仿真软件中可以通过动画编辑器(Animation)和FLexsim动作编程实现上述要求。

3.1 动画编辑器(Animation)

动画编辑器允许用户为模型中的Flexsim实体创建和保存自定义动画。使用动画编辑器模拟曲轴加工机床加工曲轴轴径的工序过程,在Flexsim中拖入系统自带的机床实体,然后在其属性页上导入用SketchUp 3D软件绘制的曲轴车床外形,再进入曲轴车床的动画编辑器， 利用SketchUp 3D绘制曲轴零件和溜板刀架，并添加到动画编辑器。

要使运动部件按规定方式运动,需要在时间轴上为运动子部件添加关键帧。动画编辑器中有两类关键帧：一类是所有属性关键帧,一类是单独属性关键帧。添加关键帧步骤如下：

(1) 将时间线放在时间轴的初始位置(运动起点关键帧)上,把动画编辑器视图中子部件移到此位置,确定运动部件初始状态和初始时间点；

(2) 把时间线移到要运行的时间处。例如需要动画运行10 s,则将时间线移到10 s处,把子部件也移到10 s处,并在此处再添加一个结束关键帧。

至此,一个最简单的动画制作完毕,运行后可以看到子部件运行的效果。

如果需要更复杂运动,则在起点和结束关键帧中间添加更多的中间关键帧,并且在各中间关键帧处设置子部件不同的方位状态,系统在运行时会根据不同时间点把不同的运动状态平滑衔接起来。制作动画时,不动部件实体外形与其在Flexsim场景中一样，不需要改变；在实体部件需要改变的情况下，可以通过该实体属性页相关选项置换成事先做好的3D外形。而运动部件需要在动画编辑器中添加为子部件,对子部件外形、运动进行单独编辑。如果有两个运动件A和B,其中B依附于A,如果A动则B也跟着动。在B还有独立运动的情况下,则在编辑时,可以把B设置为A的子部件,便可以实现更为复杂的运动。

可以为任何3D模型指定帧,通过创建不同的3D模型,然后将其存储为<原始文件名>FEAME<帧号>.3ds来实现。例如,操作员的原始3D文件是Operator.3ds。如果用命令setframe(current,0)设定其帧为0,就会绘制这个图形,它的其他帧定义在OperatorFRAME1.3ds、OperatorFRAME2.3ds等中。如果调用setframe(current,3)命令,将绘制<原始文件名>FRAME3.3ds中指定的3D文件。

动画制作完成后,为了进一步细化相关动作，可以在模型中机床实体的触发器中编写脚本程序,可以使用stopanimation()和startanimation()脚本语言调用这个动画。例如：当曲轴被安装在机床上后,调用此动画模拟曲轴机床加工过程,如图1所示。加工前,工件先被安装在机床上,按动电钮,可以设置顶尖夹紧和松开零件的动作；安装、定位、夹紧动作完成后,主轴带动工件旋转,同时溜板刀架刀具作进给车削运动。学生可以反复观看曲轴加工过程,了解本工序夹具特点和限制工件自由度数目等。

图1 曲轴机床加工场景

3.2 Flexsim动作编程

复杂的实体运动控制涉及 Flexsim的动作编程,可以根据条件的变化，通过编程实现更为复杂、精确的运动控制。 Flexsim的动作编程能使模型场景中的可运动设备动起来,从而使模拟过程更接近真实。Flexsim的动作编程可以使一个实体同时进行几种运动(包括在直角坐标系中沿着x、y、z轴方向移动和旋转),每个运动都有自己的速度属性。

Flexsim的动作编程需要调用3个函数。

首先要调用initkinematics函数,为运动初始化数据,保存运动部件的起始位置、起始角度等运动数据；

然后调用addkinematic函数,为对象添加移动或旋转动作,每一个单独的运动都通过addkinematic函数添加；

最后调用updatekinematics函数,其作用是计算运动部件当前的位置和旋转角度,并在运动过程中不断地刷新视图。

此外,复杂运动模型还涉及坐标空间转换、模型导入、尺寸大小设定、运动实现等。

4 生产实习仿真平台显示技术

虚拟现实是综合利用计算机图形系统和各种现实及控制等接口设备,在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术。

目前高版本Flexsim仿真软件本身带有VR接口,支持多种VR设备。例如Flexsim V2016版本支持Ocolus rift硬件VR设备；Flexsim V2017.1以上的版本同时支持Htc vive和Ocolus rift硬件VR设备。建议采用Windows10 64位计算机操作系统,使用前需要安装相关VR设备的驱动程序,只要安装调试完成即可在Flexsim中使用。

VR眼镜是常用的VR设备,学生戴上VR眼镜就能以自然的方式在虚拟车间进行漫游和场景交互,产生强烈的沉浸感、立体感和身临其境的体验。

学生可以采用鼠标滚动和使用操纵杆两种方式在虚拟的曲轴生产车间漫游、参观、现场交互。高版本的Flexsim仿真软件带有操纵杆等VR接口,使用操纵杆可以使视点向前、向后、向左、向右行进漫游。在虚拟场景中,参观者能以360°视角观看现场场景,具有很强的沉浸感和立体感。当观看者转头或者转身,可以看到其身后的场景；仰头或者低头看到的是上方或者下方的场景。在计算机屏幕上,Flexsim仿真软件也实时、动态地显示参观者看到的场景,即可以视点跟踪(见图2)。

运行曲轴Flexsim仿真系统进入虚拟曲轴生产车间,可以从曲轴加工的第一道工序开始,清楚地观察到曲轴加工的每道工序的实际情况特点,还可以结合每道工序的工序图和夹具图进行分析。

Flexsim自带有丰富的VisualTool显示控件,可以事先把绘制好的相关工序的工序图、夹具图以图形文件嵌入在VisualTool显示控件中,供学生详细了解加工内容。借助类似方法,还可以将其他丰富、实用的曲轴加工工艺知识融入仿真系统,形成以“虚拟体验、双向互动”为特色的新实习实训模式。

图2 Flexsim实时动态场景

5 生产实习仿真平台考试模块的开发

为检验机加工生产实习仿真系统的实习效果,在实习结束后要进行考核。Flexsim有22条语句是关于连接和访问数据库的。Flexsim可方便地与Access、Oracle等数据库相连,并提供SQL mode和Table mode两种方式操作数据库,即允许用户使用SQL语句来访问数据库。

在Flexsim的GUI上开发考试模块,创建试题窗口界面(见图3)。学生通过试题界面答题并保存答案,答题信息即被保存在全局表中。当答题者检查无误再点击“答案上传”按钮,答题信息将被上传并保存在系统数据库中。编写必要的脚本程序,系统可以自动进行评分和分数数据统计。

图3 基于GUI的仿真考试界面

6 结语

基于Flexsim 3D仿真软件和VR显示技术开发的沉浸式机加工生产实习仿真系统,可以让学生通过漫游掌握曲轴生产线布局和加工工艺,对加工设备的外观、结构进行360°旋转观看,查看设备的工作原理、工序介绍等相关资料。在虚拟现实环境中,实习时间不受限制,增强了学生实习的兴趣,提高了实习效果。该项目既可以对学生开放,也可以用于对企业员工培训,在实训教学和企业员工培训中有很好的应用价值。