虚拟仿真系统在发动机典型零件加工中的应用
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摘 要：随着计算机技术的不断发展，虚拟仿真技术在各专业领域得到了广泛的应用。在现如今传统的教学模式中，教师难以凭借语言、文字和二维平面图来表述清楚某些零部件的结构与加工过程。针对这些教学难点，可以利用虚拟仿真软件来进行大量的虚拟仿真实验，以三维动画的形式生动展示零部件结构与加工过程，增强教学的直观性和生动性。文章将介绍如何利用Solidworks、UG、Unity3D等软件以及Java语言、Jsp相关技术开发虚拟仿真软件的开发以及在汽车发动机典型零件加工工艺中的应用。
1 概述
随着计算机技术的飞速发展，信息技术在教学中已经成为不可缺少的元素，多媒体、网络技术被广泛的应用在教育教学中[1]。与传统的教学模式对比中，虚拟仿真系统能够增强教学的直观性与生动性，不但使学生更容易掌握其中的原理与方法。还能吸引学生的兴趣，带动学生的积极性和互动性。虚拟仿真（Virtual Reality）就是利用计算机及相关软件模拟出一个虚拟的三维世界，给使用者提供一个真实实验的模拟环境。
学生进入虚拟仿真系统后可以先通过相关视频及学习资料来了解发动机典型零件加工工艺。再利用不同种类的机床和刀具对发动机典型零件各个工序进行虚拟加工。通过该过程演示和虚拟操作，增强学生对典型零件加工工艺的认识，了解和掌握不同机床和刀具的加工对象，并能够对简单零件进行基本工艺的制定。
文章采用SolidWorks制图软件对发动机典型零件进行三维建模，利用UG进行数控仿真加工，实现零件加工工艺过程的三维情景化仿真模拟。并与Unity3D软件进行交互，并依靠Unity3D软件来制作加工工艺过程环境，以及网页动态效果。系统是基于B/S结构进行系统开发，并采用JavaScrip脚本语言进行部分设计，以及选用SQL Server数据库等技术来构建虚拟仿真系统。系统模块主要分为：发动机基础理论模块、发动机拆装过程模块、典型零件加工工艺模块、学校效果测验模块等。管理员在B/S系统结构下，对每位学生设置可以使用的用户名账号密码，学生在进入虚拟实训系统学习的时候只要输入自己的账户信息便可以登录到系统中，学生通过系统便可以进行学习与互动。如图1所示为本系统总体框架图。
2 发动机典型零件的建模与加工工艺
构建虚拟仿真系统首先要进行三维建模，三维建模是虚拟仿真最基本的交互操作对象。由于上述采用的软件Unity3D虽然技术功能强大而又简单操作，但也有不足之处就是它们并不具备三维建模功能，不能单独使用来构建虚拟仿真系统，必须配合一款三维建模软件来共同完成系统的构建。本系统采用SolidWorks三维软件来绘制发动机典型零件的建模。
SolidWorks三维建模软件为达索系统下的子公司，专门负责研发的机械设计软件。该软件不但满足发动机典型零部件建模尺寸的准确性和外观逼真性，而且与Unity3D等软件有很好的交互性。可用于读取或转换现有发动机零部件三维模型，是制作各种动画和交互对象的基础。
以奥迪V6发动机的典型零件缸体为例，缸体作为汽车发动机五大核心部件之一，其制造工艺一直是发动机生产中的重点和难点[2]。各个安装零部件和附件安装时位置是否正确，则需要由缸体来保证。缸体的加工质量好坏，将直接影响发动机的工作性能。如图2所示为用Solidworks建模后的奥迪v6发动机的缸体。
发动机缸体的加工工艺将采用先面后孔、粗精分开原则。先加工平面，再利用此面定位来加工其他表面。由于缸体的刚性较差，所以应考虑在加工缸体各表面时将粗、精加工分开进行。如表1所示为缸体主要加工工序。
文章采用UG数控加工编程模块来对零件进行编程。在Solidworks与UG间图纸转化时，需要将Solidworks图纸以另存为的形式保存，文件类型为.step。否则UG无法进行读取。
对缸体的表面进行加工仿真。单击工具栏中的插入按钮，点击菜单中的创建几何体选项，弹出“创建几何体对话框”，在类型中选择mill_contour，通过创建几何体的对话框可以设置机床坐标系、部件几何体、毛坯几何体以及切削区域。
单机工具栏中插入按钮，选择菜单中刀具选项，弹出创建刀具对话框，在刀具子类型中选择Mill图标，点击应用。弹出铣刀-5参数设置对话框。其中，主要的设置参数为直径18，下半径为0，长度30，刀刃长度15。在刀柄一栏中，对刀柄进行如下设置：直径50，长度60，拔模角0，角半径为20。
接下来创建工序，类型选择，FIXED_CONTOUR 即固定轴面轮廓铣，通过刀具刀轴可以任意选用所创建的刀具及设置要加工的轴向。在刀轨设置中可以设置加工参数。设置好之后单击生成按钮，便可获取走刀轨迹。如图3所示为缸体上表面粗加工刀轨。
3 Unity3D在虚拟仿真系统中的应用
Unity 3D软件是由Unity Technologies开发的用来制作如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎，同时也是一个场景编辑器，也可以用它创造3D场景，并能使用脚本语言。Unity3D是一款类似于Vortools的开发环境软件，其编译器运行在Windows和Mac OSX下，可游戏至Windows、Mac，Wii或iPhone平台，也可以利用Unity web player插件网页游戏，支持Mac和Windows的网页浏览[3]。
发动机典型零件仿真加工系统需要借助Unity3D的游戏引擎开发，通过Marker识别、利用Unity3D强大的功能来实现虚拟环境与现实结合以及虚拟仿真加工实验的交互。虚拟加工的环境可以先利用纹理、贴图、反射、高光和凹凸来进行材质属性的设置，然后在场景中添加灯光效果及背景。再将一些机床、刀具及UG制作出的发动机典型零件以动画的形式导入Unity3D中作为贴图，这样的场景可以达到虚拟加工环境的效果。再编写相应的程序来完成发动机典型零件加工过程的效果。
在使用者与虚拟仿真系统交互时，通过菜单来选择不同的机床、刀具。所以实验模块包括机床、刀具选择菜单。本系统的机床、刀具菜单可以用Unity3D中的GUI对象来实现，导入不同种类的机床、刀具图片作为贴图。使用者在进入系统后选择发动机典型零件加工模块，系统自动加载资源中的场景模型。使用者通过鼠标即可完成交互。
4 虚拟仿真系统的构建
设计的虚拟仿真系统需要依靠性能好的软硬件设备来实施，即可用于互联网，又能适用于局域网，在客户端方面：操作系统可用于WindowsXp/win7/win8/win10. 网络协议：TCP/IP 浏览器：Internet Explorer8.0版本。数据库：Microsoft SQL2005以上版本均可用。服务器方面操作系统、网络协议以及数据库与客户端相同，WEB服务器则选用tomcat6.0以上均可。硬件环境中，服务器和客户机最低要求配置内存均在1G以上。
通常情况下，B/S结构形式包括以下三个部分，他们分别是数据库结构层、服务器应用层和用户浏览器表示[4]。采用这种三层式的B/S结构，将会使得系统的每一个功能单元独立完整运行[5]。三层B/S结构组成如图4所示。[4]
在开发客户端时文章采用HTML、JavaScript进行开发。HTML用来制作网页标记语言，描述网页的格式设计以及在互联网上与其他网页的连接信息。通过浏览器执行即可，然而HTML并不具备互动性，若想让学生对于发动机典型零件工艺更好的学习和互动，还需JavaScript技术的支持，将JavaScript脚本嵌入在HTML的源码中，用来给HTML网页增加动态功能。达到让学生与其交互的效果。Web数据传递可以采用XML。HTML的文件利用XML进行提取，利用XML可以对HTML网页进行技术支持与完善。
通过Microsoft SQL2005创建命名为“QCFDJSXXT”数据库，在“QCFDJSXXT”数据库下建立以下表：管理员信息表、教师用户表、学生用户表、管理员可以通过后台对数据库进行增加和删减。服务器端可以使用JSP进行开发。目前JSP支持的脚本只有Java，根据前文的介绍对于数据库的连接需要使用JDBC来实现，而利用JSP使用JDBC便可实现对数据库的访问，通过JDBC和JSP便可以实现SQL语句的执行。用户通过浏览器发出指令时，服务器会分析相应的Java语言程序。然后经过处理的信息以HTML的格式传送到客户端的WEB上，而JSP技术包含了Java程序段和HTML形式的文件。在虚拟实训系统开发中通过JSP以及Java技术来进行设计，相比较其他开发语言更具备优势。
服务器开发完成后，利用Unity3D的引擎，开发一个接口，让典型零件加工工艺模块与Unity3D制作出来的三维模拟加工仿真场景框架进行对接，当使用者进入该模块时，会获取相对应的场景模型文件路径，并将其传达给Unity3D三维模拟加工仿真场景框架。这样模拟加工仿真场景框架会加载模型文件，并与使用者完成交互。通过上述结构，学生若要完成学习与交互，绝大部分内容在服务器上完成，通过浏览器，学生可以随时完成学习与操作，并不需要安装相应程序。
5 结束语
文章介绍了关于虚拟仿真加工系统的开发与在汽车发动机典型零件加工实训中的应用。在与传统的授课中，利用虚拟仿真系统教学能起到形象直观得教学效果，学生潜在的工程能力也会得到挖掘、对零部件的工艺、加工原理等更容易掌握。丰富教师的教学手段也不再受设备的限制，既降低实训的成本又开阔学生的视野。
参考文献
[1]周云成.汽车发动机构造虚拟仿真实训系统开发研究[D].吉林：交通学院，2012.
[2]房长兴，罗和平，高志永，等.发动机缸体加工工艺研究[J].机械设计与制造，2013（3）：262-264.
[3]朱柱.基于Unity3D的虚拟实验系统设计与应用研究[D].华中师范大学，2014.
[4]李敏.基于BS模式的网络阅卷系统的设计与实现[D].吉林：吉林大学，2014.
[5]D.McDuff，R.E1 Kaliouby，and R.Picard，“Crowdsourced Dete Collection of Facial Responses，”Rroc.13th Int'1 Conf.Multimodal Interaction，2011.