四挡变速器虚拟装配平台的构建

长安大学 汽车学院 西安 710064

1 研究背景

虚拟现实由多种传感设备一起作用,以计算机与电子技术为基础,在模拟真实虚拟环境中,依据用户自身的感触,使用户参与其中,在虚拟环境中进行操作,为用户提供各种直观的感触。

虚拟现实是一个综合系统技术群[1],很早就被提出,但被重视及发展较晚。随着制造业生产加工技术的不断发展,生产加工水平不断提高,虚拟现实技术在制造业中的应用变得越来越重要[2]。

虚拟制造技术已成为我国致力研究的重点领域之一,并且在学术、软件支持及应用等方面取得了明显的效果。虚拟现实技术的结构如图1所示。

图1 虚拟现实技术结构

变速器是汽车的重要组成部分之一,有手动与自动两种形式,其模型如图2所示。为了使学习者加深了解,笔者构建了四挡变速器虚拟装配平台,以达到简化教学内容、过程和方便教学的目的[3]。利用虚拟装配平台演示变速器的工况,可以生动形象地展示变速器的构造和原理。

图2 变速器模型

在传统教学过程中,一般都采用实物模型。实物模型大多携带不便,数量少,种类不齐全,成本高,且不便于学生课后学习[4]。构建虚拟装配平台,能够帮助学生独立学习、自主选择并合理安排课程的学习顺序,使学生具有自主学习性,为学生提供自主学习导航。通过虚拟装配平台,学生能够主动熟悉变速器课程内容[5]。

2 可扩展三维语言介绍

在实际生产过程中,零件的装配非常重要,并可能会出现由于零件设计或加工尺寸误差而导致零件无法装配的情况。虚拟装配可以解决这一问题,能够将装配过程通过虚拟现实技术进行展示,使设计人员及时发现装配中的问题,避免实际装配过程中可能出现的碰撞等情况。

目前,可扩展三维(X3D)语言在很多领域都有应用,如网页和共享数据库中的多媒体演示、娱乐及教育等[6]。X3D语言的语法主要由语法定义、语法结构和文件结构三部分组成。语法定义指通过编写程序来对各种节点进行定义,进而可以在界面中绘制出三维形状及装配过程。语法结构类似C语言中的语句结构,包括顺序结构、循环结构等。文件结构指编程格式。

通过掌握X3D语言的语法结构,理解X3D语言的语法定义,基于编程风格、技巧,实现对物体造型或运动的模拟[7-10]。

3 虚拟装配平台构建

在进行虚拟装配之前,先将所有由CATIA软件制作的模型转换为.wrl格式,再用Bscontact浏览器打开,以便后续设计装配程序。在设计虚拟装配程序前,创建一个文本框,将其改为.X3D格式,再用记事本打开,进行程序编写。

下面以虚拟装配平台设计中的一段代码为例进行详细说明。

"file:///www.web3d.org/TaskGroups/x3d/translation/x3d-3.1.dtd">

此段为程序的开头。

此句为背景颜色设计,“1,1,1”代表红、蓝、绿颜色的比例。

Inline url表示插入一个文件,文件为xiangti.wrl。Transform DEF表示为插入的目标定义一个名称。rotation表示将该目标旋转,“1 0 0 0”中“1 0 0”对应x轴、y轴、z轴,“0”为弧度制旋转角度。Scale表示缩放比例,“3 3 3”对应x轴、y轴、z轴放大3倍。translation表示目标在坐标系中的位置。

此段表示套筒从右端装配到轴上的过程,如图3所示。TimeSensor DEF表示将一个时间感应器的名称设置为time1。cycleInterval表示将总时间设为80 s。loop为循环标志,true表示一直循环,false表示只循环一圈或不循环。PositionInterpolator用于定义运动时间及相对应的运动轨迹。key定义每一个运动过程的时间节点,与keyVaule中的位置相对应。keyVaule中,每组三个数字分别对应着key中时间节点零件运动的坐标,以显示零件在每个时间节点的运动位置。运动对象具有相同的运动特征时,可以设置相同的PositonInterpolator,插补key。如果所有属性全部相同,那么可以调用同一零件。一个零件可被调用多次,并且可被定义在同一个时间分组中。例如对一组螺栓设定相同的key,即相同的时间节点,再设置不同的时间位置,可以使这些螺栓在同一时间段内在不同的位置运动。

图3 套筒装配过程

根据以上程序框架设计其它零部件的装配程序,通过Bscontact浏览器打开,即可看到四挡变速箱的最终装配过程,如图4所示。

图4 四挡变速器最终装配过程

4 交互界面设计

为方便进行演示操作,笔者采用Auto Play Media Studio进行交互界面设计。Auto Play Media Studio是一款制作窗口界面的软件,具有定制功能,简单,方便,易于操作。

交互界面的基本框架为先设置介绍页面,然后设置总体布局页面,将整个四挡变速箱分为一轴、二轴、中间轴、箱体、倒挡轴、其它及总装配七个部分,如图5～图8所示。

图5 介绍页面

图6 总体布局页面

图7 二轴零件库

图8 二轴装配过程

5 结束语

笔者基于X3D语言构建了四挡变速器虚拟装配平台。通过虚拟现实技术构建虚拟装配平台,是对传统教学方式的改变,所创建的三维立体模型不仅避免传统二维图像单调、抽象的缺点,而且有利于学生自主学习,提高对机械设计的兴趣,同时为对变速器装配过程进行运动分析提供帮助。