CN1991644A - 数控仪表车床三维立体装配演示系统的构建方法 - Google Patents

Abstract

一种数控仪表车床三维立体装配演示系统的构建方法，包括如下步骤：先把在Solidworks软件设计的CK6820形数控车床的大部分零部件转换到软件3DMAX中；在软件3DMAX中把已设计在其中的机床外罩、面板与转换来的CK6820型数控机床的零部件相接合形成CK6820型数控机床的整体零部件；再从3DMAX软件把形成的CK6820型的整体部件转换到Vis Mockup软件平台上；在Vis Mockup软件平台上设计的CK6820型数控机床各零部件装配顺序和路径作业，并配音和文字说明；最后，与链接立体投影设备及立体眼镜，构成数控机床三维立体装配演示系统。本发明利用三维虚拟现实技术以立体投影方式形象直观地给出CK6820数控仪表车床的整机装配过程，适合用于对数控仪表技术人员的培训，提供设计参考，以及对安装维修人员进行调试安装演示。

Description

数控仪表车床三维立体装配演示系统的构建方法

技术领域

本发明涉及一种采用三维虚拟现实技术构建数控仪表车床的整体装配过程的演示系统，特别是以立体投影方式构建用以对数控仪表技术人员，提供设计参考以及安装维修人员调试安装的演示系统。

背景技术

众所周知，三维CAD技术是支持产品创新设计的关键技术，将计算机高速、海量数据的存储及处理和挖掘能力与人的综合分析及创造性思维能力相结合，对产品创新开发、缩短设计制造周期、提高性能和质量、降低制造成本等发挥着重要作用。而且，在越来越强调产品全生命周期的管理与服务的今天，三维CAD系统更是成为创造新产品信息的数据源头，从某种程度上讲，谁掌握了产品设计的源头数据，谁便掌握了产品生产制造以及服务的主动权。

在生产全球化的今天，传统的产品开发方式已不再适应企业对产品的时间、质量、成本的要求。因为传统设计模式，很难用二维图纸去描绘三维空间机构运动和进行产品装配干涉检查等工作，因此其工作流程是按顺序进行的。很多时候是对产品进行试装配时才发现干涉或设计不合理等现象。在设计早期不能全面考虑下游过程的要求，从而使产品设计存在很多缺陷，造成设计修改工作量大，开发周期长，成本高。

至于二维CAD系统，它可以帮助设计人员把图纸画得规范、漂亮，提高绘图效率的同时也便于图纸以后的修改及管理，在“甩掉图板”的初级阶段功不可抹。但二维CAD系统与传统的手工绘图一样，对减少产品设计错误、设计更改和返工现象并无重大影响，对企业最需要的设计质量并没有多大的提高。

当今的三维CAD系统，用它可方便地设计出所见即所得的三维实体产品模型。有了三维实体模型，可以进行装配和干涉检查；可以对重要零部件进行有限元分析与优化设计(CAE)；可以进行工艺规程生成(CAPP)；可以进行数控加工(CAM)；可以进行快速成型，在做模具之前就可以拿到实物零件进行装配及测试；可以启动三维、二维关联功能，由三维直接自动生成二维工程图纸；可以进行产品数据共享与集成等等。这是二维绘图无法比拟的。

用三维CAD/CAM系统进行产品开发，从根本上改变了过去手工绘图，凭图纸组织整个生产过程的技术管理方式。设计构思的表达由二维图纸演变成能在计算机模拟显示零件三维实体模型的虚拟产品(虚拟样机)，这是一种新的设计和生产技术管理体制，是提高企业竞争能力主要手段之一。

因此，提供一种可以作为相关技术人员操作培训，也可以帮助设计人员作为设计参考，安装维修人员调试参考的数控仪表车床三维立体装配演示系统显得十分必要，只要培养一批专业队伍，就能实现设计和生产技术管理体制的变革。

根据现有数控车床现状，已经具有尚待开发的一种小规格斜床身数控机床CK6820，其45°倾斜高刚性床身，适用于高速、精密、强力切削，抗震性强。具有优良的可靠性及精度保持性，主轴精度高、刚性强、主轴最高转速可达5000转/分，可实现无级调速及恒速切削，启动及停止迅速，各润滑点均有独立的循环装置进行定量润滑，温升及热变形小，特别适合批量车削形状复杂，精度要求高，光洁度要求高的零件。X，Z轴伺服电机通过弹性联轴节与精密滚珠丝杆连接，X，Z向采用精密直线导轨付，定位精度高，移动速度快。尾架采用油压控制，芯轴自动伸缩，刚性好，操作方便。刀架采用八工位电动刀架，定位精确，换刀时间短。机床总体布局排屑流畅，上下料调整方便，便于操作。该机床可以加工直线、圆弧、公英制螺纹，特别适用于批量车削，形状复杂，精度要求高，光洁度要求高的轴类和盘类零件。(该新产品的规格型号国内市场尚未见到。)

鉴于CK6820斜床身数控车床是一个未经生产的新产品，其仅有二维设计图纸，无法给人以直接的感性认识，不利于产品的推广和宣传，因此只有在采用三维建模之后做到等比例仿镇，以及完全参照真实加工装配过程做成虚拟加工虚拟装配，直至整机完成，并可模拟进行车床各种工作状况的切削过程的运动仿真，才能给人以直观的印象。

目前，运用SolidWorks软件，对CK6820型数控车床中500多个零件进行了设计，并按照标准件、零部件、外购件、特购件进行了详细的分类。但其在Solidworks软件中的建型，主要包括底座、主传动、床身、主轴箱、编码器、拖板、刀盘刀架三维立体装配。对机床外罩和面板则还未建型。

在另一软件3DMAX中，则具有对车床的外罩和面板的建型，可是软件Solidworks和软件3DMAX不能制作可交互的，沉浸感的CK6820形数控机床三维立体装配虚拟现实演示系统，即两种软件都不具备实时交互能力。

发明内容

综上所述，如何利用现有的在Solidworks软件中对所完成的对CK6820型数控机床的大部零部件的建模，使其与本软件3DMAX中对机床外罩和面板所完成的设计相结合，来构建CK6820数控仪表车床三维立体装配的系统，乃是本发明所要解决的技术问题，因此，本发明的目的在于提供一种数控仪表车床三维立体装配演示系统的构建方法。

本发明的技术方案如下：

根据本发明的一种数控仪表车床三维立体装配演示系统的构建方法，其步骤包括：先把在Solidworks软件中设计的CK6820型数控车床的大部分零部件转换到软件3DMAX中在软件3DMAX中，把已设计在其中的机床外罩和面板与转换来的CK6820型数控机床零部件相结合，形成CK6820型数控仪表机床的整体零部件；然后，再从3DMAX把所形成的CK6820型数控机床的整体零部件转换到Vis Mockup软件平台中；之后，在VisMockup软件平台上设计CK6820型数控机床各零部件的装配顺序的路径作业，并配音及文字说明；最后，链接立体投影设备及立体眼镜，构成数控机床三维立体装配演示系统。

具体地，步骤S1中所说的CK6820型数据车床的大部分零部件是指已建模的零部件，包括底座、主传动、床身、主轴箱、编码器、拖板、刀盘刀架三维立体装配。

S1中所述的把已建模的CK6820型数控车床零部件转换到软件3DMAX中的步骤，还包括先把在Solidworks软件中建模的CK6820型零部件转换成Stl格式，以及经由一接口转换软件将所有的经转换成的Stl格式零部件一个个地自动插接后送入软件3DMAX中。

S2中所述的在软件3DMAX中对转换来的CK6820型建模零部件与3DMAX中已建模的机床外罩，面的相接合的步骤包括重新调整颜色、大小和位置的步骤。

在步骤S3中，包括只把在软件3DMAX中形成的CK6820型数控机床的整体零部件转换成Wrl格式，再转换到Vis Mockup软件平台。

在步骤S4中，还包括对虚拟现场进行动态实时渲染的步骤；所说的对虚拟现场的动态实时渲染是依靠提供高性能的计算机和对已建模型的进行简化装配操作。

本发明的优点是：

本系统的主要设计平台是Vis Mockup软件平台，该平台能够接受多种格式的图形文件，如wrl格式、iges格式、step格式、stl格式等。首先将在SolidWorks软件中设计好的CK6820大部分零部件(除外罩和面板)转换到3DMAX中，与在3DMAX中设计好的外罩和面板相结合，然后再从3DMAX软件中转换到Vis Mockup平台中，这样就可以在Vis Mockup平台中设计CK6820各零部件的装配顺序、路径等操作，并配以声音文字加以说明。开发的软件美观流畅，并可以立体演示整个装配过程，在与Barco立体投影设备及佩戴立体眼镜后，能给人以身临其境的感觉；

整个转换过程能保证各零部件的位置、大小、颜色、光照等信息保持不变，并且转换过程快速、便捷、准确。特别是自编了从SolidWorks平台到3DMAX平台自动导入接口程序，可以大批量一次转换好多个零部件，解决了(3DMAX不能一次导入多个零部件，使得在需要一次导入几千个零部件的情况下，克服了费时费力又易出错的麻烦)。

附图说明

图1是在SolidWorks软件环境下CK6820数控机床三维建模零部件分类图。

图2是在SolidWorks软件环境下CK6820的主轴箱装配图。

图3是在SolidWorks软件中的CK6820型数控机床整机(无罩壳)装配图。

图4是在SolidWorks软件中的CK6820型数控机床的床身装配图。

图5是在SolidWorks环境下CK6820型数控机床的底座爆炸图。

图6是在SolidWorks环境下CK6820型数控机床的底座装配图。

图7是在SolidWorks环境下CK6820型数控机床整机装配图。

图8是本发明的一个实施例流程图。

图9是本发明的CK6820型整机装配图。

图10是本发明的CK6820型整机模型图。

图11是本发明中的CK6820型的主轴箱装配图。

图12是本发明中的CK6820型拖板装配图。

图13是本发明中的虚拟现实演示厅视图。

具体事实方式

下面根据图8～13给出本发明一个较好实施例，并寓意详细描述，使能更好地说明本发明的方法和特征和功能特色，而不是用来限定本发明的范围。

首先请参阅图8，本发明的系统的构建，其主要设计平台是Vis Mockup软件平台，首先将在SolidWorks软件中设计好的CK6820大部分零部件(除外罩和面板)转换到3DMAX中，与在3DMAX中设计好的外罩和面板相结合，然后再从3DMAX软件中转换到Vis Mockup平台中，然后在Vis Mockup平台中设计CK6820各零部件的装配顺序、路径等操作，并配以声音文字加以说明。开发的软件美观流畅，并可以立体演示整个装配过程，在现有的Barco立体投影设备及佩戴立体眼镜链接后，能给人以身临其境的感觉。

在用SolidWorks设计好了CK6820的大部分零件、部件和整机装配图后，虽然可以进行CK6820的三维立体装配开发，但考虑到SolidWorks和3DMAX软件不能制作可交互的、沉浸感的CK6820三维立体装配虚拟现实演示系统，两种软件都不具备实时交互能力，因此本发明便运用Vis Mockup软件平台开发CK6820可交互的三维立体装配虚拟现实演示系统，同时借助现有的立体投影设备：Barco800立体投影仪和Crystal EYE3.0立体眼镜、投影幕布和野猫图形工作站，才能具体表演有沉浸感的，可交互的CK6820立体装配虚拟现实演示系统。

为了更加直观地展示虚拟装配的过程，本发明在野猫图形工作站上利用Vis Mockup软件进行了CK6820仪表数控车床的三维虚拟装配的开发。

在Vis Mockup软件中设计CK6820数控仪表车床的装配过程，首先需要把其零部件(一部分用SolidWorks设计，一部分在3DMAX中设计)转换到Vis Mockup环境中来。Vis Mockup软件使用jt格式，它本身和UG软件是同一家公司的产品，所以最好模型是在UG中设计开发，这样就不存在格式转换问题了，但CK6820主要是在SolidWorks中设计开发的，所以必然遇到转换格式问题。虽然Vis Mockup、SolidWorks、3DMAX都提供了多种互相转换格式，但每种转换格式都不尽完美。如stl格式在转换过程中零件颜色信息就丢掉了，不过stl格式能保证各零部件的相对位置在转换过程中不变，并且各零部件可以单独操作，这一点很重要，唯有这样才能在Vis Mockup环境中设计各零部件的动作。Wrl格式是一个不错的格式，它能在转换过程中保留颜色、光照、纹理、位置、大小等多种信息，而且它所占硬盘空间最小，但是此种格式往往是只能整体操作，不能单独对各零部件操作。因此，本发明采用先用stl格式把SolidWorks设计的大部分CK6820零件装配图(缺外罩和面板)转换到3DMAX中，并在3DMAX中把颜色信息重新调整好，与在3DMAX中事先设计好的CK6820数控仪表车床的罩壳对接上，最后再通过wrl格式转换到Vis Mockup环境中。CK6820数控仪表车床极大部分是在SolidWorks中设计，一小部分是在3DMAX中设计，在其一部分零部件转换到3DMAX中时，其大小和位置都已改变，与其罩壳不能直接对接，好在3DMAX提供了大小和位置调整工具，可以把两者位置调整好。3DMAX软件也有一个缺陷，不能一步插入所有stl格式的零部件，而只能一个个插入，当需插入大量零部件时就非常费时、费力，也容易出错。为此开发了一个用于转换软件的接口，可以模仿手工一个个自动插入所有stl格式零部件到3DMAX中，极大地提高了工作效率，永远解决了这一繁琐费时费力的工作。CK6820数控仪表车床的操作面板也是采用上述方法加以解决的，总之所有的转换工作都是一个细致的工作，不能有一丝错误，否则转换就不成功，也就不能进行下一步工作。

在所有的转换工作做完之后，才真正进入到利用Vis Mockup软件CK6820数控仪表车床的三维立体装配正题上。Vis Mockup软件设计各零部件的运动路径时，可以充分利用摄像机、线性路径、可视性等多种功能设计单个或者是整体部件的运动动作。如同电影导演一样，安排各个零部件的出场顺序、方式、时间等，都需要进行大量的试验，往往是一个动作要修改十几、二十次才能取得较为满意的视觉效果。这里面有个问题很重要，就是模型简化问题。由于Vis Mockup软件设计的是交互式虚拟现实场景，它不同于3DMAX等软件设计出来的动画，前者是进行动态实时渲染，而后者是静态渲染。动态渲染是运行时进行实时渲染，而静态渲染是事先把场景一帧帧渲染好，在播放时一帧帧调出来，它不占运行时时间，但它最致命的弱点是不能进行交互操作，这也是虚拟现实和动画最主要的区别之一。由于要进行动态渲染，Vis Mockup软件对计算机硬件有较高要求，特别是对显卡、内存、主频等都有较高要求，一般都需要高性能的图形工作站，又因为是要进行立体显示，它相当于同样的一幅画面需要表示为有一定重影的两幅画面，这样计算量就增加了一倍。这些都是需要引起注意的地方。本实施例中，采用从两个方面来处理：一是提高计算机性能，如增加内存，更换高性能显卡等；另一方面就是对模型进行适当简化，比如在试点比较远时，可以把一部分零部件从内存中去掉，或者在罩壳安装后去掉里面看不到的一部分零部件等。

三维虚拟装配的效果可参见图9～图13。

Claims (7)

1、一种数控仪表车床三维立体装配演示系统的构建方法，其步骤包括：

S1、先把在Solidworks软件中设计的CK6820型数控车床的大部分零部件转换到软件3DMAX中；

S2、在软件3DMAX中，把已设计在其中的机床外罩和面板与转换来的CK6820型数控机床零部件相结合，形成CK6820型数控仪表机床的整体零部件；

S3、然后，再从3DMAX把所形成的CK6820型数控机床的整体零部件转换到Vis Mockup软件平台中；

S4、之后，在Vis Mockup软件平台上设计CK6820型数控机床各零部件的装配顺序的路径作业，并配音及文字说明；

S5、最后，链接立体投影设备及立体眼镜，构成数控机床三维立体装配演示系统。

2、根据权利要求1所述的数控仪表车床三维立体装配演示系统的构建方法，其特征在于，步骤S1中所说的CK6820型数据车床的大部分零部件是指已建模的零部件，包括底座、主传动、床身、主轴箱、编码器、拖板、刀盘刀架三维立体装配。

3、根据权利要求1或2所述的数控仪表车床三维立体装配演示系统的构建方法，其特征在于，在S1中所述的把已建模的CK6820型数控车床零部件转换到软件3DMAX中的步骤，还包括先把在Solidworks软件中建模的CK6820型零部件转换成Stl格式，以及经由一接口转换软件将所有的经转换成的Stl格式零部件一个个地自动插接后送入软件3DMAX中。

4、根据权利要求1所述的数控仪表车床三维立体装配演示系统构建方法，其特征在于，S2中所述的在软件3DMAX中对转换来的CK6820型建模零部件与3DMAX中已建模的机床外罩，面的相接合的步骤包括重新调整颜色、大小和位置的步骤。

5、根据权利要求1所述的数控仪表车床三维立体装配演示系统构建方法，其特征在于，在步骤S3中，包括只把在软件3DMAX中形成的CK6820型数控机床的整体零部件转换成Wrl格式，再转换到Vis Mockup软件平台。

6、根据权利要求1所述的数控仪表车床三维立体装配演示系统构建方法，其特征在于，在步骤S4中，还包括对虚拟现场进行动态实时渲染的步骤。

7、根据权利要求6所述的数控仪表车床三维立体装配演示系统构建方法，其特征在于，所说的对虚拟现场的动态实时渲染是依靠提供高性能的计算机和对已建模型的进行简化装配操作。

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