基于MATLAB和VRML的减速机虚拟装配设计

江北大 刘治宏 蔡晓红

机械装配技术是士官职业技术教育机电类专业的一门专业基础必修课，通过本课程的学习，为学生学习专业课和从事军械维修工作打下坚实基础。减速机的结构认识和装配训练是该课程的重点内容之一。学生普遍反馈减速机零部件众多，直接上手拆装难度较大。运用Matlab中的Simulink 3D Animation虚拟现实工具箱，结合VRML技术，制作出可交互减速机的虚拟装配场景，不仅能够将减速机的结构、原理、运动方式讲解得更清楚，还能够极大地激发学生的学习兴趣，促进学生的训练积极性。

1 Matlab虚拟现实工具箱简介

Matlab是MathWorks公司出品的一款商业软件，主要用于数据可视化、数据分析以及数值计算等用途，具有功能强大、容易调试、交互性好等特点。在机电类课程教学中，机构的运动仿真和虚拟装配对于帮助学生理解机构的结构原理和运动特性至关重要。在Matlab中实现机构运动仿真的方法主要有三种，第一种是基于模型解算，首先列出机构的运动方程，然后通过编程进行数值计算得到机构中各构件的运动轨迹、速度、加速度等参数，缺点是结果大多通过大量的数据来显示，不够直观。第二种是通过SimMechanics工具对机械系统进行建模和仿真，优点是编程工作量少，缺点是仿真结果难以通过三维模型形象地展示。最后一种则是运用Matlab提供的Simulink 3D Animation虚拟现实工具箱结合VRML语言编写的三维模型来實现。VRML全称为虚拟现实建模语言，已经通过ISO组织认证为国际标准，被各大主流建模软件支持。Matlab从6.1版本增加了Simulink 3D Animation虚拟现实工具箱，提供了实现VRML格式三维模型对象交互的途径。第三种方法结合了前面两种方法的优点，不仅实现难度低而且仿真结果更加形象逼真。

2减速机虚拟装配设计

2.1 总体思路

减速机是一种由齿轮传动、蜗杆传动所组成的传动装置，在原动机和工作机之间起匹配转速和传递转矩的作用，应用非常广泛。

减速机的虚拟装配设计涉及各零部件的平移和旋转等运动形式。比如，通过向下平移箱盖实现将其安装到箱座上，螺钉的装配则要求螺钉做旋转和平移运动。在VRML语言中，驱动减速机各零部件的运动，主要用到ROUTE节点和TimeSensor、OrientationInterpolator、translationInterpolator等传感器节点，在Matlab虚拟现实工具箱中，则是通过改变各零部件Transform节点的translation域和rotation域的域值来更加简便地实现。

减速机虚拟装配设计的基本思路是首先需要建立减速机的三维模型并转换为wrl格式，然后进入Simulink中的VRSink模块，根据减速机拆装时各零部件的运动规律，编写控制框图。

2.2 减速机零部件建模

VRML语言支持使用基本几何节点创建简单的三维模型，比如使用Box节点创建一个长方体，但对于复杂的模型，使用专业的三维建模软件UGNX建立零部件的模型再导出为wrl格式更为简便。方法如下：

1）使用UGNX软件建立减速机各零部件模型并装配；

2）将装配体导出为wrl格式，选择输出类型为VRML 2.0（动画）；

3）使用Matlab软件中的3D World Editor应用程序打开减速机wrl文件，将UGNX自动生成的数字形式的各零部件Transform名称改为便于识别的英文名称，以便在Simulink中区分。

2.3 减速机虚拟装配的实现

在Simulink中新建一个空白Model，将VR Sink模块添加到Model中，然后将Source file设置为减速机的wrl文件，并在Virtual World Tree中勾选减速机虚拟装配中做平移运动的各零部件（箱盖、轴、螺纹紧固件等）Transform节点的translation域，以及做旋转运动的各零部件（螺纹紧固件等）Transform节点的rotation域。

以端盖螺钉的虚拟装配为例。首先添加一个VR Signal Expander模块作为螺钉Transform节点的translation域的域值，Output width设置为3表示translation域的三个坐标轴变量，Output signal indices设置为[2]表示translation域的第二个坐标轴变量，然后添加一个Repeating table模块作为VR Signal Expander的输入值，根据端盖螺钉装配时间，Time values参数设置为[0 10 11]，Output values参数设置为[ 0 400 400]表示螺钉从初始位置沿旋入方向做匀速直线运动到螺纹孔然后停止。螺钉旋转的实现相对于平移较为复杂，方法是通过Constant、Repeating table和Mux等模块设置螺钉的固定旋转坐标轴和递增的角位移。螺钉的虚拟装配仿真模型如图1所示。

3结论

VRML格式作为国际标准，被主流三维建模软件支持，非常适合作为机构运动仿真和虚拟拆装的素材。运用Simulink 3D Animation虚拟现实工具箱和VRML技术实现常用减速机的虚拟拆装，使机械装配技术课程能够更加形象直观、充满趣味，从而显著提升教学效果。

（作者单位：陆军工程大学军械士官学校基础部机械基础教研室）