摘 要

虚拟加工仿真平台以SPL060行星减速器为研究对象，通过对虚拟加工仿真系统平台的建立，结合行星齿轮加工工艺，完成机械加工实训教学。与传统教学模式相比，虚拟仿真教学平台拥有更多的优势，如提供传统教学模式无法实现的沉浸感及交互性，在教学过程中能够达到更佳的教学效果。

本文利用建模软件SolidWorks建模，并结合虚拟开发平台Unity 3D，运用虚拟现实技术对行星齿轮加工过程仿真设计。首先，了解行星齿轮加工工艺相关知识，制定机械加工工艺流程；然后，分析Unity 3D在虚拟平台开发过程中的规范，并说明搭建虚拟仿真平台的操作流程。在平台搭建时，结合计算机图形学相关原理，对平台中场景设计；最后，建立行星减速器三维模型，将零件及刀具的三维模型通过工艺流程联系起来，形成一个完整的、功能完备的虚拟加工仿真系统。

关键词：虚拟加工；行星齿轮；加工工艺，图形学

ABSTRACT

The virtual machining simulation platform takes the SPL060 planetary reducer as the research object. Through the establishment of the virtual machining simulation system platform and the planetary gear machining technology, the machine processing training teaching is completed. Compared with the traditional teaching model, the virtual simulation teaching platform has more advantages, such as providing the immersion and interaction that the traditional teaching model cannot achieve, and can achieve better teaching effects in the teaching process.

This article uses modeling software SolidWorks modeling, combined with the virtual development platform Unity 3D, the use of virtual reality technology for planetary gear machining simulation design. First of all, to understand the planetary gear processing process related knowledge, develop the machining process flow; Then, analyze the Unity 3D in the virtual platform development process specification, and explain the operational flow of the virtual simulation platform. When the platform is set up, it combines the relevant principles of computer graphics to design the scene in the platform. Finally, a three-dimensional model of the planetary reducer is established. The three-dimensional model of the parts and tools is linked through the process flow to form a complete and fully-functional virtual process. Simulation System.

Key Words: Virtual machining; Planetary gear; The processing technolog，Graphics

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题来源和研究背景 1

1.2 虚拟仿真国内外研究现状 2

1.2.1 国内研究现状 2

1.2.2 国外研究现状 2

1.3 研究内容及技术路线 3

1.4 本章小结 4

第2章 虚拟仿真系统总体方案及关键算法研究 5

2.1 系统开发工具的选择 5

2.2 仿真系统模块化设计 7

2.3 计算机图形学 8

2.4本章小结 12

第3章 仿真系统的实现 13

3.1 点击触发事件 13

3.2场景转换功能实现 13

3.3 理论知识浏览功能实现 14

3.4 零件及使用刀具预览功能实现 15

3.5加工仿真演示效果实现 16

3.6 行星齿轮总体预览 16

3.7本章小结 17

第 4 章 行星齿轮加工工艺设计及加工仿真 18

4.1行星齿轮加工工工艺设计 18

4.1.1加工特征分析及加工方法研究 18

4.1.2齿轮刀具的分类及加工精度 19

4.1.3插齿工作原理 19

4.1.4 齿轮机械加工规程设计 20

4.1.5加工工艺参数确定 23

4.2行星齿轮加工过程动态仿真 25

4.2.1模型构建 25

4.2.2场景摄影机设置 28

4.2.3材质渲染 29

4.2.4加工动画实现 30

4.3本章小结 31

第5章 结论与展望 32

5.1经济可行性分析 32

5.2 总结 32

5.3展望 33

参考文献 34

致谢 35

附录 36

第1章 绪论

1.1 课题来源和研究背景

1.1.1 研究背景

随着计算机的高速发展，对计算机的应用越来越多样化。虚拟现实（Virtual

Reality，VR）是近些年衍生出的一种新兴技术。VR通过计算机技术对现实环境进行虚拟模拟和数字化处理，给人以沉浸于虚拟环境的体会。VR融合力觉反馈技术、视觉反馈技术、计算机图形技术，以及广角立体显示等多项前沿技术，形成了具有鲜明现代化技术特征的虚拟现实技术。

随着虚拟仿真技术的不断进步，现代制造业也随之不断创新，传统制造模式结合新兴虚拟仿真技术，形成了以虚拟加工、虚拟装配、虚拟拆卸为主的新型制造模式。

本文研究对象为行星齿轮，行星齿轮轮系相比较于传统的定轴齿轮轮系，拥有许多独特的优点。行星齿轮结构设计较为紧凑，能够实现较大传动比，并且行星齿轮轮系在完成同等传动要求的前提下，传动更加平稳，效率更高^[1]。而且行星齿轮的适用范围较广，无论是在高速大功率，或是低速大转矩方面，行星齿轮轮系均可以适用。

本次课题以行星齿轮为研究对象，结合行星齿轮加工工艺及虚拟仿真技术，重点通过SolidWorks对行星齿轮模型的构建以及使用Unity 3D对行星齿轮加工过程进行仿真研究。

1.1.2 研究意义

虚拟仿真技术具有以下三个特征：

（1）沉浸性

使用者在使用虚拟仿真系统过程中，可以通过视觉、听觉等身体感知，并与现实相联系，以此来获得沉浸感^[2]。

（2）交互性

在使用虚拟仿真系统时，使用者与虚拟环境是相辅相成的，使用者通过操作改变环境，而环境的改变反过来可以对使用者的感知产生变化，形成相互作用的效果。

（3）想象性

使用者操作虚拟环境会依据做出的实时反应符合客观规律；同时，使用者在使用虚拟平台时，对虚拟环境的感知如同现身其中。

与传统教学模式相比，虚拟仿真系统用于教学方面有以下两点优势：

（1）方便管理应用

虚拟仿真系统可在多种平台上应用，不仅在PC端，也可以在移动端应用。将本系统与数据库链接，可对系统进行管理并进行定期维护。

（2）新型教学模式

本系统通过UGUI界面设计及点击触发事件，了解行星齿轮相关理论知识，如工艺流程、加工刀具及机床等；也可以在系统中通过移动、旋转、缩放等功能对行星齿轮零部件进行预览，以及进行加工过程模拟演示。

1.2 虚拟仿真国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

目前，国内虚拟仿真技术在教学方面的应用较多。中国科技大学开发的几何光学设计实验台，将虚拟仿真技术与教学智能化仪器相结合。该系统模拟3D视觉效果，融合计算机辅助技术，其系统主要包括教学研究内容及所需的实验设备。虚拟现实技术的桌面式三维虚拟学习环境,能给学生带来更好的学习体验^[3]。

此外，北京航天航空大学研究分布式飞行模拟训练，浙江大学通过虚拟仿真技术构建了数字奥运博物馆原型。中视典数字科技自主研究虚拟现实平台，其虚拟平台产品包括虚拟现实编辑器、虚拟旅游平台、数字城市平台等。视典数字科技致力于将虚拟仿真技术应用于城市道路规划、工业设计仿真、桥梁仿真等众多领域。

虚拟仿真在教学方面运用同样较多，山东商务职业学院开发了以减速器拆装的案例的虚拟教学平台。该平台通过对减速器拆装过程的演示，可以避免在实际操作过程中受到场地、设备的影响^[4]。沈阳大学开发的关于汽车发动机典型零件的虚拟教学平台，不仅对汽车零部件的虚拟仿真设计，同时开发了考核系统，便于教学使用^[5]。

1.2.2 国外研究现状

E-Teatrix是浙江大学和INSEC在里斯本欧盟项目ELVIS下的合作成果^[6]。该系统通过计算机接口为孩子学习和彼此沟通提供一个虚拟学习环境，同时还提供了保持在相同虚拟空间的协作学习环境。

1985年，德国奔驰公司率先研发出六自由度驾驶模拟器^[7]，该模拟器可以模拟汽车的不同运行状态，使用者可以感受到汽车驾驶时的不同感觉；瑞典、日本等国家相继也研究出不同的汽车模拟器。英国将虚拟现实技术应用于恐高症的治愈研究，其模拟高空环境，恐高症患者可置身于该虚拟环境中体会不同高度的感受。同时将虚拟现实技术运用于残障人士的康复工作^[8]。

国外的Learn Anytime Anywhere Physics 物理实验室。通过Java语言控制计算机键盘、鼠标和显示器来执行存在于计算机背景中的仪器。基于计算及应用程序对仪器建模、仪器模拟或测量系统的执行动画，使得对虚拟仪器有着更广泛的理解。

总体来说，国内相较于国外研究还有一定差距，国内在虚拟仿真方面的研究仍有很多工作去完成。未来虚拟仿真技术的发展将与传感器技术、多媒体技术、人工智能技术等相结合，用户在体验虚拟技术时的体验将更加接近于现实生活。

1.3 研究内容及技术路线

1.3.1 主要研究内容及技术重点

通过对行星齿轮运动原理和内部结构的了解，概述行星齿轮相比其他定轴齿轮轮系的优势。分析现有对行星齿轮加工工艺的研究设计方案，提出一种新型的行星齿轮加工虚拟仿真方案：

（1）以行星齿轮为研究对象，利用 Unity 3D开发引擎软件结合C#计算机语言，设计开发UGUI界面，并将行星齿轮加工工艺虚拟仿真系统进行模块化开发。

（2）用Solid Works三维软件对行星齿轮毛坯及加工刀具进行建模。针对其结构特点及性能，对行星齿轮进行机械加工工艺规程制定。

（3）动态仿真过程的实现。利用Unity 3D中的C#脚本控制刀具的移动、轮齿的切削变化，同时设置外界控制按钮，如开始、暂停等。

本次设计的重点在于机械加工工艺规程制定、界面设计优化、动态仿真制作等。

1.3.2 技术路线

本文采取了SolidWorks三维建模软件来建立行星齿轮的三维立体模型。将所建立好的三维立体模型转换为相应的格式导入到Unity 3D运动仿真软件中，分析行星齿轮加工工艺，包括刀具的选择、加工工艺流程的制定等。最后，利用Unity 3D开发引擎创建虚拟仿真系统界面及加工仿真动画。

图1.1 技术路线流程图

1.4 本章小结

本章主要分析了课题的研究背景及研究意义，阐明了虚拟仿真设计的优势，并对本次设计的研究方向及技术路线进行概述，对论文的总体结构及设计思路有着清晰的认识。

第2章 虚拟仿真系统总体方案及关键算法研究

2.1 系统开发工具的选择

2.1.1 建模工具选择

如今，常见的建模软件有UG、CATIA、Proe以及SolidWorks。Proe 、CATIA曲面功能强大但操作繁琐。SolidWorks功能全面，在机械机构设计、钣金设计等领域有较大优势。

本系统主要是对行星齿轮模型的构建，除此之外，还需要对加工过程中所需要用到的刀具模型进行构建。综合分析，选择以SolidWorks为主的建模软件。SolidWorks包括零件、装配体、工程图等基本模块：

（1）零件

SolidWorks提供了基本特征、参数化的实体建模功能，通过使用拉伸和拉伸切除、旋转和旋转切除、扫描和扫描切除、放样以及圆角特征等操作完成零件设计工作。可以对特征和草图的动态修改，方便快捷完成产品设计修改工作。

（2）装配体

SolidWorks装配设计方式有两种：

表2.1 两种装配方式对比

两种装配方式各有其适用性，用户需要根据自身实际情况选择合适的装配方案。

Down-Top设计装配体设计流程图：

图2.1 Down-Top设计装配体设计流程图

Top-Down设计装配体设计流程图：

图2.2 Top-Down设计装配体设计流程图

（3）工程图

利用零件模型或装配体可生成工程图。

SolidWorks相比于同类型软件具有以下优点：

在绘制模型时，设计者可以根据明显的区分标志判断自己的设计状态是草图绘制状态还是特征定义状态；绘制草图尺寸过程中，SolidWorks可自动反馈约束关系，包括欠定位、过定位，有利于草图尺寸的绘制。同时，不同颜色的尺寸标准代表着草图的不同状态;有利于检查草图绘制的正确性。

2.1.2 加工过程动态仿真工具选择

目前，比较流行的仿真系统开发平台主要有Quest3D、Virtools、Unity 3D等。相较于Unity 3D而言，Quest3D兼容性及接受输入格式较差，Virtools操作性较难，综合选择以unity 3D为动态仿真工具。

Unity 3D是一款全面整合了三维场景、动画效果和三维视频的专业游戏引擎，它是Unity Technologies公司开发的^[9]。选择Unity 3D作为系统开发平台，主要由于它具备以下三个突出优点：

（1）操作简便、容易上手。Unity 3D可以采用第一人称视角，可将图片、音频、视频等多种经过编辑后的素材以FBX格式导入。

（2）开发语言多样。Unity 3D支持C#和JAVASCRIPT语言，而且，Unity 3D程序的封装性能非常好，有丰富的插件资源可以选用，只需要相关的函数调用即可实现很多功能。

（3）多平台开发。早期的引擎，多以PC和CONSOLE为主，采用Unity 3D 创建的虚拟仿真系统不仅可以在PC端发布，同样也适用于移动端，如安卓手机系统、游戏盒子以及Windows电话等，适用范围较广，在平台变更时，只需修改少量代码即可^[10]。适用于移动端，使得Unity 3D成为当今选择虚拟平台开发软件的主流。

使用Unity 3D开发的虚拟平台是可由若干个2D、3D场景组成, 将直观生动的2D、3D场景作为虚拟平台展示界面，通过场景编辑功能将场景模式可视化。通过在Inspector属性面板中每个组件及对象自定义其属性，并附加在所创建的项目场景中，场景创建完成后，可在Scene窗口最大化预览运行效果，检查场景创作是否存在的缺陷，并方便对其做出修改。

场景素材可选择Unity 3D自身组件，也可以导入外界一定格式素材，由Inspector控制每一素材的属性，C#或JS脚本控制其动作变化。与建模软件及动态仿真制作软件交互方面，与其他仿真软件与建模软件交互比较，Unity 3D具有良好的交互性。由SolidWorks制作完成的仿真动画以avi格式导入Unity 3D中，利用C#脚本控制其播放不会失真。

除上述优势外，Unity 3D还具有以下特征：

（1）层级性综合开发环境，独特的层级性组织架构，建立父子关系，使系统层次更加明确。 该形式更符合用户的思维模式，使用简单方便^[10]。

（2）自定义环境。在场景中编辑对一个模型的材质时，选中此模型，即可弹出材质编辑器。 Unity 3D的组件式思路，将这种关系变得更加紧密。在操作材质编辑器时犹如在操作模型本身，能够自如控制模型的材质、碰撞器、对象结构等。

（3）Unity 3D中可对物体设置贴图及纹理，支持阴影贴图、反射贴图、环境剔除、凹凸贴图等技术。

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