毕业论文-基于虚拟现实的铸造工艺流程仿真

1、第一章 绪论1.1 选题的背景及意义机械工程是社会发展和国民经济建设的基础学科之一。机械类专业人才的培养在整个教育中是非常重要的一部分。但我国机械专业的教学长期以来沿用原苏联的教学模式。而这种教学模式存在着严重的弊端，例如专业口径较窄、专业划分过细、内容相对过深、体系过于陈旧。随着我国的新技术的迅速发展，使机械工程、机械制造比以前的时代发生了根本性变化。这种传统的机械类教学模式必须彻底改革，不然就不会有创新。实验教学是一种将课本知识结合到实际的教学方式，实验教学不仅巩固了学生课本上的基础知识，而且还能够培养学生的实际操作能力和动脑能力。由于机械专业属于工科类教学，对学生的实践动手操作能力要求极

2、高，所以实验教学是提高机械工程专业学生实践动手操作能力的一个重要教学环节。但是由于各种条件的限制，比如操作实验设备难度大、缺乏实验设备、容易精密仪器损坏、实验时间和资源的消耗大等，学生缺乏大量去尝试的机会，也因此这的相当数量的实验创新教学不能正常开展，另外一些抽象性的实验在现实情景中很难实现，例如铸造等等，从而耽误了对学生动手实践能力的培养。将虚拟现实技术应用在实验教学中，可使虚拟出来的效果接近真实实验效果1。铸造成型在现代加工中占有不可或缺的地位，是制造生产复杂零件最灵活的方法。铸造实习是金工实习重要的环节之一，通过铸造实习学生可以学习到常规的铸造工艺，同时也能够了解到基本先进的铸造技术。但

3、是因为受到我国传统教育思想的影响，实验教学的模式一直有一下几个方面的问题:（1）教学方法基本上还是老师带学生的模式，老师做学生在一旁看和模仿，过多的约束使学生难以发挥自己的想象空间，形成了一种被动的模仿实习，而不是由学生自己摸索得到的知识。在过去的实习教学中，都是由指导老师示范砂型的制作过程，然后由学生进行模仿进行操作，然而大部分学生做出来的作品都是基本的形状；（2）后续的浇注过程没有得到很好的展开，学生很难对砂型铸造的后续金属浇注过程有一个直观的认识，例如不同金属熔炼所需要具备的条件、浇注前金属液体的微观状态、铸件的成型过程以及铸件可能产生的缺陷等。而且在这种情况下学生很容易失去对实习的兴趣

4、以及实习的成就感，从而打击到了学生实习的积极性，并且影响到部分同学的学习热情；（3）学生在实际操作之前没有得到相关实习的理论教学。例如学生没有掌握砂型铸造的要点，有的学生不是十分了解基本操作步骤。华南理工大学机械工程虚拟仿真实验教学中心是首批国家级虚拟仿真实验教学中心之一，已经实现了一系列校内具有特色的虚拟实验教学。但是仍然缺少一个虚拟铸造实验平台。在学校现有的资源下，金工实习时砂型铸造都是用沙代替砂型，用蜡代替金属的简单实验。即使学校重新建造铸造车间，一方面无法满足多人同时实验的要求，另一方面很难发挥学生们的想象力和创造性，而且实验室的维修和材料等的支出也是一个不小的成本。所以有必要搭建一个

5、基于虚拟现实的铸造仿真实验平台来解决以上问题。这样做的意义有以下三点：（1）可以减少教学和研究成本，节约研制经费，充分发挥现有的科学仪器的作用，提高效率。特别是通过网络能够实现许多仪器的资源共享，避免了大型仪器设备的重复添置，减少不必要的浪费1；（2）减少危险实验或操作给人带来的危害。以往对于危险的或容易对人体造成伤害的实验，例如铸造时高温的金属溶液容易烫伤学生，一般采用观看老师操作或者观看电视录像的方式来取代实验，学生无法直接亲手操作，获得亲身的体会。利用虚拟现实技术实现的虚拟实验，则可以避免这种顾虑；（3） 提高学生的自学能力，学生通过网络实验平台，靠自己自学，摆脱了传统实验教学中教师做一

6、遍学生跟着做的弊端，大大地提高了学生的积极性和创造性2。1.2压力铸造技术简介1.2.1压力铸造的工艺原理压铸是指在高速高压的作用下，将液态或半液态金属填入压铸模型腔，并使金属液在一定的压力下快速凝固成铸件的一种精密铸造方法。依照压铸机种类不同，压铸方法主要可以可分为热室压铸和冷室压铸两大类。热室压铸中，压射系统的压室置于坩埚内，压铸过程中，压射冲头上升使进料口露出时，液态金属由坩埚进入压室中。压射冲头下压时，液态金属沿着通道经喷嘴进入压铸模的浇注系统而填充模具的型腔。等待金属冷凝成型后，即可开模，并由推出机构推出压铸件。热室压铸的工艺原理如图1-1所示。a）压射之前 b）压射之后图1-1热室

7、压铸工艺原理简图冷室压铸中，熔化金属的坩埚和压室是分开的，压铸时，需要从熔化炉的坩埚内盛取液态金属注入压室再进行压铸。压铸时，首先压铸模合拢锁紧后，用浇勺把液态金属由注口倒入横卧的压室中，然后压射冲头向前移动，把液态金属压入压铸模，接着动模移开，打开压铸模，成型的铸件连同浇注余料一起随动模移动，最后由推杆机构把铸件推离动模。冷室压铸生产效率较热室低，但其应用范围较广，铝、锌、镁、铜等有色合金均可使用冷室压铸方法加工。冷室压铸的工艺原理如图1-2所示。a）压射之前 b）压射之后图1-2冷室压铸工艺原理简图1.2.2压力铸造的工艺特点高速充型和高压凝固是压力铸造时液态金属填充成型的两大特点，也是压

8、力铸造工艺与其他铸造工艺的最根本区别。压铸时得压射压力一般为20200MPa，最高可达500MPa；充填速度可达0.5150m/s；充填时间一般为0.010.2s。另外，由于压铸时高压高速，因此压铸模具必须采用金属材料，并要求具有很高的加工精度和较低的表面粗糙度。上述特点也决定了压铸工艺本身的优缺点。1压铸工艺的主要优点：（1）压铸件尺寸精度高，而且表面粗糙度低；（2）可压铸薄壁复杂铸件；（3）压铸件的表面硬度和强度高；（4）生产效率高；2压铸工艺的主要缺点：（1）压铸件中的气孔很难避免；（2）压铸件合金类受到限制；（3）压铸件断面组织及性能变化较大；（4）压铸尺寸和质量受到限制。1.2.3压

9、力铸造发展概况压力铸造技术是目前铸造生产中技术含量较高的先进铸造方法之一，其产品质量好、生产效率高、经济效益佳，因此被普遍应用于各类制造行业。以锌合金为代表的低熔点合金压铸件应用较为广泛，如电表骨架、汽车连杆、壳体、照相机零件等；铝合金压铸件性能不断改善，应用日益增多，大多使用在纺织机械配件、气缸体、车门、离合器、水泵外壳、减压阀、摩托车发动机曲轴箱、电机转子中；镁合金压铸件因其材料比强度较高而多应用在飞机零件中。20世纪80年代以后，随着自动控制技术、电子计算机技术、检测技术的迅速发展，通过对这些先进技术的综合应用，压铸技术、工艺和压铸机日渐完善。压射工艺参数的检测、压射过程监控和显示、故障

10、诊断及报警手段不断更新，生产环境完善，压铸生产效率进一步提高3。1983年，Toshiba公司实现了对压铸过程的计算机控制。该控制系统具有远程设定压铸机预设程序、检测机器运行状态、参数检测显示并打印、锁模力及模具厚度调节的自动控制、生产管理的记录和储存、故障诊断等多种功能4。1.3虚拟现实技术概述1.3.1虚拟现实技术的定义及特点虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)或称虚拟环境(Virtual Environment，简称VE)技术，是在计算机仿真技术、计算机图形学、传感器技术及多媒体技术等多种技术的基础上发展起来的一门综合性技术4。它主要是通过视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉等来

11、感觉到虚拟环境的图像、声音、力等等的信息，由此使用者产生出一种真实的感觉。虚拟现实是一门集成了人与信息的科学。它是以计算机技术为核心，生成逼真的虚拟环境，这些环境可以是真实的，也可以是完全虚拟构建出来的模型，使用者借助一定的硬件设备与虚拟世界中的物体进行交互，获得视觉、听觉、触觉等从而产生身临其境的感觉5。虚拟现实技术作为计算机的一个新领域，近年来逐渐被重视，并广泛地应用在军事、建筑、工业仿真、医学、文化教育、农业和计算机技术等方面6。虚拟现实技术的特点可归纳如下：（1）交互性：交互性是指使用者通过输入输出设备如鼠标、键盘、特殊头盔、数据手套等，来对虚拟环境中的对象进行调整或操作。例如使用者利

12、用数据手套用手去抓虚拟物体，这时手套产生作用力，使使用者有触摸到物体的感觉，并且显示屏上物体的位置产生位移，使用户看到被抓的物体随着手的移动而移动；（2）沉浸性：沉浸性是指用户在虚拟环境中感受到的真实程度。虚拟现实世界通过计算机产生逼真的三维立体图像，使用者与虚拟环境中的对象各种交互作用，使用户如同在现实世界中一样。这种感觉如此的真实，以至于能够迷惑人们全方位地沉浸于虚拟环境中，称为虚拟环境的一份子，产生身临其境的感觉；（3）多感知性：多感知性是指理想的虚拟现实技术具有出了一般计算机技术所拥有的视觉感知以外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知甚至是味觉或者嗅觉感知等；（4）自主性：自主性是指虚拟

13、环境中物体依照现实中的物理定律的程度。例如，把一个物体推倒，它的运动轨迹、运动速度等等7。1.3.2虚拟现实技术的发展现状虚拟现实技术起源于美国，最初的目的是为了满足国防方面的航空和航天需要，近年来虚拟现实技术得到了很大的重视，发展迅速。在这方面美国处于国际研究的前沿，他的研究最早，也是最广泛的。早在20世纪80年代，美国国家航天航空局（NASA）就开始了对虚拟现实的研究，在1981年，他们就开始研究空间信息显示，1984年又开始了虚拟视觉环境显示（VIVED）项目，并开发了虚拟界面环境（VIEW）工作站cAmes完善了HMD。北卡罗来纳大学（UNC）是一所进行VR研究最早的著名大学，他们从1

14、970年开始研究交互式分子建模，并解决了分子结构的可视化，开发了名为“Walk Though”的漫游系统。Loma Linda大学医学中心是一个经常从事高难或有争议医学项目研究的单位，他们巧妙地把VR设备应用于探讨与神经疾病相关的问题，并首创了VR儿科治疗法。在欧洲，欧盟的个个成员如英国、德国、瑞典、西班牙等都积极地进行了虚拟现实技术的相关研究。在英国，ARRL有限公司主要研究一般性的硬件/软件结构问题、人员因素问题。在德国，德国国家数学与计算机研究中心（GMD）专门有一个部门研究科学视算与VR技术8。在亚洲，日本的虚拟现实技术研究得到迅速的发展。东京大学的原岛研究室开展了三项研究，分别是：三

15、维结构的判定、人类面部表情特征的提取和三维形状的表示、动态图像的提取。而东京大学另外一个研究室广懒研究室野开发了多项研究成果，如飞行仿真器。我国的虚拟现实技术相比较其他国家来说起步较晚，技术上有一定的差距，但是依然有不少的科研院所和重点高等学院不断地努力研究着。其中清华大学信息科学技术学院对虚拟现实及临场感等方面进行了大量的研究，其中不少方案，如克服立体图闪烁的措施、深度感实验测试和球面屏幕显示和图像随动等，都具有自己的特色8。另外北京航天大学虚拟现实与多媒体研究室主要为我国军事模拟训练与演习提供一个多武器协同作战或对抗的战术演练系统，他们开发了直升机虚拟仿真器、坦克虚拟仿真器、计算机兵力生成

16、器等等9。1.3.3虚拟现实软件简介虚拟现实软件种类有很多，包括Virtools、Quest3D、Converse3D、VR-Platform、EON Studio等。下面主要介绍的是EON Studio这款软件。EON Studio 是一种依据 HYPERLINK /view/40043.htm t _blank 图形使用者接口，用来研发实时3D HYPERLINK /view/3323.htm t _blank 多媒体应用程序的工具，主要 HYPERLINK /view/220910.htm t _blank 应用在 HYPERLINK /view/757.htm t _blank 电子商

17、务/营销/数字学习/教育训练与建筑空间等领域。研发步骤：首先是输入3D对象，通常这些对象会先由3D HYPERLINK /view/3047197.htm t _blank 绘图软件完成，如3D Studio MAX、Lightwave、SolidWorks等等。输入模型后，就可以透过EON视觉图型化 HYPERLINK /view/2809361.htm t _blank 程序接口、Scripting或C+程序代码轻易让模型加上动作。最后，EON程序档案可以经由网络或 HYPERLINK /view/111761.htm t _blank 封包展示10。EON Studio提供应用广泛的物体

18、及贴图，操作非常简便，使用者不需要是专业的程序设计师，就可自行增加丰富的互动效果，而且有超过100个预设好的节点，拥有高灵活性与实用性。因为EON Studio易学易用，即使是以前没用使用过的人也可以很快可以熟悉这个软件，并且表现逼真以及整合性强，所以本文主要就是利用EON Studio来实现工艺流程仿真。1.4文章构架本文其他各章节安排如下：第二章，介绍本文中所设计的压力铸造工艺的基本理论知识和压铸机的基本组成结构，并讲解了压力铸造的工艺过程。第三章，概述了对于压铸机和车间的建模，简单介绍了如何利用虚拟现实技术实现工艺仿真，最后给出本文仿真的压铸工艺方案。第四章，介绍了EON主要的节点应用，

19、并详细地讲解了压铸工艺仿真中各种功能的实现方法。第五章，概述了本次设计的主要成果，并提出不足，以待之后的改进。第二章 压力铸造关键技术2.1引言为了对压力铸造的工艺流程进行仿真，本章首先详细分析压力铸造的重要参数，然后介绍压铸机的各个组成部分及其作用，为对其进行建模打下基础，然后对各个类型的压铸机的工艺流程进行介绍。2.2压力铸造的基本理论压力铸造的主要特点是金属液在高压、高速下充填压铸模的腔型，并在高压下成型、结晶。因此，压铸过程中压力和速度的变化及其作用至关重要的，它们直接影响金属充填形态和金属液在型腔中的运动，从而影响压铸件的质量11。2.2.1压铸压力压铸压力是压铸工艺中主要的参数之一

20、。压铸过程中的压力是由泵产生的，泵借蓄压器通过工作液体传递给压射活塞，然后由压射活塞经压射冲头施加于压室内的金属液中。作用于金属液上的压力是获得致密组织和清晰轮廓的铸件的主要因素，所以为了正确利用压铸过程中各阶段的压力，了解并掌握压铸过程中作用在液态金属上的压力的变化情况是必须的。压铸过程中的压力可以用压射力和压射比压两种形式来表示。（1）压射力：压铸机压射缸内的工作液作用于压射冲头，使其推动液态金属充填模具型腔的力，称为压射力。（2）压射比压：压射比压就是在压射过程中，压室内单位面积上液态金属所受到的静压力。压射比压是液态金属在充填过程中各个阶段实际所得到的作用力大小的表示方法，它反映了液态

21、金属在充填时得各个阶段以及金属液流经各个不同截面时的力的概念。在压铸过程中，作用在液态金属上的压射比压并不是一个常数，而是随着压射阶段的变化而变化。液态金属在压室与压铸模型腔中的运动可分解为四个阶段，在不同阶段，压射冲头的运动速度v与液态金属所受到的压射比压p曲线，如图2-1所示。图2-1压射比压随压铸阶段的改变第一阶段1：压射冲头以慢速v1前进，封住浇口，液态金属被推动，其所受压力p1也较低，此时p1仅用于克服压室与液压缸对运动活塞的摩擦阻力。第二阶段2：在压射冲头的作用下，金属液完全充满压室至浇口处的空间，压射冲头的速度达到v2，压力p2由于压室中金属的反作用力超过了p1。第三阶段3：液态

22、金属充填浇注系统和压铸模型腔，因为内浇口面积急剧缩小，所以金属液流动速度v3下降，而压射比压则上升到p3。第四阶段4：这一阶段的主要任务是使铸件在p4下凝固，所以速度下降到0，压力p4上升。所需最终压力p4的大小与合金的种类、状态和对铸件的成型质量要求有关。上述过程成为四级压射，根据工艺要求，压铸机应均为四级压射，但一些中小型的压铸机通常会把第二和第三阶段合为一个阶段。在整个过程中，p3和p4是最重要的，p3越高所得的充填速度越高，而p4越高则越容易得到外廓清晰、组织紧密并且表面粗糙度要求高的铸件11。2.2.2压铸速度压铸中，压铸速度分为压射速度和充填速度两个概念。压射速度是指压铸机压射缸内

23、的压力油推动压射冲头前进的线速度。充填速度是指液态金属在压力作用下，通过内浇口进入型腔的线速度，它的主要作用是把金属液迅速地输入型腔中，是获得轮廓清晰、表面质量高的铸件的重要因素12。速度和压力是密切相关的两个工艺参数，因此除有适当的压射比压外，还必须正确地选择速度。当充填速度较低时，会使铸件轮廓不清，甚至不能成型；当充填速度较高时，即使压射比压较低也可以得到表面质量高的铸件。但是过高的充填速度会引起很多工艺缺点，主要有以下几点：（1） 高速的液态金属容易流到空气的前面，导致排气通道的堵塞，型腔内会形成气泡。（2）高速金属流产生漩涡，裹住空气和最先进入型腔的冷金属使得铸件容易产生气孔和氧化杂质

24、。（3）高速金属流对型壁的冲刷使得压铸模的磨损加快。（4）金属液呈雾状粘附在型壁上，使得后进入的金属液不能和它熔合形成表面缺陷，使得铸件表面质量降低。影响充填速度的因素有三个，分别是：压射速度、压射比压和内浇口截面积。所以生产中通常采用调整充填速度的方法是：调整压射速度、改变压射比压和调整内浇口的截面积。2.3压铸机的主要组成部分压铸机主要由合模机构、压射机构、推出和抽芯机构、液压系统、控制系统、机架等。下面主要介绍几个关键的机构的作用。（1）合模机构压铸机的开、合模及锁模装置统称为合模机构，其功能是打开和锁紧压铸模。压铸机的压射机构可以产生很高的压射力，使金属液进入型腔后产生很大的作用力。所

25、以要求合模机构具有足够的刚度和锁紧力，保证压铸模在充型和增压阶段不被胀开。现代压铸机的开、合模基本采用液压-曲肘式合模机构，传统的全液压合模方式已经很少使用了。因为与全液压合模机构相比，曲肘合模机构的推力放大，其合模缸直径可大大减少。液压-曲肘式开合模机构包括开合模液压缸、曲肘、动模板等装置，其结构及原理如图。工作时，开合模液压缸驱动曲肘机构做弯曲或伸直动作，带动动模板前后移动，完成开模和合模运动。此外，液压-曲肘机构的优点是结构紧凑，刚性大，系统控制简单，但是缺点是曲肘机构易磨损，加工精度要求较高13。a）合模时b）开模时图2-1曲肘机构（2）压射机构压射机构是实现压铸工艺的关键部分，它的功

26、能是将金属液以要求的速度压入压铸模型腔中，并快速增压使其在高压下凝固，形成完整的致密压铸件。压射机构位于压铸机的前端，压铸机通过压射机构实现工艺要求的压射速度、压射压力和建压时间等重要参数。所以压射机构的性能在很大程度体现了压铸机的工艺性能。冷室压铸机压射机构主要包括蓄能器、压射缸、增压缸、压室、压射杠、及冲头等，其结构如图。热室压铸机除上述组成以外，还包括鹅颈、射料管、喷嘴等，但一般不包括增压缸。目前使用的先进压铸机，其压射压力选择及压射过程均可由计算机控制。（3）推出机构压铸件在型腔中成型后，压铸模打开，附于动模型腔内的压铸件需要借助压铸机推出机构将其推离动模，以便将其取出。推出机构包括推

27、出液压缸、推出板、推杆等装置。2.4压力铸造的工艺流程压铸可分为热室压铸机压力铸造和冷室压铸机压力铸造两大类。其中冷室压铸机压力铸造又分为立式、卧式和全立式压铸机压铸。（1）热室压铸机的压铸过程：热室压铸机的压室浸在保温坩埚内的熔融合金中，压射部件装在坩埚上面，其压铸过程如图2-2所示。图2-2热室压铸原理1-金属液；2-坩埚；3-压射冲头；4-压室；5-进口；6-通道；7-喷嘴；8-压铸模其基本原理如下：压铸过程中，金属液在压射冲头上升时进入压室；压射冲头下压时，金属液沿着通道经喷嘴充填压铸模型腔，待金属液冷去凝固成型后，压射冲头上升，此时开模取出铸件，完成一个压铸循环。（2）立式压铸的压铸

28、过程：合模后，浇入压室中的金属液被已封住喷嘴空的反料冲头托住，当压射冲头向下运动压到金属液液面时，反料冲头开始下降，打开浇口道孔，金属液进入模具型腔，凝固后，压射冲头退回，反料冲头上升，切除余料，并将其顶出压室，取出余料后，反料冲头降到原位，然后开模取出铸件，完成一个压铸循环，其压铸过程如图2-3所示14。图2-3冷室立式压铸原理1-压射冲头；2-压室；3-反料冲头；4-定模；5-金属液；6-型芯；7-动模（3）冷室卧式压铸机的压铸过程：合模后，金属液浇入压室，压射冲头向前推动，金属液经浇道压入模具型腔，凝固冷却成压铸件，动模移动与定模分开而开模，在推出机构作用下推出铸件，取出铸件，完成一个压

29、铸循环，其压铸过程如图2-4所示。图2-4冷室卧式压铸原理（4）冷室全立式压铸机的压铸过程：金属液浇入压室后合模，压射冲头上压，使金属液进入模具型腔，凝固冷却成压铸件，动模向上移动与定模分开而开模，在推出机构作用下推出铸件，在开模同时，压射冲头上升到稍高于分型面顶出余料，压射冲头复位，取出铸件，完成一个压铸循环，其压铸过程如图2-5所示15。a)浇注-合模 b)压铸 c)开模图2-5冷室全立式压铸原理1-压射冲头；2-金属液；3-压室；4-定模；5-动模；6-型腔；7-余料2.6本章小结本章主要介绍了压力铸造的两个重要的参数，压铸压力和压铸速度。并详细分析了压铸机的三个关键组成部分的作用，分别

30、是合模机构、压射机构和推出机构。依据压铸机的类型，热室压铸机、冷室卧式压铸机、冷室立式压铸机和冷室全立式压铸机，简要介绍了它们的工艺流程。第三章 压铸工艺流程仿真3.1引言压力铸造是一门精密的铸造工艺技术，在进行工艺仿真前，必须先对其工艺仿真进行方案设计。本章将以压力铸造工艺仿真为对象，详细介绍压铸机的建模过程和仿真工艺的技术，并最后做出对压力铸造工艺流程的仿真最终方案。3.2压铸机及车间建模在进行压铸的工艺仿真之前，首先需要建立压铸设备（主要是压铸机）和进行工艺的环境的模型。本文使用SolidWorks来建立压铸机和车间的模型。压铸机和车间的建模过程大概可以分为3个阶段：1）在SolidWo

31、rks上初步建立模型，并将SolidWorks文件转化为VRML格式；2）将VRML文件导入到3ds Max中进行模型的渲染，再将3ds Max文件转化为EON文件；3）在EON Studio中对模型进一步处理。（1）在SolidWorks里初步建模。车间模型的设计主要是参照学校的实验室车间，主要的模型包括主体房屋、窗户、屋顶的支撑架、风扇、灭火筒、其他实验的实验设备、注意事项板和车间周围的建筑和环境。压铸机的模型则是既参照学校原有的压铸机设备，但由于这台压铸机正在处于维修中，导致测量尺寸不便和部分零件丢失，所以更多地参考是网上搜索的资料、图片和从图书馆借来的书上的资料，如图3-1是压铸机的外

32、壳。最后将装配图另存为VRML格式。图3-1压铸机的外壳模型图3-1冷室卧式压铸机的模型图3-2车间的模型（2）在3ds Max里渲染模型。由于SolidWorks的渲染效果不太好，所以将模型转化格式后导入到3ds Max里进行渲染。渲染主要用到的是3ds Max中的材质编辑器。在这个材质编辑器里可以创建自己的材质，并且可以贴图，楼房的墙壁和注意事项板都是贴图出来的效果，渲染效果如图3-3所示。然后利用EON Raptor插件将模型保存为eoz格式。图3-3模型渲染后的效果（3）在EON Studio里进一步处理。在EON Studio中，添加背景的设置和灯光等。经过三个阶段的建模、渲染和再处

33、理后，最终生成了比较真实的模型，之后就可以在EON Studio里进行工艺仿真的设计。图3-4 EON中处理后的效果3.3工艺仿真技术工艺仿真技术是利用虚拟现实（VR）技术，通过虚拟现实软件（如EON）在建好的三维场景中，与场景中物体的进行交互，来模仿现实中机械的运动和铸件的成型过程，实现虚拟的工艺流程。工艺仿真的关键是正确把握住工序的正确顺序和零部件之间的约束。从时间上来说，机械零件的运动时间即为工序的顺序。工艺进行中零部件按照事先规定的时间进行运动，表现出工艺的有序性。从空间上来看，零部件的空间移动视为位置变化，总体体现在整个机械装置的动作。工艺仿真的过程如下：用户向计算机发出进行某个工序

34、的指令，计算机识别命令后查找出相应的机械零部件，并查找相关逻辑动作，然后使一连串的零部件按照相应的逻辑进行时间和空间上的运动。3.4压铸工艺仿真流程实现方案前面已经提到过，压力铸造主要是可以分为两大类，一类是热室压铸机压力铸造，另一类是冷室压铸机压力铸造，所以最后决定制作两个压铸机的工艺仿真。一个是热室压铸机的工艺仿真，另外一个是冷室卧式压铸机的工艺仿真。3.4.1热室压铸机压力铸造热室压铸机压力铸造的第一步就是合模。合模并不是简单地把动模板移到定模板上，因为它的驱动系统是曲肘机构，关键点是把曲肘机构的几个连杆间的运动，由于连杆的运动并不是简单的绕同一个点运动或者是平行于一根轴运动，而是连杆1

35、在动，而连杆2则是绕着连杆1旋转，如图3-5所示，所以这里就要使用EON里的自由度节点来解决了。为了能够很好地实现合模工序，必须要把曲肘机构中的每个连杆的运动轨迹都要算出来，这样才能在EON上实现合模工序的仿真。图3-5接着的工序就是冲头上升，让金属液从坩埚流入压室中，然后冲头下压，封住金属液的入口，并且把金属液压向鹅颈管，通过鹅颈管进入模具中。这个工序的仿真关键点是能够让冲头能够有上下移动的能力，并且体现出金属液的流动。冲头的移动可以通过EON的位置节点可以解决，但是关于金属液的流动，想过很多办法，都不能够很好地解决，所以暂时没有实现。然后就是铸件成型，开模。开模和合模运动相似，关键是把曲肘

36、机构运动实现。最后的工序是把完成的铸件顶出。方案如图3-6所示。图3-6流程图3.4.2冷室卧式压铸机冷室卧式压铸机和热室压铸机的最大不同之处就是，冷室卧式压铸机的压室不是浸在金属液中的，在进行压铸之前，必须从压铸机外的坩埚内取金属液倒入压室中，然后再进行压铸工艺。另外，冷室卧式压铸机的冲头是水平移动的，而且也不需要后退让金属液进入压室。除此以外，冷室卧式压铸机与热室压铸机的压铸工艺仿真实现大致相同。3.5本章总结本章主要简要讲解了利用SolidWorks对压铸机和车间模型的建造，利用3ds Max对其进行渲染，最后在EON Studio上处理生成逼真的虚拟模型。并且说明了利用虚拟现实技术实现

37、工艺仿真的关键是时间和空间上的逻辑关系。最后分析了选取出来的两种压铸工艺的仿真流程。 第四章 基于EON的压铸工艺流程仿真4.1引言本章将主要介绍EON中的节点作用，并配合利用这些节点的功能详细地说明了在EON中如何实现在工艺仿真过程的各种更高级的应用。4.2EON工艺流程仿真技术及相关节点4.2.1EON工艺流程仿真技术三维模型完成并导入到EON后，每一个物体在EON中都有对应的框架节点。每一个框架节点下，都存有对应物体的材质和3D模型，如图所示。在工艺仿真的过程中，某个零部件的运动可以通过控制零部件对应节点的位置平移和旋转实现。但是，如何实现工序的顺序，是一个十分关键的问题。在EON中，可

38、以通过按钮节点和逻辑的设定有效地解决工序的顺序问题。所以总的来说，EON工艺流程仿真最重要的两个组成部分是：1.零部件的运动通过控制其节点的运动来实现；2.工序的顺序通过设定的按钮和逻辑完成。4.2.2EON相关节点介绍一个EON应用程序是将各种各样的节点按照设定的逻辑关系连接而成的。而这些节点在模拟程式中可以起到不同的作用。例如，实现声音的节点、实现行走效果的节点、实现键盘交互的节点等等。下面就来介绍一下工艺仿真过程中比较重要的节点。（1）框架节点（Frame node）框架节点是最常见的节点，可以拖动任何功能节点到其下面,可以在它的下层节点上表现平移、旋转以及比例设定。框架节点被用来群组多

39、个节点，泳衣制作出合适的模拟结构。如图所示，可以把想要同时改变透明度的部件放在同一个框架父节点下面，这样子编辑的时候要就可以迅速地找到自己需要的零部件。图4-1框架节点（2）自由度节点（Degree Of Freedom node）这个节点能够重新定义下层节点的中心坐标位置。放置在自由度节点下得下层节点内的物体能够透过自由度的重新定义，将改变下城节点内的物体原有的旋转轴中心位置，也可设定成只能沿着某一轴移动或旋转一定的角度。图4-2自由度节点（3）切换开关节点（Latch node）切换开关节点的触发是依靠着布林函数值，即0（FALSE）变1（TRUE）和1（TRUE）变0（FALSE）的应用

40、。此节点可用来当作简单的切换开关。如本程序中，它作为了一个切换零部件透明化的一个开关，只要有触发效果，就能转换零部件的状态，如图所示。图4-3切换开关节点应用（4）放置节点 （Place node）放置节点将物体放置到一个新的位置上，移动到局里物件现在位置的相对位置或是移动到局里物件原始位置的绝对位置。放置节点改变其上层节点的位置（X，Y，Z，H，P和R值），它的设定如图所示。其上层节点必须要有支援平移和旋转的功能。放置节点不仅仅能够可以移动物件，它也可以放入摄像机的框架里，使得摄像机也能够移动，制造出用户在虚拟现实中移动的感觉，如图所示。 a）放置节点属性设置 b）摄像机框架下的放置节点图4

41、-4放置节点（5）文本控制节点（2D Text node）文本控制节点允许用户在3D渲染窗口的顶部框内显示文字，文字的颜色和背景框的颜色都可以进行设定，字体、字体大小、字体格式、字体位置等都可以进行设定。框的大小和位置也可以进行设定，可以现实模拟场景的帮助信息。另外，该节点还可以产生互动的效果，当点击框的时候，可以按照设定的操作来进行不同的操作，这可能用到传感器节点。图4-5文本控制节点的应用（6）点击传感器节点（Click Sensor node）点击传感器节点是在模拟的视窗画面下侦测用户对着某物体按下鼠标左键的动作。点击传感器节点必须放置在框架节点下，这些被定义的框架和它下层的物体节点可以

42、感应到鼠标点击的动作。图4-6点击传感器节点的应用（7）时间触发器节点（TimeSensor node）时间触发器节点可以在规定的间隔内产生脉冲，而这些脉冲可以用来控制其他的一些节点，产生互动的效果。图4-7时间触发器节点的应用（8）任务节点（Task node）任务节点有四个文件夹，分别是ActivateOnStarted，DeactivateOnStarted，ActivateOnCompleted和DeactivateOnStarted，它们可以控制在文件夹内的节点，在任务节点的开始或者是结束时激活或者失活。这个节点可以解决程式中很多顺序的问题。图4-8任务节点4.3压铸工艺流程仿真的实

43、现4.3.1外壳透明化的实现外壳透明化是为了让用户能更清楚地观察到压铸机的机构运行过程，而不仅仅是只观察到它的表面。现在讲解下如何使外壳透明化功能的实现。（1）在框架节点下添加一个切换开关节点和SmoothOperator节点，SmoothOperator节点的作用是调节透明化的程度和透明化的时间，不至于给用户外壳一瞬间就没了的感觉，而切换开关节点则是实现开关外壳的透明化，为后面重置实验的实现做好准备。（2）SmoothOperator节点的State0value改为0.1，这样外壳可以透明90%。（3）把需要透明化的零部件的材质找到，然后进行逻辑连线，由切换开关输出端引出OnRunChang

44、ed，连接至SmoothOperator节点的Toggle，然后SmoothOperator节点输出端引出Toggle，连接至需要透明化的材质的Opacity，如图4-9所示。（4）逻辑连接完成后运行程序进行调试，若无错误即可进行下一个运动的动作设计。之后如果有零部件需要透明化，则是按照相同的步骤进行。图4-9透明化的逻辑连接4.3.2曲肘机构运动的实现曲肘机构运动是整个工艺仿真的重点也是难点，它的关键点是在于如何使连杆间的运动互相协调。下面来详细讲解下是如何实现曲肘机构运动的。（1）在框架节点下添加四个自由度节点sjxu，sjxd，dongmu，tb分别表示上连杆机构，下连杆机构，动模具和推

45、板，重新定义了他们的坐标，如图4-10。图4-10曲肘机构的四个自由度节点（2），如图4-11所示，将在相同坐标下运动的零部件放入各自的自由度节点下。图4-11推板自由度节点结构树（3）如图4-12 a）在dongmu中添加三个自由度节点dingchu，liangan1，liangan2分别是顶出机构，右连杆上，右连杆下，并放入各自的零部件。如图4-12 b）在sjxd中添加一个自由度节点xlgd是小连杆下，放入它的零部件。同样在sjxu中添加一个自由度节点xlgu小连杆上，放入它的零部件。a)动模自由度节点 b)下连杆自由度节点图4-12动模自由度节点和下连杆机构自由度节点结构树（4）在sj

46、xu中添加放置节点sjxu和sjxu2，分别是合模和开模的运动，sjxu设定如图，相对坐标下旋转90度，用时5秒，sjxu2则相反方向旋转90度。xlgu中添加放置节点xlgu和xlgu2，这是利用自由度的功能，使得在连杆机构旋转的同时，小连杆可以相对连杆机构继续旋转，设定为相对坐标下旋转15度，用时5秒。相同的操作在sjxd中进行一遍，但是不需要添加sjxd的放置节点。图4-13放置节点的属性设置（5）在tb中添加放置节点tb和tb2，设定相对坐标下x方向移动0.3米，时间5秒。（6）编写一个脚本节点，脚本的作用是计算出动模具离sjxu坐标系的距离，sjxd坐标系、ylgu坐标系和ylgd坐

47、标系相对sjxu坐标系的旋转角度，脚本如下。sub On_angleleft()dim sintdim costdim angleldim angleln(3)dim angler(3)dim anglern(3)dim p(3)const pi=3.14159anglel=angleleftangleln(0)=-anglel(0)angleleftn=anglelnsint=0.300*sin(pi/2+anglel(0)*pi/180)/0.500cost=sqr(1-sint*sint)angler(0)=atn(sint/cost)*180/pi-36.869897645844021

48、296855612559093angleright=angleranglern(0)=-angler(0)anglerightn=anglernp(0)=0.300*cos(pi/2+anglel(0)*pi/180)+0.500*cost-0.400distance=pend sub（7）如图4-14所示，连接逻辑关系，sjxu输出端的Orientation，连接到脚本节点的angleleft，脚本节点输出端的anglerightn，连接到各个自由度节点的Orientation。这样就能实现，只要sjxu一旋转，后面的坐标系就会依照脚本计算出各自的相对角度和位置，并且移动到相应的位置。图4-

49、14曲肘机构的逻辑连接（8）在框架下添加两个任务节点，分别是hemor和kaimor。将sjxu，tb，xlgu和xlgd放置节点快捷连接至hemor任务节点下得ActivateOnStarted文件夹中。并sjxu2，tb2，xlgu2和xlgd2放置节点快捷连接至kaimor任务节点下得ActivateOnStarted文件夹中，如4-15图所示。这样就能同时实现曲肘机构所有运动的动作。a)合模 b)开模图4-15合模与开模（9）运行程序进行调试。若无错误即可进行下一个运动的动作设计，如图4-16。a）合模b）开模图4-16开合模效果图4.3.3压射冲头运动的实现（1）在框架节点下添加一个

50、切换开关节点，并在冲头的框架节点下添加三个放置节点ctr1、ctr2、ctr3，如图4-17所示，作用分别是冲头的第一阶段运动，冲头的第二阶段运动和冲头返回原位运动。图4-17压射冲头的运动实现（2）设定ctr1相对坐标下y方向上升0.03米，用时2秒；ctr2相对坐标下y方向下降0.1米，用时5秒；ctr3绝对坐标下返回原点，用时5秒。图4-18所示三阶段的放置节点设置。a)第一阶段 b)第二阶段 c)返回图4-18放置节点的属性设置（3）为了让用户更清楚地观察冲头的运动，添加压射液压缸的透明化。（4）添加一个时间触发器节点，和两个常数节点，一个常数节点的State0value改为0，另一个

51、常数节点的State0value改为1，作用就是在程式模拟的开始时，使得铸件透明度变为0，然后在冲头运动时，铸件透明度变回1，这样就可以让用户产生一种视觉上的感觉，在压铸完成后，铸件成型。（5）如图4-19所示，连接逻辑关系，切换开关输出端的OnRunChanged，连接到ctr1的SetRun，ctr1输出端的stopped，连接到ctr2的Start，ctr2输出端的OnRunChanged，连接到常数节点的Trigger，常数节点输出端的Value，连接到铸件材质的Opacity，另外时间触发器节点的OnStartPulse，连接到常数节点的Trigger，常数节点输出端的Value，连

52、接到材质的Opacity。图4-19逻辑连接关系（6）运行程序进行调试。若无错误即可进行下一个运动的动作设计。4.3.4工序顺序的实现工序的顺序是压铸工艺中另外一个重要的部分，实现压铸工艺工序的顺序的办法是，每一个工序都用一个文本控制节点来控制，每点击一个工序的文本按钮，就进行那个工序的运动。另外，为了让用户不至于混乱工序的顺序，设置了点了一个工序的文本按钮，下个工序的文本按钮才会出现，并且该工序的按钮会隐藏。下面介绍如何实现上述的运动。（1）添加各个工序的文本控制节点，并设定背景框的大小、位置和颜色与文字的位置和大小，如图4-20所示。a)热室压铸的文本控制节点 b)文本控制节点的属性设置图

53、4-20文本控制节点（2）将各个文本控制节点输出端引出OnButtonDown，连接到需要控制的节点。例如如图4-21所示，toumingr文本控制节点输出端OnButtonDown，连接到toumingr切换开关节点的SetRun。图4-21文本控制节点控制运动（3）添加一个计数器节点Counter和一个动力开关节点PowerSwitch，将如图所示几个文本控制节点快捷方式到动力节点下，如图4-22所示，设定计数器节点的开始值为-1，范围为-1到4，并且循环运行，如图4-23所示。 图4-22动力开关节点的结构树 图4-23计算器节点的属性设置（4）将各个文本控制节点输出端OnButtonD

54、own，连接到计数器节点的Increment，计数器节点输出端引出Value，连接到动力开关节点的ActiveNr，如图4-24所示。图4-24计数器节点逻辑连接关系（5）添加一个Not逻辑运算节点，将一开始出现的reshiyazhu文本控制节点输出端的OnButtonDown，连接到Not的InValue，并将Not输出端的OutValue，连接到reshiyazhu文本控制节点的IsActive，如图4-25所示。图4-25逻辑连接关系（6）运行程序进行调试。若无错误即可进行下一个运动的动作设计。4.3.5视角转换的实现考虑到作为用户肯定是想清楚地观察到整个压铸过程的，但有时候并不是一个视

55、角就能看清楚，所以必须制作两个或三个视角。另外，由于是有两个压铸机的压铸工艺，所以在两个压铸机间也需要有一个视角切换的功能。（1）如图4-26所示，在Scene框架下的ActiveViewportCamera下添加六个放置节点，并设定好它们的坐标。图4-26摄像机框架中的放置节点（2）添加六个键盘触发器节点，并分别设定keycode为VK_1至VK_6。（3）如图4-27所示，将六个键盘触发器节点输出端OnKeyDown，连接到相应放置节点的SetRun。图4-27六个视角的逻辑连接关系（4）将之前设定好的reshiyazhu文本控制节点输出端的OnButtonDown，连接到reshi1放置

56、节点的SetRun上。效果就是只要点击了热室压铸实验的按钮，视角就会自动切换到热室压铸机前。（5）运行程序进行调试。若无错误即可进行下一个运动的动作设计。在工艺仿真的工程中，只要用户想切换视角观察，就可以点击键盘的1-6按钮，就可以转换视角了。4.3.6工艺重置的实现在工艺仿真完成后，考虑到用户可能会想进行下一个工艺仿真或者想再次进行该工艺仿真，这时就必须提供工艺重置的功能。工艺重置就是把运动过或透明化的零部件复原，并重新为用户提供工艺选择，如图4-28。a）重置之前b）重置以后图4-8重置效果图（1）添加一个文本控制节点，一个任务节点和一个Not节点，并如图4-29所示，将两个压铸机的冲头返

57、回运动和顶出机构返回运动对应的放置节点快捷连接至任务节点下的ActivateOnStarted文件夹中，另外将隐藏了的零部件相应的切换开关节点快捷连接至任务节点下的DeactivateOnStarted文件夹中。图4-29工艺重置的任务节点（2）如图4-30所示，连接逻辑关系，因为大部分逻辑关系的应用和功能都在前面有讲述，所以这里就不再重复了。图4-28逻辑连接（3）运行程序进行调试。若无错误即可进行下一个运动的动作设计。最后成功了以后，实现的效果就是，当用户仿真完工艺最后一步以后，就会出现一个按钮，如果按了这个按钮，所有零部件恢复到原始状态，并且重新出现两个按钮让用户选择下一个实验的类型。4

58、.3.7其他细节前面已经介绍了压铸工艺仿真的主要实现方法了，但是中间还有一些细节，比如如何协调两个压铸机工艺间的切换。下面来简单介绍一下。（1）进入车间在进行工艺之前，必须先进入车间，如图4-31所示，利用了一个点击触发器节点，和一个放置节点，和四个位置节点。只要点击车间的门，摄像机就会进行放置节点的运动，来到车间门口，并且车间的门会打开。图4-31进入车间的点击传感器节点应用（2）两个工艺间的协调为了使得用户在进行一个工艺的仿真时，不会点到另外一个工艺的按钮，设定为点击其中一个工艺的文本按钮以后，另外一个工艺的按钮会隐藏。（3）按钮重置因为考虑到用户可能会在工艺进行的过程中就把模拟程式关闭，这样就会使得工序按钮隐藏不能进行，那么下一次打开模拟程式时，按钮就会存在，使得用户有疑惑。所以，就利用了一个时间触发器节点和一个任务节点，并把按钮分别快捷连接到任务节点的ActivateOnStarted和DeactivateOnStarted文件夹中，如图4-32所示。它们的效果就是，在程式一