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1. 研究目的与意义（文献综述）
1.1齿轮加工工艺概述
齿轮在传动中的应用很早就出现了。19世纪末，展成切齿法的原理及利用此原理切齿的专用机床与刀具的相继出现，随着生产的发展，齿轮运转的平稳性受到重视。齿轮及其齿轮产品是机械装备的重要基础件，绝大部分机械成套设备的主要传动部件都是齿轮传动。
齿轮一般属于成批生产，圆柱齿轮和锥齿轮具有广泛的代表性，根据不同结构及精度需要采用不同的工序组合。由于设备投资大，工艺方式的选择通常都充分考虑已有资源。
齿轮加工过程中的微小变形及工艺稳定性控制相对复杂。毛坯锻造后大多要采用等温正火，以期获得良好的加工性能和趋势变形的均匀金相组织；对于精度要求不高的低速网柱齿轮可以热前剃齿而热后不再加工，径向剃齿方法的应用扩大了剃齿应用范围；圆柱齿轮热后加工有珩齿和磨齿两种方式，珩齿成本低但齿形修正能力弱，磨齿精度高而成本高；采用沿齿高方向的齿顶修缘和沿齿长方向的鼓形齿修形工艺能够显著降低齿轮啮合噪声和提高传动性能，是被广泛关注的研究领域。
直齿锥齿轮主要用于差速器，由于速度低，精度要求相对较低，精锻齿形是重要发展方向。螺旋锥齿轮加工计算和机床调整中，以往非常复杂和耗时的手工操作已被现代专用软件和计算机程序所取代，有限元分析的引入使工艺参数设计更为可靠和便捷。螺旋锥齿轮热后加工有研齿和磨齿两种，由于磨齿的成本高、效率低且有局限性而目前大多采用研齿，研齿几何上的修正能力很弱，因此螺旋锥齿轮的从动齿轮多采用渗碳压淬工艺。齿轮材料及其热处理技术发展是齿轮加工中对变形控制的具有挑战性的课题。[1]
圆柱齿轮加工机床按工艺方式可分为滚齿、插齿、剃齿、珩齿、磨齿、挤齿、倒角机床等；锥齿轮加工机床按工艺方式可分为铣齿、刨齿、拉齿、磨齿、研齿、倒角、滚动检验、淬火机床等。
1.2 虚拟仿真应用概述
虚拟仿真，或称为模拟技术，就是用一个系统模仿另一个真实系统的技术。虚拟仿真实际上是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统。此种虚拟世界由计算机生成，可以是现实世界的再现，亦可以是构想中的世界，用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互.[2]
虚拟现实技术是一种可以构建虚拟场景并进行真实体验的计算机仿真技术。因具有操作简便、形象 逼真、交互性强、成本较低等优点[3-4]，现已被大量应用在虚拟机械设计、虚拟医疗、虚拟培训、虚拟游戏等领域中，尤其是在一些难以实现、危险性高、实践成本高 的场合，虚拟现实技术能够较好地解决难题。[5-6]
自上世纪90年代初以来，制造业出现了从“真实”生产到“虚拟”生产的趋势，借助计算机来模拟物理制造系统的某些活动成为可能。在实际生产之前，通过在计算机上理解和模拟特定制造系统的行为，可以显著减少车间的测试和实验数量。[7]虚拟制造系统为“第一时间”生产产品提供了一种有用的方法，同时减少了在车间进行大量实际测试的需要。使用虚拟系统，可以减少材料浪费，避免车间实体车床停机，提高了工作环境的安全水平[8]，而且制造数据管理和产品生命周期管理可以很容易系统地记录下来[9]。
Winkes P.A.等人提供了一种基于虚拟现实的装配规划流程，主要用于装配过程的故障检测。[10]高风瞩将虚拟现实技术应用在综采工作面的虚拟仿真中，可以实时监控综采工作的运行状况和安全情况，并可以对矿工进行入矿井前的安全教育和虚拟操作培训，降低安全隐患。[11]谢振清采用 Unity3D 虚拟仿真软件，结合增强现实技术，开发出一种基于手势识别的交互式虚拟装配系统，丰富了虚拟装配交互方式，提高了用户操作体验。[12]
1.3 国内外研究现状
国内学者对面齿轮加工仿真开展了许多研究，在初期阶段，更多侧重于应用 CAD 软件及其二次开发技术，不过由于采用平台的限制及二次开发技术的差异，仿真模型不具有通用性。[13-16]近些年，一些学者提出采用数控机床仿真软件 VERICUT，从数控编程角度对面齿轮加工过程进行仿真，使得仿真过程更贴近加工实际。[17-19]郭辉等提出采用数值仿真的方法，分别对面齿轮滚齿加工理论误差[20]和碟形砂轮磨齿加工误差[21]进行精确的分析计算，并开展相关加工试验对理论模型进行了验证。
目前国内有基于Unity3D的五轴加工中心虚拟仿真系统的理论研究，其主要用于数控加工技术的教学与培训，其功能主要有：开关机操作、工件装夹操作、常用刀具选择、面板操作、虚拟仿真加工。这项研究可以给齿轮加工虚拟仿真作为一定的理论实现参考。
Unity3D引擎为游戏开发引擎，支持Android、IOS、VＲ设备等20多种平台，同时支持JavaScript、C # 脚本语言。它拥有丰富的脚本系统和用户界面系统，以及灯光摄像机视角模块，相较于其他的软件可以更加便利地实现动画仿真，同时还拥有虚拟现实交互的开发环境，是虚拟装配与仿真的一个重要软件平台。
孔伟晶等人使用Unity引擎，以及HTCVive头盔式显示器,进行模型的组装与拆卸系统的设计与研究[22]，实现了对于装配对象的展示与装配演示，操作者能通过手柄进行虚拟装配，同时还有模型复位功能，提出了多零件模型在虚拟环境中定位与复位的实现方法，初步实现虚拟装配过程，对于柴油机部件的虚拟装配与方真通过Unity3D引擎进行了实现[23-24]，利用了Unity3D中的碰撞体组件模拟零件之间的干涉，设置好简洁便利的UI界面，具有良好的交互性，能指导现场员工装配操作，现实了二维装配工艺图纸向三维装配工艺可视化技术的转化。在分析汽车发动机培训行业需求及研究虚拟现实技术的应用现状的基础上，明确了创建一个完整的虚拟装配系统对于机械装配培训的现代化教育的意义[25]。其中的研究重点是发动机虚拟装配的交互设计部分与 Unity3D 结合数据库技术持久化存储和分享数据。
虚拟仿真系统整体框架可分为三部分：三维模型构建、交互式控制和虚拟仿真系统，其中三维模型构建为实物层，交互式控制为逻辑层，虚拟仿真系统为展示层。通过逻辑层的控制程序可以对三维模型进行运动仿真，最终由展示层呈现出来，如图1所示：
图1：虚拟仿真系统整体框架结构图
1.4 论文研究目的及意义
通过本次毕业设计，能够对齿轮加工工艺以及虚拟仿真技术有更前沿的认识，通过学习国内外先进理论，完成从概念模型设计，到三维建模，交互控制直到完成整个虚拟仿真系统，使自己的设计能力和实践能力得到提高，在理论上加深认识的同时通过自己实际的设计操作使自己的动手能力有所提高，使我们把先前学习的基础和专业基础课程中所获得的理论知识结合国内外前沿研究领域在实际的设计工作中综合的加以应用，为以后的工作和学习积累一些经验。
2. 研究的基本内容与方案
2.1 基本内容
（1）确定齿轮加工要求，包括确定齿轮加工方式，工艺流程，加工精度，公差等级等要素。
（2）根据适应性要求选择插齿法进行模拟，刀具和齿坯包含4种基本运动
3. 研究计划与安排
（1）2.24--3.15（1周－4周）：英文资料翻译，现阅读文献，整理开题报告；
（2）3.16--3.29（5周—6周）：熟悉solidworks、3ds max、unity等软件，掌握建模和编程方法；
（3）3.30--4.12（7周－8周）：完成齿轮类零件加工工艺设计；
4. 参考文献（12篇以上）
[1]汽车百科全书编纂委员会．汽车百科全书．北京：中国大百科全书出版社，2010
[2]石宇航.浅谈虚拟现实的发展现状及应用[j].中文信息,2019,(1):20.
[3]gong l，berglund j，johansson b，et al. development of virtual reality support to factory layout planning[j]. internationaljournal on interactive design and manufacturing（ijidem），2019（8）：1-4.
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