基于Virtools的數(shù)控銑床虛擬加工系統(tǒng)

針對(duì)數(shù)控銑床操作難度大，并具有危險(xiǎn)性的問(wèn)題，本文基于Virtools開(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)控銑床的虛擬加工系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)零件毛坯的裝夾，刀具的安裝和對(duì)刀，數(shù)控加工程序的輸入，零件的加工和拆卸等整個(gè)過(guò)程的仿真。三維立體投影設(shè)備和立體眼鏡的應(yīng)用，以及高度還原的機(jī)床模型和操作過(guò)程，都使得系統(tǒng)仿真的真實(shí)性和沉浸感得到了明顯提高。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控銑床 虛擬加工 Virtools

1 概述

數(shù)控銑床是現(xiàn)代制造業(yè)生產(chǎn)加工的重要設(shè)備之一，培養(yǎng)優(yōu)秀的數(shù)控銑床操作工成為相關(guān)教育機(jī)構(gòu)的迫切任務(wù)，但是數(shù)控銑床操作難度大，具有危險(xiǎn)性，若操作不當(dāng)可能對(duì)人身和機(jī)床造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。數(shù)控銑床的虛擬加工系統(tǒng)能夠有效避免真實(shí)的人身和機(jī)床傷害，尤其對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)非常適用，加之虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使得此類系統(tǒng)的研究成為現(xiàn)實(shí)。浙江大學(xué)山東大學(xué)陜西科技大學(xué)等高校的學(xué)者對(duì)此都進(jìn)行了一定的研究，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了數(shù)控車床、加工中心的仿真系統(tǒng)，或是用于數(shù)控加工的教學(xué)系統(tǒng)。

但是上述文獻(xiàn)所涉及的虛擬加工系統(tǒng)多存在仿真效果不理想，沉浸感不佳等問(wèn)題，對(duì)此，本文特利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的3I（immersion， interaction， imagination）特性，基于Virtools軟件平臺(tái)，結(jié)合計(jì)算機(jī)、三維立體投影設(shè)備、立體眼鏡、音響等硬件設(shè)施，研究開(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)控銑床的虛擬加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用3DS Max建立數(shù)控銑床的三維模型，運(yùn)用Virtools實(shí)現(xiàn)銑床運(yùn)動(dòng)的仿真，并使用其物理模塊實(shí)現(xiàn)了刀具與工件和機(jī)床的碰撞檢測(cè)。

2 虛擬加工系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、BARCO Gemini立體投影系統(tǒng)、立體眼鏡、音響等硬件設(shè)備構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)可完成數(shù)控銑床面板的基本操作仿真、零件的安裝和拆卸仿真、銑床切削加工運(yùn)動(dòng)仿真等內(nèi)容，具體功能框架如圖2所示。數(shù)控銑床及刀具、工件的三維模型由3DS Max軟件建立，導(dǎo)入Virtools中進(jìn)行機(jī)床的運(yùn)動(dòng)仿真和人機(jī)交互功能的實(shí)現(xiàn)。

3 數(shù)控銑床的運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 銑床面板操作仿真

數(shù)控機(jī)床操作者主要是通過(guò)數(shù)控機(jī)床的面板與機(jī)床進(jìn)行交互并完成零件的加工的。本文所開(kāi)發(fā)的虛擬加工系統(tǒng)是在型號(hào)為XD-40A的三軸數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，所用操作面板是FANUC Series 0i系列面板。用戶通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤與系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互，用戶點(diǎn)擊鼠標(biāo)進(jìn)行按鈕相關(guān)操作，也可通過(guò)鍵盤進(jìn)行參數(shù)的輸入，參數(shù)將存入相應(yīng)的數(shù)組中，結(jié)果將實(shí)時(shí)顯示在顯示屏上。圖3是某按鈕操作的流程圖。

3.2 工件裝卸過(guò)程仿真

本系統(tǒng)設(shè)置了長(zhǎng)方體和圓柱體兩種毛坯形狀，用戶可以選擇所需毛坯類型并控制毛坯的尺寸。若需要其他類型的毛坯，可通過(guò)系統(tǒng)預(yù)留的接口導(dǎo)入毛坯的三維模型。系統(tǒng)的夾具有平口鉗和三爪卡盤兩種，可通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤與系統(tǒng)進(jìn)行交互來(lái)實(shí)現(xiàn)工件的安裝和拆卸，安裝毛坯的流程圖如圖4所示，若需要其他專用夾具，可通過(guò)系統(tǒng)預(yù)留接口導(dǎo)入夾具的三維模型。

3.3 銑床切削運(yùn)動(dòng)仿真

切削運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)是刀具相對(duì)于工件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的G代碼判斷刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)工件的切削加工。在加工的過(guò)程中，運(yùn)用Virtools自帶的物理模塊進(jìn)行碰撞檢測(cè)，以防止刀具和機(jī)床的碰撞而發(fā)生損壞。

4 系統(tǒng)仿真

用戶利用本系統(tǒng)進(jìn)行虛擬加工時(shí)，通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤進(jìn)行信息的輸入和對(duì)系統(tǒng)的控制，佩戴立體眼鏡通過(guò)三維投影設(shè)備觀察整個(gè)加工的過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。進(jìn)入系統(tǒng)之后首先進(jìn)行毛坯的設(shè)置和安裝，并選擇合適的加工刀具；然后通過(guò)控制面板完成對(duì)刀操作并設(shè)置刀補(bǔ)，利用鼠標(biāo)鍵盤通過(guò)控制面板輸入加工程序，按下啟動(dòng)按鈕進(jìn)行工件的加工；加工完畢之后進(jìn)行零件的拆卸，并以全屏模式觀察零件的加工結(jié)果。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用3ds max和virtools等軟件，配備計(jì)算機(jī)、三維投影設(shè)備、立體眼鏡等硬件設(shè)施，開(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)控銑床的虛擬加工系統(tǒng)。依據(jù)真實(shí)機(jī)床進(jìn)行相關(guān)模型的建立，并通過(guò)貼圖處理和環(huán)境配置提高了系統(tǒng)的真實(shí)感，三維投影設(shè)備和立體眼鏡的使用增加了系統(tǒng)的沉浸感。系統(tǒng)的整個(gè)仿真過(guò)程符合實(shí)際加工的順序，能夠使用戶操作數(shù)控機(jī)床的能力得到很好的鍛煉，同時(shí)避免了的危險(xiǎn)的發(fā)生及機(jī)床的損壞。若想進(jìn)一步提升系統(tǒng)的交互性和沉浸感，可加入數(shù)據(jù)手套完成人機(jī)交互過(guò)程，這也是下一步的研究方向之一。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

呂玉蘭（1989-），女，河北省辛集市人。碩士研究生。助理講師。主要研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)，數(shù)控加工。

作者單位

山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山西省長(zhǎng)治市 046000