基于Unity3D的虛擬切削仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)

岑洎濤

摘要：針對目前國內(nèi)部分學(xué)校需使用數(shù)控系統(tǒng)進行生產(chǎn)實訓(xùn)但難以承擔(dān)比較昂貴機床費用這一難題，本文初次嘗試開發(fā)一套能夠滿足實際教學(xué)需要的虛擬切削仿真系統(tǒng)。在作了大量的分析后，選定Unity3D軟件作為開發(fā)平臺，廣州數(shù)控218MC系統(tǒng)作為數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺，推導(dǎo)了三維切削仿真算法，然后進行虛擬切削仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)。本軟件系統(tǒng)通過真實的數(shù)控系統(tǒng)控制虛擬的加工中心，透過切削仿真呈現(xiàn)加工過程。實驗結(jié)果表明，本文開發(fā)的軟件系統(tǒng)可以滿足基本的數(shù)控系統(tǒng)教學(xué)需要。

關(guān)鍵詞：Unity3D；虛擬；切削仿真

中圖分類號：TP391.9 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0169-02

我國的機床消費額穩(wěn)居世界第一，因此市場上需要大量懂得使用數(shù)控機床的技術(shù)人員。不過，由于數(shù)控機床的價格極其昂貴，技校難以有足夠的資金購買大量的設(shè)備滿足學(xué)生進行生產(chǎn)實訓(xùn)，即使有錢購買，也難以跟隨社會進步更新設(shè)備，因此，大部分的學(xué)校的設(shè)備相對老舊，學(xué)生學(xué)到的技能也跟企業(yè)實際生產(chǎn)需求有所差別。為此，筆者基于擁有逼真畫面效果的Unity3D和數(shù)控系統(tǒng)出貨量最大的廣州數(shù)控的一款加工中心數(shù)控系統(tǒng)——218MC，開發(fā)一套虛擬切削仿真系統(tǒng)作為數(shù)控培訓(xùn)的教學(xué)設(shè)備，目的在于能夠幫助學(xué)校減少開支，幫助學(xué)生可以及時學(xué)習(xí)最新的數(shù)控系統(tǒng)。

1 Unity3D簡介

Unity是由Unity Technologies公司開發(fā)的高端跨平臺引擎，Unity除了用于游戲開發(fā)，還被廣泛地應(yīng)用在航空航天、軍事國防、工業(yè)仿真、教育培訓(xùn)、醫(yī)療模擬、建筑漫游等統(tǒng)稱為嚴(yán)肅游戲的領(lǐng)域[1]。Unity在很多方面具有非常明顯的優(yōu)勢，其中容易開發(fā)并且可以讓開發(fā)者可以創(chuàng)作出逼真的畫面。因此，本文采用Unity3D平臺進行虛擬切削仿真系統(tǒng)的開發(fā)。

2 虛擬切削仿真系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，本系統(tǒng)主要分為兩部分，一部分是真實的廣數(shù)218MC數(shù)控系統(tǒng)，一部分是基于Unity3D開發(fā)的運行在PC上的仿真軟件。兩者通過一根網(wǎng)線相連。這么設(shè)計的好處在于培訓(xùn)者是確確實實的操作真實的數(shù)控系統(tǒng)，操作上跟真實機床沒有任何區(qū)別，所以培訓(xùn)效果更真實。本系統(tǒng)只要跟數(shù)控系統(tǒng)成功連接，即可隨時跟數(shù)控系統(tǒng)進行通信，由圖可見，數(shù)控系統(tǒng)會實時把位置信息、換刀信號和主軸狀態(tài)信息發(fā)送給軟件，軟件根據(jù)其信息實時刷新，呈現(xiàn)出虛擬機床在根據(jù)指令加工的效果。同樣，軟件也會反饋一些信息給數(shù)控系統(tǒng)達到相互協(xié)作，模擬真實的加工狀況。

另外，軟件內(nèi)部會根據(jù)刀具與毛坯的實時位置進行判斷，通過切削算法來不停更新毛坯的點位信息，由此可以慢慢呈現(xiàn)出毛坯被加工的過程。

3 三維切削核心算法

本文軟件系統(tǒng)的核心在于實時的切削仿真算法。切削處理過程，主要是碰撞檢測過程，碰撞檢測的準(zhǔn)確性和快速性直接影響著系統(tǒng)的好壞[2]。整個數(shù)控機床除了毛坯部分以外都不會有任何變化的，所以必須在滿足視覺效果的前提下盡可能的把模型簡化，以使每次刷新重畫的三角面片數(shù)最小。

核心算法在于把刀具和毛坯簡化為一個包圍盒，根據(jù)刀具的不同大致分為三類，一類是可以作為圓柱的平銑刀，一類是球刀，接觸部位是一個球，最后一類是鉆頭，接觸部位是圓錐。毛坯則細分成邊長為0.01mm的四方柱，每次計算都是把統(tǒng)一了坐標(biāo)系的刀具中心點跟每個毛坯點進行碰撞計算，如毛坯點在刀具范圍內(nèi)，則下降頂點高度。由此可知切削算法分為三類，然后根據(jù)直線切削和圓弧切削，所以共六種算法。圖2是統(tǒng)一后的切削算法流程圖。

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

本文開發(fā)的軟件系統(tǒng)界面如圖3所示，可以通過菜單設(shè)置毛坯的大小，設(shè)置最多12把刀的類型和尺寸。另外還有對刀功能和加工完畢后的測量功能。已經(jīng)可以滿足一般的數(shù)控系統(tǒng)教學(xué)需要。

為了驗證本軟件系統(tǒng)是否可行，特地編寫了一個數(shù)控程序，讓218MC系統(tǒng)跑，觀察虛擬機床的加工過程，如圖4所示可以看到逼真的加工效果和順利加工出需要的軌跡。

5 結(jié)語

在調(diào)查和分析目前數(shù)控教育存在的問題的基礎(chǔ)上，本文開發(fā)了一套廉價又實用的虛擬切削仿真教學(xué)軟件。該軟件經(jīng)過測試，確實可以逼真且準(zhǔn)確的仿真出數(shù)控系統(tǒng)加工的過程。該軟件還將進一步完善其切削算法，打算讓其能夠更快速響應(yīng)和能夠再提高分辨率，為了仿真出更真實的加工過程。

參考文獻

[1]Unity Technologies.Unity4.X從入門到精通[M].北京：中國鐵道出版社，2013.

[2]周玉昕.虛擬數(shù)控加工系統(tǒng)的切削仿真及加工結(jié)果評價研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2013.