基于Unity3D的數控車床拆裝虛擬仿真實驗課程探究

陳業航，夏騰輝

(1.桂林航天工業學院電子信息與自動化學院，廣西桂林，541004；2.桂林航天工業學院工程綜合訓練中心，廣西桂林，541004)

一、數控機床實踐教學虛擬平臺開發意義

1952年，約翰·帕森斯在美國麻省理工學院伺服機械實驗室建造了一臺可同時控制三軸運動的數控銑床，該數控銑床是世界上第一臺數控機床，成為機械制造自動化領域的重要里程碑。[1]隨著數字控制技術的不斷發展，在工業生產中，效率低、精度低、自動化程度低的普通機械正逐步被高效、高精度、高自動化的數控機械取代，大大提高了生產水平。雖然我國機械設備的數控化率逐年升高，但目前仍低于發達國家超高水平的機床數控化率。此外，隨著社會的進步，產業布局、產品結構將會隨之變化。當社會進入產業布局和產品結構調整時期，企業需要相當數量與產業結構高度匹配、具有較高文化水平的專業人才。在數控加工領域，企業需要員工不僅有較強的實踐能力，還要掌握系統扎實、與時俱進的數控機床理論，這樣才能在飛速發展的行業中生存。

數控機床實踐教學是高校金工實習教學體系的重要組成部分。它不僅可以培養學生獨立做事的能力，提高學生的創新意識，還可以培養學生的基本工程素養和專業水準，為學生今后的職業生涯奠定基礎。以桂林航天工業學院電子信息與自動化學院(以下簡稱我校)金工實習基地為例，目前數控車床實踐教學過程普遍采用傳統教學方法，即首先利用投影儀進行現場理論教學，然后進行上機操作的教學方法。然而，該教學方法存在以下幾個問題：一是設備數量少，數控機床系統單一。目前我校的金工實習基地僅有三臺數控車床，系統均為廣州數控系統。在實訓過程中，人機比經常出現十幾比一的情況。此時，學生獨立操作的時間受到很大限制，且無法學習其他系統。二是在整個實訓的過程中，學生進行的是驗證性實驗，難以激發學生的創新意識和培養學生的綜合工程實踐能力。三是現有教學模式存在一定的安全隱患。數控機床需要規范化操作，如果學生在教師集中教學的過程中出現注意力不集中的情況，在實際操作數控機床時可能會有不規范操作，這不僅容易引起數控車床故障，還會威脅操作者的人身安全。

隨著科學技術快速發展，越來越多的學者將虛擬現實(virtual reality，VR)技術融入實驗教學平臺，以促進學生從感性認識過渡到理性認識。VR是指綜合利用計算機圖形學、仿真技術、人機接口技術、傳感器技術等多種現代技術的集合，是一種多信息融合的交互式三維動態視景和實體行為的系統仿真，可使用戶沉浸在計算機生成的交互式三維環境中，給用戶身臨其境的感覺。

2017年以來，教育部出臺了關于開展示范性虛擬仿真實驗教學改革的項目建設的通知。[2]在此背景下，各類實驗仿真平臺不斷涌現，極大地促進了實驗教學的改革與發展。[3-4]Unity3D可用虛擬技術展現許多現實中的場景，開發的虛擬場景逼真性極強，且Unity3D對使用者較為友好，更易開發虛擬環境。因此，基于Unity3D的實驗仿真平臺引起了大批學者的關注。管練武等人提出基于Unity3D的訓練可視化系統進行室內滑雪教學與訓練。[5]該系統通過構建虛擬滑雪場，場景中包含靜態場景(如滑雪跑道、雪山、樹木及圍欄等)和動態場景(如飄雪、陽光的變化，天色的變化等)，并通過人物碰撞檢測實行激勵制度，實現基于人物實時動態測量數據的智能滑雪教學和訓練。王文鋒等人提出基于Unity3D與自然手勢識別的車輛虛擬拆裝實驗系統。[6]該系統首先運用CATIA對車輛的零部件進行建模并保存在模型庫中；其次使用C#語言實現基于Leap Motion的虛擬拆裝過程所涉及的8種手勢識別；最后，利用人機交互的方式實現車輛的虛擬拆裝并進行評分。秦彩寧運用Unity3D構建新能源汽車拆裝虛擬仿真平臺，更好地展示了新能源汽車的設計框架。[7]孫俊輝等人通過構建虛擬場景并導入Unity3D引擎，編寫C#腳本和粒子開發虛擬仿真實驗，解決了多人虛擬場景下權限分配問題。[8]

基于此，為激發學生學習興趣，培養學生的創新意識和綜合工程實踐能力，解決數控設備少導致的教學窘境，降低教學安全隱患，本文引入基于Unity 3D的數控車床拆裝虛擬仿真系統，使學生在金工實習中學習專業技術基礎課時，對機床認識、裝配訓練等實驗訓練具有較好的學習體驗。為了使學生更加真實地認識數控機床，本系統運用VR技術，使用者通過VR眼鏡可以在虛擬世界中進行操作和控制，模擬車床拆卸，實現虛擬現實下數控車床的人車交互。學生利用該實驗平臺進行實驗訓練，一方面可提高學習效率和學習積極性，有效解決數控車床教學過程中人車比過大的問題，學生在線也能夠進行金工實習；另一方面可以避免工程訓練操作隱患，解決設備、時間、場地不足等問題，提高教學質量。

二、數控車床虛擬拆裝實驗系統總體結構

本文設計的數控車床虛擬仿真實驗系統總體結構如圖1所示。以數控車床為對象，搭建數控車床拆卸虛擬仿真實驗系統，以實現數控車床的結構、部件和裝配關系的有機結合。[9]該系統以主體框架為基礎，搭建人機交互模塊、實體建模模塊、拆裝教學模塊、拆裝實驗模塊和虛擬場景現實模塊。其中，人機交互模塊為拆裝教學和拆裝實驗提供基本的交互方法，虛擬場景現實模塊主要負責為使用者提供較為真實的虛擬教學與訓練場景。系統使用模塊化的結構進行搭建，使不同模塊可以并行設計開發，并使系統具有良好的拓展性。

圖1 數控車床虛擬仿真實驗系統總體結構

三、模擬數控機床拆裝教學與訓練可視化系統模塊

(一)主體框架模塊

主體框架模塊主要包括數控車床模型渲染、初始化、功能拓展接口，這部分既是軟件的核心，又是軟件的運行端口。初始化部分又包含數控車床模型加載、拆裝程序加載、虛擬環境設置等，為后期軟件自模擬與拆裝提供更為可靠的條件。

(二)人機交互模塊

在人機交互模塊中，用戶使用鼠標及鍵盤完成對程序的加載，通過HTC控制手柄和頭盔完成對模型內部結構360°方位的觀察及拆裝；系統提供基于C#語言程序的軟件完成手柄對零件的識別功能。

(三)原理介紹和拆裝教學模塊

該模塊的主要功能是引導學生學習數控車床原理、數控車床裝配關系等相關內容，以使學生熟悉數控車床的內部結構、組成原理和拆裝過程。原理介紹模塊主要包括數控車床各部件及總裝的工作原理、機構的運行動畫及原理展示；拆裝教學模塊提供數控車床模型及總裝的標準化拆裝過程教學視頻和零部件之間的用途及功能等內容。

(四)拆裝系統運行流程

數控車床拆裝虛擬仿真實驗系統工作流程如圖2所示。具體步驟如下。

圖2 數控車床拆裝虛擬仿真實驗系統工作流程

操作步驟一：首先運用CAXA和NX軟件的建模模塊構建數控車床實體模型；然后將構建好的模型導出為Fbx格式的文件；最后將該文件導入Unity3D環境中并檢查各個部件是否完整。

操作步驟二：部件屬性的編碼。為導入的部件定義其拆卸程序編碼，并測試部件拆卸是否符合正確拆卸過程、HTC頭盔與控制手柄之間是否能夠形成互動操控、手柄執行拆卸的過程中是否存在部件之間的相互干涉。

操作步驟三：HTC外部頭盔與計算機之間的視角切換。借助外部頭盔將計算機渲染視角轉化為虛擬場景視角，以虛擬拆裝機床認識數控車床結構。操作者遇到拆卸過程中控制手柄不順暢，應當返回數控車床加載的第一步并逐一檢測，直到手柄拆卸能夠正常執行。

四、模擬數控機床拆裝教學與訓練可視化系統實現

(一)模型建立

數控機床的虛擬拆裝系統需要規范數控車床的各種部件和場景建模。模型的質量和結構直接影響系統運行的實時性。在建模過程中，依據數控車床的結構關系及空間位置確定車床外殼模塊、車床主軸、三爪卡盤模塊、工作臺、頂針模塊等結構部件的層次關系。在構建模型時，需先構建主體架構，再完成部件建模。這樣的建模流程可以明確建模目標、提高建模效率。在建模軟件方面，使用CAXA和NX軟件對數控車床部件進行建模。模型細節如下。

數控車床底座外殼模塊包括數控車床的底座、廢料箱、前箱體、后箱體、側殼、車床門、機床狀態指示燈以及玻璃等。其中，車床門需要在虛擬環境中實現左右運動，且在車床門的建模中，車床門與前箱體的布爾關系應選擇無。由于底座外殼模塊中各零部件的顏色不同，因此不同顏色的部件之間的布爾操作也選擇無。在整個建模過程中畫出零部件的基本形狀并給出基本顏色以便于區分。

數控車床主軸及三爪卡盤是數控車床的重要組成模塊，也是主控車床主要旋轉組件。因此，在建模和裝配的過程中需要保持主軸軸心與任意基準坐標軸重合。由于三爪卡盤的三只緊固爪在抓緊或松開時為同時向內或向外運動，因此在建模時應保持三個爪頭到軸心的距離相等。

數控車床工作臺主要由Z軸向的導軌、工作支撐臺、X向的移動平臺以及刀架和換刀臺組成，由于多個機構放置在模型進行建模，因此不需考慮裝配干涉的問題，簡化了建模難度。

數控車床頂針模塊主要由頂針座和頂針組成，用于車削細長工件時進行輔助裝夾，以防止因車削力過大，導致工件變形。頂針又分為死頂針和活頂針兩種，此處為了簡化模型，將兩種頂針建模為相同形狀，后期根據實際虛擬加工情況對頂針添加旋轉的自由度即可。需要注意的是，在建模的過程中需要保持頂針的軸心在后續裝配中與主軸旋轉軸心重合。部分建模結果如圖3所示。

圖3 系統主要模塊

此外，為使虛擬系統更加接近于現實車間的場景，還可將車間環境也進行建模。車間虛擬場景系統是三維可視化與虛擬仿真模塊，可通過虛擬現實技術以3D立體的形式構建車間、設備、人體模型等，數字化地復原整個車間環境，并實時反映其運行狀態。車間環境是一種用于小組團隊訓練和學習的虛擬環境。在這種環境下，有完整清晰的標線表示各區域的作用，完成各區域的相關步驟的學習任務、訓練任務和實際工作任務。在車間的虛擬環境中，教師或學生可以在指定區域內自由放置數控車床、鉆床等設備和輔助設備(如工具車、材料車、鉗工臺等)。內部環境由幾個車間組成，每個車間的規模都可以定制。學生在車間的虛擬環境中可以完成穿衣、選擇工具、刀具、量具等專業行為。車間虛擬環境提供的設備種類包括數控車床和數控銑床。

(二)模擬數控機床拆裝教學與訓練可視化系統

該數控機床拆裝教學與訓練可視化系統以C#語言和Unity3D引擎構建而成，可在Windows 10 環境下正常運行，在聯想ThinkStationP620上測試可達到預期效果。

以“桂航工程綜合訓練中心”車間所用的數控車床CK6140為例進行本虛擬場景建模設計。在虛擬仿真的數控車教學環境下，使用者可佩戴VR眼鏡，通過手柄直接完成對虛擬數控車床的理論學習和拆裝。使用者在使用VR設備的過程中必須保證純凈感、交互感和具有一定的想象力，才可確保整個VR系統的可行性。系統也必須有專業的信息輸入設備和輸出設備。在信息輸出的過程中要有高性能的顯示器以及多通道投影儀，以便營造沉浸感。系統呈現給使用者的虛擬界面如圖4所示，使用者通過Steam VR可清晰地看到數控車床的內部結構與工作原理。為增強其趣味性，本系統還增加了機床各零部件可移動式操作。對于初學者，場景中還設置了文字提示，使用者只需根據系統提示即可完成對數控車床的結構認識與工作原理的學習。

圖4 虛擬拆卸數控車床

在外觀和功能設計的基礎上，系統添加UI界面和屏幕提示語，對虛擬環境中的操作結果進行反饋。在此基礎上還可以加入數控教學內容，操作者可在進入虛擬加工環境前選擇是否進入帶有數控教程的虛擬系統，也可以在虛擬環境內劃分數控教學區，并加入多媒體技術。當操作者進入教學區域后，虛擬環境會通過UI界面或屏幕語對操作者進行提示是否進入數控學習模式，該數控學習模式主要通過視頻講解和操作動作教學進行，帶領初學者快速掌握數控加工基本技能。同時，需要添加主軸轉動聲、工作臺移動聲、車床開關門聲和錯誤警報聲等音效，這些音效伴隨著各功能的開始和停止，增強了學生在虛擬環境中的沉浸感和真實感。

五、結語

本文以C#語言和Unity3D引擎為基礎構建數控機床拆裝教學與訓練可視化系統，詳細闡述了主體框架模塊、人機交互模塊、原理介紹和拆裝教學模塊，學生通過Steam VR在虛擬的環境中認識數控車床結構部件的拆裝過程和傳動系統的原理。

該系統實現了虛擬場景與真實數控機床的有效結合，具有以下幾點現實意義。第一，節約了數控車床實踐課程的教學成本。借用虛擬工廠作為數控車床實踐課程的初期教學工具，從而減少在初期教學中對教學資源的損耗。第二，突破了傳統的教學模式。突破傳統實訓課程對時間和地點的限制，學生可以選擇合適的時間和內容進行學習，提高了學生的學習熱情。第三，保證了初期教學的安全性。數字化虛擬工廠教學將計算機技術與VR眼鏡結合進行模擬操作，屬于非接觸式教學。在同等的教學任務下，保證了教學安全。此外，在虛擬環境中還設立了安全報警系統，當使用者操作錯誤時，系統通過小窗口的形式對使用者進行警告，便于規范使用者的操作行為。第四，可以用于機床理論課教學。虛擬場景可用于機床主傳動系統、換擋機構、運動機構講解，理論與實踐相結合。學生通過VR眼鏡還可以對虛擬工廠進行進一步了解，增強課堂的趣味性，同時提高機械專業學生對機床整體、加工車間的認知程度。

由此可見，開發出一套完整的虛擬數控加工教學系統不僅能夠有效節約教學資源和教學成本，還可以豐富教學內容，將傳統的平面式教學向立體式三維教學轉換，提高學生主動學習的熱情，同時保證教學內容的完整性和教學的安全性。然而，與實際操作數控車床相比，虛擬仿真提供的是一個仿真度很高的假設環節，仍然無法完全取代真實的數控車床實踐，比如工件的裝夾、數據的測量和校準等。因此，學生完成虛擬仿真后仍然需要脫離虛擬環節在數控機床上進行實踐練習。教師根據學生實踐練習情況再返回虛擬仿真修改參數。這種教學方式可以有效降低操作失誤率，加快學生的實習進程。因此，通過虛實結合的教學，可提高學生的學習積極性和操作精準與規范度。