基于Unity3D的機(jī)床加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

殷民艇 董 磊 張 星 石瑞敏

（中北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030051）

數(shù)控機(jī)床是一種運(yùn)用程序來(lái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床，可以對(duì)復(fù)雜、精密的小零件進(jìn)行精準(zhǔn)加工，是如今高新制造業(yè)中必不可少的精密加工設(shè)備[1]。但由于其自動(dòng)化以及程序化的特點(diǎn)，對(duì)于使用數(shù)控機(jī)床的工作人員有著很高的技術(shù)要求，所以在當(dāng)前的教學(xué)過(guò)程中，對(duì)于數(shù)控機(jī)床的學(xué)習(xí)是一門(mén)必修課程。

由于機(jī)床的昂貴性以及其占地面積過(guò)于龐大，很難提供機(jī)床為學(xué)習(xí)人員提供現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)培訓(xùn)，各大院校的這種限制尤為突出。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的高速發(fā)展以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[2-4]的應(yīng)用成功解決了諸多教學(xué)難題。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，憑借其真實(shí)性、交互性等特點(diǎn)被應(yīng)用于眾多領(lǐng)域中。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)機(jī)床仿真進(jìn)行了大量的研究。國(guó)外Mcmaster大學(xué)對(duì)機(jī)床銑削過(guò)程切削厚度的瞬時(shí)變化進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)在仿真中物理與幾何的結(jié)合[5]。英國(guó)Delcam公司開(kāi)發(fā)出了一款名為PowerMILL的獨(dú)立運(yùn)行的數(shù)控仿真軟件[6]。國(guó)內(nèi)，大連理工大學(xué)何福本等人將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于普通車(chē)床加工工藝實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)[7]，上海工程技術(shù)大學(xué)趙中華等人實(shí)現(xiàn)VDM-320五軸機(jī)床數(shù)控模擬加工[8]，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)李靜等人利用EON虛擬現(xiàn)實(shí)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)于數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程的仿真[9]。目前大多數(shù)對(duì)于機(jī)床仿真系統(tǒng)的研究成果均需要下載對(duì)應(yīng)軟件方可使用，對(duì)于使用設(shè)備配置也有一定要求。本論文搭建出B/S模式的數(shù)控仿真平臺(tái)，對(duì)于培訓(xùn)者更為便捷，改進(jìn)了數(shù)控技術(shù)人才培養(yǎng)模式，從必須下載大型相關(guān)軟件的限制中解放出來(lái)。

本文以CY-K360n型機(jī)床為研究對(duì)象，利用SolidWorks軟件進(jìn)行機(jī)床模型的建立，同時(shí)選用可以實(shí)現(xiàn)逼真效果的Unity3D軟件來(lái)進(jìn)行機(jī)床控制系統(tǒng)的搭建，最后利用Visual Studio軟件開(kāi)發(fā)出B/S模式的機(jī)床虛擬加工系統(tǒng)，滿(mǎn)足了基本的機(jī)床教學(xué)需要。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本文系統(tǒng)是B/S模式的可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的機(jī)床虛擬加工系統(tǒng)。其中，機(jī)床虛擬加工系統(tǒng)主要功能有：機(jī)床開(kāi)關(guān)機(jī)操作、工件裝夾操作、常用刀具選擇以及虛擬加工演示。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)可以分為3部分，機(jī)床模型、交互式機(jī)床加工系統(tǒng)以及網(wǎng)頁(yè)系統(tǒng)。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

2 機(jī)床模型的建立以及渲染

目前主流建模軟件有SolidWorks、UG等，基于SolidWorks軟件簡(jiǎn)單便捷的設(shè)計(jì)功能對(duì)建模以及模型的裝配較為友好，所以本文選擇使用SolidWorks軟件進(jìn)行機(jī)床模型的建立以及機(jī)床零件的裝配?；?ds MAX軟件的動(dòng)畫(huà)渲染、模型優(yōu)化以及材質(zhì)貼圖等優(yōu)勢(shì)功能，本文選擇將SolidWorks模型導(dǎo)入至3ds MAX軟件后對(duì)機(jī)床模型進(jìn)行優(yōu)化、渲染，再將其以.FBX格式導(dǎo)入至Unity3D軟件[10]。

值得注意的是將機(jī)床模型導(dǎo)入至3ds MAX軟件后，該軟件會(huì)自動(dòng)為機(jī)床模型增加一些輔助物件，這些輔助物件直接刪除即可。接著對(duì)模型可以進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，模型多邊形數(shù)量會(huì)大大地降低，得到精簡(jiǎn)化。同時(shí)在導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D軟件前需要調(diào)整3ds MAX以及Unity3D中的單位和坐標(biāo)系，因?yàn)檫@兩個(gè)軟件的默認(rèn)單位和坐標(biāo)系并不一致，若不加以調(diào)整，可能會(huì)在后續(xù)工作中有所影響。其次，由于Unity只支持自己的材質(zhì)和光照，所以在導(dǎo)入后可能會(huì)出現(xiàn)圖像失真的情況，這里可以使用烘培貼圖的方式來(lái)使得在Unity中表現(xiàn)VRay渲染后效果。

3 交互式機(jī)床系統(tǒng)的建立

3.1 機(jī)床動(dòng)作的設(shè)置

將機(jī)床模型成功導(dǎo)入至Unity3D軟件后，需要給與機(jī)床模型以特定的動(dòng)作。Unity3D中，控制不同的動(dòng)作擁有著不同的指令。但原理均為賦予動(dòng)作幀數(shù)，改變所指定的物體每一幀的位置信息從而達(dá)到控制其不同動(dòng)作的需求[11]。

在Unity3D中利用Transfrom組件來(lái)完成對(duì)于機(jī)床模型的動(dòng)作設(shè)定。Transfrom組件中可以針對(duì)選定模型零件的位置（position），旋轉(zhuǎn)（rotation）以及縮放（scale）來(lái)實(shí)現(xiàn)模型按照自己意愿調(diào)整位置[12]。

其中，Transfrom組件中的位置（position）選項(xiàng)是用來(lái)將模型從當(dāng)前所在位置移動(dòng)至指定的位置?？梢酝ㄟ^(guò)直接設(shè)定其起始坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)其起始位置信息的賦予。旋轉(zhuǎn)（rotation）選項(xiàng)是用來(lái)指定模型部件以其默認(rèn)坐標(biāo)軸為軸心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，其默認(rèn)坐標(biāo)軸中X軸、Y軸以及Z軸均可作為軸心，旋轉(zhuǎn)角度可以同時(shí)圍繞三軸進(jìn)行設(shè)置輸入。這樣可以實(shí)現(xiàn)模型指定部件按照任意方向旋轉(zhuǎn)任一角度?？s放（scale）選項(xiàng)是用來(lái)改變指定模型零件大小，通過(guò)輸入其初始大小的縮放倍數(shù)來(lái)改變，以X、Y和Z軸3個(gè)方向?yàn)橹行倪M(jìn)行縮放。

3.2 機(jī)床碰撞體的設(shè)置

為提升機(jī)床的真實(shí)感，給機(jī)床各零部件均添加碰撞體單元，防止虛擬機(jī)床在運(yùn)行中零部件碰撞時(shí)出現(xiàn)相互穿過(guò)的現(xiàn)象。在Unity3D軟件中碰撞體分為6種類(lèi)型，可根據(jù)機(jī)床零部件的形狀以及用途來(lái)添加不同的碰撞體類(lèi)型。

通過(guò)碰撞體的設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床切削工件的動(dòng)作。刀具以及工件設(shè)置碰撞體之后，添加二者間的觸發(fā)事件。當(dāng)?shù)毒吲c工件發(fā)生碰撞后，引發(fā)觸發(fā)事件，此時(shí)工件與刀具接觸部分將會(huì)隱藏，連續(xù)碰撞將會(huì)表現(xiàn)為切削狀態(tài)。

3.3 UI界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在賦予機(jī)床動(dòng)作指令后，需要?jiǎng)?chuàng)建按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的交互。當(dāng)點(diǎn)擊界面中的按鈕時(shí)，就會(huì)調(diào)用對(duì)應(yīng)函數(shù)來(lái)執(zhí)行對(duì)應(yīng)動(dòng)作。按鈕的添加以及其功能的實(shí)現(xiàn)即是關(guān)鍵所在。利用Unity3D中的自帶功能UI函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)[13]。

首先在SampleScene下創(chuàng)建名為menu的空對(duì)象，在這個(gè)空對(duì)象中直接添加1個(gè)UI選項(xiàng)下的按鈕，這時(shí)便初步定義了1個(gè)按鈕對(duì)象。在Button下點(diǎn)擊Text即可進(jìn)入按鈕文字腳本，可以在內(nèi)為按鈕進(jìn)行命名，以及對(duì)文字的風(fēng)格、大小和對(duì)齊方式等進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于Unity3D默認(rèn)字體為Arial，所以最后將制作完成的系統(tǒng)導(dǎo)出后會(huì)出現(xiàn)無(wú)法顯示中文的問(wèn)題?？勺孕袕木W(wǎng)上下載格式為.ttf的中文字體，將其替換軟件默認(rèn)字體即可解決。點(diǎn)擊Button進(jìn)入按鈕腳本，在其內(nèi)可設(shè)置按鈕的位置，大小以及各個(gè)狀態(tài)時(shí)的顏色等等。在對(duì)應(yīng)腳本On Click下即可設(shè)置其執(zhí)行事件。首先在Assets下創(chuàng)建名為Animator Changer 的C#腳本，程序如下：

將程序添加至機(jī)床模型腳本中，進(jìn)入按鈕腳本控制面板On Click，點(diǎn)擊右下方的加號(hào)來(lái)進(jìn)行添加反應(yīng)事件。在第1個(gè)下拉框中選擇Editor And Runtime，這樣點(diǎn)擊按鈕不僅在發(fā)布之后有效，在測(cè)試階段點(diǎn)擊也同樣有效。第2個(gè)下拉框選中程序所建立的animatorChanger選項(xiàng)下的ChangeAnimations程序，場(chǎng)景選擇為機(jī)床模型。同理定義其他按鈕。這樣便完成機(jī)床交互系統(tǒng)UI界面的設(shè)置。

4 網(wǎng)站系統(tǒng)的搭建

4.1 網(wǎng)頁(yè)搭建

VS在制作網(wǎng)頁(yè)時(shí)利用其自身的組件即可完成基本的構(gòu)造。首先新建1個(gè)空項(xiàng)目，在項(xiàng)目中添加1個(gè)空網(wǎng)站，然后添加.aspx格式的Web窗體，便會(huì)在解決方案下添加1個(gè).aspx的項(xiàng)目，這樣就成功創(chuàng)建出網(wǎng)頁(yè)。在剛剛創(chuàng)建出的網(wǎng)頁(yè)項(xiàng)目下拉列表可以看到有1個(gè).aspx.cs的文件，該頁(yè)面中負(fù)責(zé)填寫(xiě)相應(yīng)頁(yè)面的方法以及邏輯判斷。

通過(guò)VS軟件主界面上方目錄欄中格式以及表格2個(gè)組件可以對(duì)其頁(yè)面布局以及背景色，字體顏色等進(jìn)行基本的設(shè)置。

4.2 機(jī)床加工系統(tǒng)導(dǎo)出

網(wǎng)站搭建好后需要將機(jī)床加工系統(tǒng)嵌入至網(wǎng)站中。首先將系統(tǒng)從Unity3D軟件中導(dǎo)出，Unity3D支持多種導(dǎo)出模式，包括常用的Windows、IOS、Android以及WebGL，根據(jù)本文最終要建立用戶(hù)在網(wǎng)頁(yè)端進(jìn)行機(jī)床控制的要求，選擇導(dǎo)出格式為WebGL[14]。此種方式便是以.html的格式導(dǎo)出，通過(guò)該網(wǎng)頁(yè)即可瀏覽使用Unity3D軟件中完成的系統(tǒng)。

最終導(dǎo)出1個(gè)文件夾，文件內(nèi)有3個(gè)文件，分別為html文件，Build文件夾以及Template Date文件夾。通過(guò)瀏覽器打開(kāi)html文件，會(huì)出現(xiàn)瀏覽器不支持運(yùn)行文件中Unity WebGL的提示（使用Edge或者火狐可以直接打開(kāi)），可以利用IIS將該文件發(fā)布，便可通過(guò)瀏覽器直接打開(kāi)。其后，利用C#函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)站與該系統(tǒng)的鏈接。打開(kāi)后系統(tǒng)界面如圖2所示。

圖2 機(jī)床加工系統(tǒng)界面

利用該系統(tǒng)可以進(jìn)行裝夾刀具、對(duì)刀以及切削工件等，實(shí)現(xiàn)普通機(jī)床的簡(jiǎn)要操作。對(duì)刀與切削工件操作設(shè)置近距離視角，便于觀測(cè)。操作步驟進(jìn)行到切削工件步驟時(shí)，可以對(duì)主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度進(jìn)行選擇設(shè)置，如圖3所示。結(jié)束操作后擁有查看機(jī)床運(yùn)行程序功能。

圖3 切削工件操作

主軸轉(zhuǎn)速為500 r/min、進(jìn)給速度為250 mm/min時(shí)程序如下所示：

4.3 留言板頁(yè)面的搭建

一個(gè)好的學(xué)習(xí)網(wǎng)站，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)間的交流是不可或缺的。利用搭建留言板，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)留言與回復(fù)他人留言的功能。

留言板會(huì)與數(shù)據(jù)庫(kù)相連接，用戶(hù)在發(fā)表言論后，言論內(nèi)容以及發(fā)表時(shí)間會(huì)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中新建的表中，同時(shí)展示在該留言板上，可以被其他訪問(wèn)者瀏覽、回復(fù)。為保證留言板的干凈整潔，管理員可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)刪除留言板中的不當(dāng)言論。留言板界面如圖4所示。

圖4 留言板界面

4.4 數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建

數(shù)據(jù)庫(kù)利用Microsoft SQL Server軟件來(lái)搭建。數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)存儲(chǔ)留言板中的所有留言信息，是留言板頁(yè)面的核心。數(shù)據(jù)庫(kù)不是獨(dú)立存在，它必須同具體的設(shè)計(jì)應(yīng)用功能相關(guān)聯(lián)，此時(shí)就需要在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立1個(gè)留言信息統(tǒng)計(jì)表，用戶(hù)在留言成功后其發(fā)表信息會(huì)存儲(chǔ)進(jìn)此表。管理員可以通過(guò)該表格對(duì)留言板中內(nèi)容進(jìn)行整理。

在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)建立好相應(yīng)表格后，需要將數(shù)據(jù)庫(kù)與留言板頁(yè)面進(jìn)行連接，連接核心代碼如下：

連接成功后用戶(hù)留言信息便會(huì)儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)表單中。數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存信息界面如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存信息界面

5 系統(tǒng)最終效果

將VS軟件搭建的網(wǎng)頁(yè)系統(tǒng)與Unity3D搭建的交互式機(jī)床加工系統(tǒng)相結(jié)合后，最終成功實(shí)現(xiàn)以網(wǎng)頁(yè)形式來(lái)訪問(wèn)的交互式機(jī)床加工系統(tǒng)。

在瀏覽器中輸入網(wǎng)址即可進(jìn)入主頁(yè)面，主頁(yè)面如圖6所示。下方有各種加工方式的對(duì)應(yīng)分類(lèi)以及機(jī)床虛擬操作的選項(xiàng)。以打開(kāi)面銑削下拉列表表面銑為例，打開(kāi)對(duì)應(yīng)頁(yè)面后擁有表面銑簡(jiǎn)單介紹以及視頻演示。點(diǎn)擊機(jī)床虛擬操作選項(xiàng)即可進(jìn)入交互式機(jī)床加工系統(tǒng)。同時(shí)可以在留言板留下自己在工作中遇到的問(wèn)題或者去回復(fù)其他人的留言，以此來(lái)建立談?wù)摰沫h(huán)境，促進(jìn)大家共同進(jìn)步。

圖6 網(wǎng)站主頁(yè)面

6 結(jié)語(yǔ)

本論文開(kāi)發(fā)了B/S模式的數(shù)控仿真平臺(tái)，通過(guò)SolidWorks對(duì)機(jī)床零部件進(jìn)行實(shí)體建模以及床體的裝配；通過(guò)Unity3D軟件，實(shí)現(xiàn)機(jī)床動(dòng)作設(shè)置；通過(guò)點(diǎn)擊設(shè)置好的UI按鈕即可控制機(jī)床做出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可實(shí)時(shí)觀測(cè)到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，構(gòu)建出了機(jī)床虛擬加工系統(tǒng)；利用VS軟件實(shí)現(xiàn)以B/S模式來(lái)訪問(wèn)該系統(tǒng)。最終實(shí)現(xiàn)從網(wǎng)頁(yè)端來(lái)控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)，滿(mǎn)足了數(shù)控機(jī)床仿真訓(xùn)練的基本需求，同時(shí)建立基于數(shù)據(jù)庫(kù)的留言板，給用戶(hù)提供交流的平臺(tái)。該系統(tǒng)相對(duì)于其他機(jī)床虛擬加工系統(tǒng)有兩大優(yōu)點(diǎn)：

（1）傳統(tǒng)的機(jī)床虛擬加工系統(tǒng)均為EXE格式的單機(jī)版，用戶(hù)在使用前往往需要下載極大的執(zhí)行程序方可使用，對(duì)于用戶(hù)的設(shè)備要求較高，使用極不方便。本系統(tǒng)是以B/S模式來(lái)訪問(wèn)，用戶(hù)在PC端通過(guò)瀏覽器即可訪問(wèn)，對(duì)于設(shè)備基本沒(méi)有硬件要求。

（2）本系統(tǒng)通過(guò)Unity3D軟件開(kāi)發(fā)，同其他開(kāi)發(fā)工具相比，效果更加逼真，更接近于現(xiàn)實(shí)，同時(shí)該系統(tǒng)也更穩(wěn)定。