基于Unity3D的数控车床拆装虚拟仿真实验课程探究
时间：2023-04-21 14:40:05 来源：千叶帆 本文已影响人
陈业航，夏腾辉
(1.桂林航天工业学院电子信息与自动化学院，广西桂林，541004；
2.桂林航天工业学院工程综合训练中心，广西桂林，541004)
1952年，约翰·帕森斯在美国麻省理工学院伺服机械实验室建造了一台可同时控制三轴运动的数控铣床，该数控铣床是世界上第一台数控机床，成为机械制造自动化领域的重要里程碑。[1]随着数字控制技术的不断发展，在工业生产中，效率低、精度低、自动化程度低的普通机械正逐步被高效、高精度、高自动化的数控机械取代，大大提高了生产水平。虽然我国机械设备的数控化率逐年升高，但目前仍低于发达国家超高水平的机床数控化率。此外，随着社会的进步，产业布局、产品结构将会随之变化。当社会进入产业布局和产品结构调整时期，企业需要相当数量与产业结构高度匹配、具有较高文化水平的专业人才。在数控加工领域，企业需要员工不仅有较强的实践能力，还要掌握系统扎实、与时俱进的数控机床理论，这样才能在飞速发展的行业中生存。
数控机床实践教学是高校金工实习教学体系的重要组成部分。它不仅可以培养学生独立做事的能力，提高学生的创新意识，还可以培养学生的基本工程素养和专业水准，为学生今后的职业生涯奠定基础。以桂林航天工业学院电子信息与自动化学院(以下简称我校)金工实习基地为例，目前数控车床实践教学过程普遍采用传统教学方法，即首先利用投影仪进行现场理论教学，然后进行上机操作的教学方法。然而，该教学方法存在以下几个问题：一是设备数量少，数控机床系统单一。目前我校的金工实习基地仅有三台数控车床，系统均为广州数控系统。在实训过程中，人机比经常出现十几比一的情况。此时，学生独立操作的时间受到很大限制，且无法学习其他系统。二是在整个实训的过程中，学生进行的是验证性实验，难以激发学生的创新意识和培养学生的综合工程实践能力。三是现有教学模式存在一定的安全隐患。数控机床需要规范化操作，如果学生在教师集中教学的过程中出现注意力不集中的情况，在实际操作数控机床时可能会有不规范操作，这不仅容易引起数控车床故障，还会威胁操作者的人身安全。
随着科学技术快速发展，越来越多的学者将虚拟现实(virtual reality，VR)技术融入实验教学平台，以促进学生从感性认识过渡到理性认识。VR是指综合利用计算机图形学、仿真技术、人机接口技术、传感器技术等多种现代技术的集合，是一种多信息融合的交互式三维动态视景和实体行为的系统仿真，可使用户沉浸在计算机生成的交互式三维环境中，给用户身临其境的感觉。
2017年以来，教育部出台了关于开展示范性虚拟仿真实验教学改革的项目建设的通知。[2]在此背景下，各类实验仿真平台不断涌现，极大地促进了实验教学的改革与发展。[3-4]Unity3D可用虚拟技术展现许多现实中的场景，开发的虚拟场景逼真性极强，且Unity3D对使用者较为友好，更易开发虚拟环境。因此，基于Unity3D的实验仿真平台引起了大批学者的关注。管练武等人提出基于Unity3D的训练可视化系统进行室内滑雪教学与训练。[5]该系统通过构建虚拟滑雪场，场景中包含静态场景(如滑雪跑道、雪山、树木及围栏等)和动态场景(如飘雪、阳光的变化，天色的变化等)，并通过人物碰撞检测实行激励制度，实现基于人物实时动态测量数据的智能滑雪教学和训练。王文锋等人提出基于Unity3D与自然手势识别的车辆虚拟拆装实验系统。[6]该系统首先运用CATIA对车辆的零部件进行建模并保存在模型库中；
其次使用C#语言实现基于Leap Motion的虚拟拆装过程所涉及的8种手势识别；
最后，利用人机交互的方式实现车辆的虚拟拆装并进行评分。秦彩宁运用Unity3D构建新能源汽车拆装虚拟仿真平台，更好地展示了新能源汽车的设计框架。[7]孙俊辉等人通过构建虚拟场景并导入Unity3D引擎，编写C#脚本和粒子开发虚拟仿真实验，解决了多人虚拟场景下权限分配问题。[8]
基于此，为激发学生学习兴趣，培养学生的创新意识和综合工程实践能力，解决数控设备少导致的教学窘境，降低教学安全隐患，本文引入基于Unity 3D的数控车床拆装虚拟仿真系统，使学生在金工实习中学习专业技术基础课时，对机床认识、装配训练等实验训练具有较好的学习体验。为了使学生更加真实地认识数控机床，本系统运用VR技术，使用者通过VR眼镜可以在虚拟世界中进行操作和控制，模拟车床拆卸，实现虚拟现实下数控车床的人车交互。学生利用该实验平台进行实验训练，一方面可提高学习效率和学习积极性，有效解决数控车床教学过程中人车比过大的问题，学生在线也能够进行金工实习；
另一方面可以避免工程训练操作隐患，解决设备、时间、场地不足等问题，提高教学质量。
本文设计的数控车床虚拟仿真实验系统总体结构如图1所示。以数控车床为对象，搭建数控车床拆卸虚拟仿真实验系统，以实现数控车床的结构、部件和装配关系的有机结合。[9]该系统以主体框架为基础，搭建人机交互模块、实体建模模块、拆装教学模块、拆装实验模块和虚拟场景现实模块。其中，人机交互模块为拆装教学和拆装实验提供基本的交互方法，虚拟场景现实模块主要负责为使用者提供较为真实的虚拟教学与训练场景。系统使用模块化的结构进行搭建，使不同模块可以并行设计开发，并使系统具有良好的拓展性。
图1 数控车床虚拟仿真实验系统总体结构
(一)主体框架模块
主体框架模块主要包括数控车床模型渲染、初始化、功能拓展接口，这部分既是软件的核心，又是软件的运行端口。初始化部分又包含数控车床模型加载、拆装程序加载、虚拟环境设置等，为后期软件自模拟与拆装提供更为可靠的条件。
(二)人机交互模块
在人机交互模块中，用户使用鼠标及键盘完成对程序的加载，通过HTC控制手柄和头盔完成对模型内部结构360°方位的观察及拆装；
系统提供基于C#语言程序的软件完成手柄对零件的识别功能。
(三)原理介绍和拆装教学模块
该模块的主要功能是引导学生学习数控车床原理、数控车床装配关系等相关内容，以使学生熟悉数控车床的内部结构、组成原理和拆装过程。原理介绍模块主要包括数控车床各部件及总装的工作原理、机构的运行动画及原理展示；
拆装教学模块提供数控车床模型及总装的标准化拆装过程教学视频和零部件之间的用途及功能等内容。
(四)拆装系统运行流程
数控车床拆装虚拟仿真实验系统工作流程如图2所示。具体步骤如下。
图2 数控车床拆装虚拟仿真实验系统工作流程
操作步骤一：首先运用CAXA和NX软件的建模模块构建数控车床实体模型；
然后将构建好的模型导出为Fbx格式的文件；
最后将该文件导入Unity3D环境中并检查各个部件是否完整。
操作步骤二：部件属性的编码。为导入的部件定义其拆卸程序编码，并测试部件拆卸是否符合正确拆卸过程、HTC头盔与控制手柄之间是否能够形成互动操控、手柄执行拆卸的过程中是否存在部件之间的相互干涉。
操作步骤三：HTC外部头盔与计算机之间的视角切换。借助外部头盔将计算机渲染视角转化为虚拟场景视角，以虚拟拆装机床认识数控车床结构。操作者遇到拆卸过程中控制手柄不顺畅，应当返回数控车床加载的第一步并逐一检测，直到手柄拆卸能够正常执行。
(一)模型建立
数控机床的虚拟拆装系统需要规范数控车床的各种部件和场景建模。模型的质量和结构直接影响系统运行的实时性。在建模过程中，依据数控车床的结构关系及空间位置确定车床外壳模块、车床主轴、三爪卡盘模块、工作台、顶针模块等结构部件的层次关系。在构建模型时，需先构建主体架构，再完成部件建模。这样的建模流程可以明确建模目标、提高建模效率。在建模软件方面，使用CAXA和NX软件对数控车床部件进行建模。模型细节如下。
数控车床底座外壳模块包括数控车床的底座、废料箱、前箱体、后箱体、侧壳、车床门、机床状态指示灯以及玻璃等。其中，车床门需要在虚拟环境中实现左右运动，且在车床门的建模中，车床门与前箱体的布尔关系应选择无。由于底座外壳模块中各零部件的颜色不同，因此不同颜色的部件之间的布尔操作也选择无。在整个建模过程中画出零部件的基本形状并给出基本颜色以便于区分。
数控车床主轴及三爪卡盘是数控车床的重要组成模块，也是主控车床主要旋转组件。因此，在建模和装配的过程中需要保持主轴轴心与任意基准坐标轴重合。由于三爪卡盘的三只紧固爪在抓紧或松开时为同时向内或向外运动，因此在建模时应保持三个爪头到轴心的距离相等。
数控车床工作台主要由Z轴向的导轨、工作支撑台、X向的移动平台以及刀架和换刀台组成，由于多个机构放置在模型进行建模，因此不需考虑装配干涉的问题，简化了建模难度。
数控车床顶针模块主要由顶针座和顶针组成，用于车削细长工件时进行辅助装夹，以防止因车削力过大，导致工件变形。顶针又分为死顶针和活顶针两种，此处为了简化模型，将两种顶针建模为相同形状，后期根据实际虚拟加工情况对顶针添加旋转的自由度即可。需要注意的是，在建模的过程中需要保持顶针的轴心在后续装配中与主轴旋转轴心重合。部分建模结果如图3所示。
图3 系统主要模块
此外，为使虚拟系统更加接近于现实车间的场景，还可将车间环境也进行建模。车间虚拟场景系统是三维可视化与虚拟仿真模块，可通过虚拟现实技术以3D立体的形式构建车间、设备、人体模型等，数字化地复原整个车间环境，并实时反映其运行状态。车间环境是一种用于小组团队训练和学习的虚拟环境。在这种环境下，有完整清晰的标线表示各区域的作用，完成各区域的相关步骤的学习任务、训练任务和实际工作任务。在车间的虚拟环境中，教师或学生可以在指定区域内自由放置数控车床、钻床等设备和辅助设备(如工具车、材料车、钳工台等)。内部环境由几个车间组成，每个车间的规模都可以定制。学生在车间的虚拟环境中可以完成穿衣、选择工具、刀具、量具等专业行为。车间虚拟环境提供的设备种类包括数控车床和数控铣床。
(二)模拟数控机床拆装教学与训练可视化系统
该数控机床拆装教学与训练可视化系统以C#语言和Unity3D引擎构建而成，可在Windows 10 环境下正常运行，在联想ThinkStationP620上测试可达到预期效果。
以“桂航工程综合训练中心”车间所用的数控车床CK6140为例进行本虚拟场景建模设计。在虚拟仿真的数控车教学环境下，使用者可佩戴VR眼镜，通过手柄直接完成对虚拟数控车床的理论学习和拆装。使用者在使用VR设备的过程中必须保证纯净感、交互感和具有一定的想象力，才可确保整个VR系统的可行性。系统也必须有专业的信息输入设备和输出设备。在信息输出的过程中要有高性能的显示器以及多通道投影仪，以便营造沉浸感。系统呈现给使用者的虚拟界面如图4所示，使用者通过Steam VR可清晰地看到数控车床的内部结构与工作原理。为增强其趣味性，本系统还增加了机床各零部件可移动式操作。对于初学者，场景中还设置了文字提示，使用者只需根据系统提示即可完成对数控车床的结构认识与工作原理的学习。
图4 虚拟拆卸数控车床
在外观和功能设计的基础上，系统添加UI界面和屏幕提示语，对虚拟环境中的操作结果进行反馈。在此基础上还可以加入数控教学内容，操作者可在进入虚拟加工环境前选择是否进入带有数控教程的虚拟系统，也可以在虚拟环境内划分数控教学区，并加入多媒体技术。当操作者进入教学区域后，虚拟环境会通过UI界面或屏幕语对操作者进行提示是否进入数控学习模式，该数控学习模式主要通过视频讲解和操作动作教学进行，带领初学者快速掌握数控加工基本技能。同时，需要添加主轴转动声、工作台移动声、车床开关门声和错误警报声等音效，这些音效伴随着各功能的开始和停止，增强了学生在虚拟环境中的沉浸感和真实感。
本文以C#语言和Unity3D引擎为基础构建数控机床拆装教学与训练可视化系统，详细阐述了主体框架模块、人机交互模块、原理介绍和拆装教学模块，学生通过Steam VR在虚拟的环境中认识数控车床结构部件的拆装过程和传动系统的原理。
该系统实现了虚拟场景与真实数控机床的有效结合，具有以下几点现实意义。第一，节约了数控车床实践课程的教学成本。借用虚拟工厂作为数控车床实践课程的初期教学工具，从而减少在初期教学中对教学资源的损耗。第二，突破了传统的教学模式。突破传统实训课程对时间和地点的限制，学生可以选择合适的时间和内容进行学习，提高了学生的学习热情。第三，保证了初期教学的安全性。数字化虚拟工厂教学将计算机技术与VR眼镜结合进行模拟操作，属于非接触式教学。在同等的教学任务下，保证了教学安全。此外，在虚拟环境中还设立了安全报警系统，当使用者操作错误时，系统通过小窗口的形式对使用者进行警告，便于规范使用者的操作行为。第四，可以用于机床理论课教学。虚拟场景可用于机床主传动系统、换挡机构、运动机构讲解，理论与实践相结合。学生通过VR眼镜还可以对虚拟工厂进行进一步了解，增强课堂的趣味性，同时提高机械专业学生对机床整体、加工车间的认知程度。
由此可见，开发出一套完整的虚拟数控加工教学系统不仅能够有效节约教学资源和教学成本，还可以丰富教学内容，将传统的平面式教学向立体式三维教学转换，提高学生主动学习的热情，同时保证教学内容的完整性和教学的安全性。然而，与实际操作数控车床相比，虚拟仿真提供的是一个仿真度很高的假设环节，仍然无法完全取代真实的数控车床实践，比如工件的装夹、数据的测量和校准等。因此，学生完成虚拟仿真后仍然需要脱离虚拟环节在数控机床上进行实践练习。教师根据学生实践练习情况再返回虚拟仿真修改参数。这种教学方式可以有效降低操作失误率，加快学生的实习进程。因此，通过虚实结合的教学，可提高学生的学习积极性和操作精准与规范度。
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