基于Unity3D的虚拟切削仿真系统的研究与开发

岑洎涛

摘要：针对目前国内部分学校需使用数控系统进行生产实训但难以承担比较昂贵机床费用这一难题，本文初次尝试开发一套能够满足实际教学需要的虚拟切削仿真系统。在作了大量的分析后，选定Unity3D软件作为开发平台，广州数控218MC系统作为数控系统硬件平台，推导了三维切削仿真算法，然后进行虚拟切削仿真系统的研究与开发。本软件系统通过真实的数控系统控制虚拟的加工中心，透过切削仿真呈现加工过程。实验结果表明，本文开发的软件系统可以满足基本的数控系统教学需要。

关键词：Unity3D；虚拟；切削仿真

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）04-0169-02

我国的机床消费额稳居世界第一，因此市场上需要大量懂得使用数控机床的技术人员。不过，由于数控机床的价格极其昂贵，技校难以有足够的资金购买大量的设备满足学生进行生产实训，即使有钱购买，也难以跟随社会进步更新设备，因此，大部分的学校的设备相对老旧，学生学到的技能也跟企业实际生产需求有所差别。为此，笔者基于拥有逼真画面效果的Unity3D和数控系统出货量最大的广州数控的一款加工中心数控系统——218MC，开发一套虚拟切削仿真系统作为数控培训的教学设备，目的在于能够帮助学校减少开支，帮助学生可以及时学习最新的数控系统。

1 Unity3D简介

Unity是由Unity Technologies公司开发的高端跨平台引擎，Unity除了用于游戏开发，还被广泛地应用在航空航天、军事国防、工业仿真、教育培训、医疗模拟、建筑漫游等统称为严肃游戏的领域[1]。Unity在很多方面具有非常明显的优势，其中容易开发并且可以让开发者可以创作出逼真的画面。因此，本文采用Unity3D平台进行虚拟切削仿真系统的开发。

2 虚拟切削仿真系统架构

如图1所示，本系统主要分为两部分，一部分是真实的广数218MC数控系统，一部分是基于Unity3D开发的运行在PC上的仿真软件。两者通过一根网线相连。这么设计的好处在于培训者是确确实实的操作真实的数控系统，操作上跟真实机床没有任何区别，所以培训效果更真实。本系统只要跟数控系统成功连接，即可随时跟数控系统进行通信，由图可见，数控系统会实时把位置信息、换刀信号和主轴状态信息发送给软件，软件根据其信息实时刷新，呈现出虚拟机床在根据指令加工的效果。同样，软件也会反馈一些信息给数控系统达到相互协作，模拟真实的加工状况。

另外，软件内部会根据刀具与毛坯的实时位置进行判断，通过切削算法来不停更新毛坯的点位信息，由此可以慢慢呈现出毛坯被加工的过程。

3 三维切削核心算法

本文软件系统的核心在于实时的切削仿真算法。切削处理过程，主要是碰撞检测过程，碰撞检测的准确性和快速性直接影响着系统的好坏[2]。整个数控机床除了毛坯部分以外都不会有任何变化的，所以必须在满足视觉效果的前提下尽可能的把模型简化，以使每次刷新重画的三角面片数最小。

核心算法在于把刀具和毛坯简化为一个包围盒，根据刀具的不同大致分为三类，一类是可以作为圆柱的平铣刀，一类是球刀，接触部位是一个球，最后一类是钻头，接触部位是圆锥。毛坯则细分成边长为0.01mm的四方柱，每次计算都是把统一了坐标系的刀具中心点跟每个毛坯点进行碰撞计算，如毛坯点在刀具范围内，则下降顶点高度。由此可知切削算法分为三类，然后根据直线切削和圆弧切削，所以共六种算法。图2是统一后的切削算法流程图。

4 系统应用效果

本文开发的软件系统界面如图3所示，可以通过菜单设置毛坯的大小，设置最多12把刀的类型和尺寸。另外还有对刀功能和加工完毕后的测量功能。已经可以满足一般的数控系统教学需要。

为了验证本软件系统是否可行，特地编写了一个数控程序，让218MC系统跑，观察虚拟机床的加工过程，如图4所示可以看到逼真的加工效果和順利加工出需要的轨迹。

5 结语

在调查和分析目前数控教育存在的问题的基础上，本文开发了一套廉价又实用的虚拟切削仿真教学软件。该软件经过测试，确实可以逼真且准确的仿真出数控系统加工的过程。该软件还将进一步完善其切削算法，打算让其能够更快速响应和能够再提高分辨率，为了仿真出更真实的加工过程。

参考文献

[1]Unity Technologies.Unity4.X从入门到精通[M].北京：中国铁道出版社，2013.

[2]周玉昕.虚拟数控加工系统的切削仿真及加工结果评价研究[D].广州：广东工业大学，2013.