摘 要

随着计算机技术的快速发展，虚拟仿真技术也得到了不断的进步，其功能日趋强大，并且虚拟仿真技术也不断应用在各个领域中 而在机械行业中虚拟仿真技术就有着广阔的应用前景。而通过虚拟仿真系统制作实验装置，不仅可以节省场地和维护成本，还可以更快捷的形式将实验设备的机械结构，传动形式，加工特性展现在学生面前。

本文针对三维工作台进行虚拟仿真系统设计。主要的研究工作包括了，对三维工作台设备的选型，计算出符合要求的直线模组，滚珠丝杠，伺服电机。借助Pro/E软件对三维工作台进行三维建模，然后将三维台导入Unity中。通过在Unity内进行脚本编程，完成三维台手动模式的运动功能，之后运用Unity内的网格编程，完成数控加工的动态切削效果。为展示数控加工效果，选择一个较为典型的铣削加工零件，通过在Unity内编程，实现直线加工以及圆弧插补的功能，配合动态切削效果共同完成数控加工的效果。为了具有良好的用户交互效果，在三维台加工过程中也有对应的加工G代码在三维台模型的右侧滚动显示。并最终将虚拟仿真效果发布于网页端，使用户能更便捷地学习与使用该平台。

论文主要研究了以三维工作台为代表的数控铣床加工过程，完成动态切削，圆弧插补以及数控逻辑执行的过程。

关键词：三维工作台；虚拟仿真；Unity3D；动态切削效果；圆弧插补

Abstract

With the rapid development of computer technology, virtual simulation technology has also been continuously improved, its functions are increasingly powerful, and virtual simulation technology is also continuously applied in various fields. In the mechanical industry, virtual simulation technology has broad application prospects. The experimental device is produced by the virtual simulation system, which not only saves the site and maintenance cost, but also displays the mechanical structure, transmission form and processing characteristics of the experimental equipment in front of the students in a quicker form.

This paper designs a virtual simulation system for a 3D workbench. The main research work includes the selection of three-dimensional workbench equipment, calculation of linear modules, ball screws, and servo motors that meet the requirements. The 3D workbench is modeled in 3D with Pro/E software, and then the 3D table is imported into Unity. Through the script programming in Unity, the motion function of the 3D manual mode is completed, and then the grid programming in Unity is used to complete the dynamic cutting effect of the NC machining. In order to demonstrate the effect of CNC machining, a more typical milling machining part is selected. By programming in Unity, the functions of linear machining and circular interpolation are realized, and the effect of numerical control machining is completed together with the dynamic cutting effect. In order to have a good user interaction effect, a corresponding machining G code is also scrolled on the right side of the three-dimensional table model during the three-dimensional machining process. Finally, the virtual simulation effect is released on the webpage, which makes it easier for users to learn and use the platform.

The paper mainly studies the machining process of CNC milling machine represented by 3D workbench, and completes the process of dynamic cutting, circular interpolation and numerical control logic execution.

Key Words：3D workbench.；virtual simulation； Unity3D；Dynamic cutting effect；Circular interpolation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 三维工作台 1

1.2 虚拟仿真 1

1.2.1 国内外研究现状 2

1.3 主要研究内容 2

第2章 三维台虚拟仿真的总体设计 4

2.1 三维建模软件的选择 4

2.2 虚拟仿真软件平台的选择 4

2.3 三维工作台功能分析 4

2.4 虚拟仿真整体框架设计 5

第3章 三维工作台结构设计 7

3.1 三维工作台总体设计 7

3.1.1 电主轴选型 7

3.1.2 底座支撑选型 7

3.1.3 模组与丝杠选型 7

3.1.4电机选型 8

3.2三维台模型的优化与导出 8

3.2.1 三维台模型的优化 8

3.2.2 三维台模型的导出 9

第4章 三维台虚拟仿真的设计与实现 11

4.1 三维台虚拟仿真的前置工作 11

4.1.1 三维台模型的前置工作 11

4.1.2 三维台仿真程序的前置工作 11

4.2 三维台虚拟仿真的手动模式 13

4.3 三维台虚拟仿真的数控模式 14

4.3.1 毛坯工件动态切削效果的实现作 14

4.3.2 加工工艺路线设计 16

4.3.3 直线运动与圆弧插补的实现 16

4.3.4 数控加工的顺序执行逻辑 18

4.5 三维台虚拟仿真的UI设计 19

第5章虚拟仿真系统的发布与效果展示 20

5.1 三维台虚拟仿真系统的发布 20

5.2 虚拟仿真效果展示 20

5.2.1 手动模式效果展示 20

5.2.2数控加工效果展示 21

结论 23

参考文献 24

致谢 25

第1章 绪论

1.1 三维工作台

本文所研究的主要对象是三维工作台，三维工作台应用在工业、教学及科研等领域，其基本的运动控制类似于传统机械加工中的铣床，但其根本的实现原理具有很大的差别。该三维台具有模块化、开放式的特点，可用在多种教学与实验中，包括机电传动控制、电机与驱动执行装置使用、维护、调整的试验上。可以配合基于 PC 平台和开放式运动控制器开发的平台软件，组成各种既可面向工程实训和教学的系统平台，又可面向各种工业应用的专用运动控制系统平台。

本次三维工作台主要是针对于学生使用的实验型三维台，其注重于实验效果与结构运动原理的展现，让学生能通过虚拟仿真平台了解并掌握到三维工作台通过的直线运动，圆弧插补实现数控加工的效果以及不同的G代码对应数控机床的不同运动。

对于该数控的机械系统，采用了滚珠丝杠、导轨，机身为铝的结构设计，重量轻，采用模块化设计，可根据需要组成不同的结构。整体支撑框架部分采用了铝型材，通过铝型材，T型螺母，内六角螺钉组合进行固定。三维工作台采取直线模组进行运动。

1.2虚拟仿真

虚拟仿真技术其实就是日常生活中常被提及的虚拟现实技术，虚拟仿真的英文为Virtual Reality也可译为，虚拟现实。可能很多人认为的虚拟现实技术就是需要一些专门的VR设备，包括了虚拟现实头显为代表的显示设备，三维立体声为代表的声音设备，以数据手套，运动捕捉系统为主的交互设备。这里涉及的虚拟现实技术其实是较为狭义的虚拟现实，虚拟仿真系统本质是通过一个虚拟的系统来模拟仿真真实的系统效果，其核心是通过一个虚拟模型来模拟真实的系统，那些较为特征化的虚拟现实的工具其实主要就是为这个核心概念服务，其主要的显示设备，声音设备和交互设备主要是为了用户更良好的体验，但其核心的虚拟模型并没有因为外部的这些显示设备，声音设备和交互设备而产生改变，虚拟模型的核心是用计算机编程来模拟实际的系统的效果。

虚拟现实技术是多学科交叉的结果，其中对于虚拟模型的建立涉及了计算机技术、计算机图形学，对于模型的视觉效果涉及计算机视觉、视觉生理学、视觉心理学、仿真技术、多媒体技术、信息技术、立体显示技术，对于人与虚拟模型的交互过程又涉及到了传感与测量技术、语音识别与合成技术、人机接口技术、网络技术。从以上内容可以看出，正是多学科内容不断为虚拟仿真技术提供有力的支撑，其逼真性和实时交互性才能不断发展，这门技术也不断在各个领域中得以发展和应用。

虚拟现实主要具有以下的三个特征：

沉浸性（immersion）：虚拟仿真技术通过结合计算机视觉、视觉生理学、视觉心理学、仿真技术、多媒体技术、信息技术、立体显示技术等高新技术，不仅在原理上对真实系统进行仿真，并且给用户予以逼近现实的沉浸感，增强了用户体验，使用户能完全沉浸在构建好的虚拟仿真场景中。

交互性（interaction）虚拟仿真的交互性表现在，面对用户的输入，虚拟仿真系统可以根据该输入能对应反应出真实系统应该出现的反馈。针对于本次三维台虚拟仿真系统，其交互性反映在三维台在面对用户的输入时，例如鼠标点击，数控加工等内容，产生的是动态的切削效果，对毛坯工件产生实时的变化。

构想性（imagination），使人们能沉浸其中，根据虚拟仿真系统内的逼真效果能够与真实系统产生联想，使用户能根据虚拟仿真系统映射到真实系统，甚至能根据该虚拟仿真系统拓展出真实系统所不能达到的效果，通过虚拟仿真系统可以充分调动出使用者的想象力，创造力。由此对于真实系统可以有一个更深刻的认识，并且也拓展了使用者的创新能力。

1.2.1 国内外研究现状

本文主要的研究对象是三维台的虚拟仿真系统，其主要目的是通过虚拟仿真系统来模拟真实系统，用户通过使用三维台虚拟仿真系统能更好的认识到真实系统的运作模式，因此该虚拟仿真系统是属于一种虚拟实验，而虚拟实验在国内外已具有比较广泛的研究了。

首先针对于仿真软件的选择上，本次三维台虚拟仿真系统采用unity软件实现虚拟仿真系统。该虚拟仿真系统的本质是建立一套仿真实验系统。仿真实验即是在计算机上用仿真软件模拟现实的效果，事实上，很多仿真实验软件早就开发出来了，在很多大学、全国重点高中、初中也已经应用开来。仿真软件通过图形化界面联系理论条件与实验过程，同时运用一定的编程达到模拟现实的效果。仿真软件种类很多，其中很多都在大学学习阶段用到过，包括机械动力学的有Adams，Ansys，Abaqus，电子的有Proteus，单片机的有Keil，通用Matlab中的Simulink模块。

在研究技术模块，美国，德国和日本的发展较为突出，虚拟现实技术是由美国首先提出，在政府和行业的促进下，得到了较快的发展，用于多个虚拟现实技术的应用机构，包括虚拟装配系统，火星探测车模拟系统。德国主要注重于虚拟仿真与工业技术的结合，包括了人工智能，语言识别和虚拟装配系统的结合。由以上可以看出国外的虚拟现实系统的研究已经有了较多的发展。

而国内的虚拟现实发展相较于国外发达国家起步较晚，发展不够充分，但在如今国家和行业的不断促进下。许多高校都有了自己代表的虚拟仿真系统。其中较为著名的有：1.北京航空航天大学是我国最早开展虚拟现实技术研究的高校之一，其开发了分布式虚拟现实环境基础信息平台DVENET，是对真实环境中战场模拟仿真，可以对飞行员在该环境下进行驾驶训练。2.浙江大学CADamp;CG国家重点实验室开发了一套基于桌面型的虚拟现实漫游系统，开发了虚拟装配系统IVAS，用户可以在该平台上完成零部件的选取，装配路径等操作。

通过对国内外研究情况的对比发现，发达国家的发展要比我们国家要更近一步，但差距并不明显，但可以发现的是我国对于虚拟现实技术的发展，多是在工程应用中而对于底层的虚拟现实的开发还是十分薄弱的。

1.3主要研究内容

本文主要的研究内容有：数控三维工作台的机械运动过程。将运动过程通过编程，在unity内实现仿真运动，完成三维台手动模式的功能，包括XYZ三轴的直线运动，回原点等基本功能。然后完成Unity内动态生成和变化网格点的功能，并用该功能反映出毛坯工件的加工情况。在完成该功能的基础上，制作一个加工样例程序，该样例程具有以下的内容：1.直线运动2.圆弧插补3.不同深度的切削。同时为了良好的用户体验，需要将数控代码逐行显示在虚拟仿真系统中，考虑到手动模式也涉及到多个按钮逻辑，因此，需要制作一套较为完整的UI系统支持以上的功能。最后将该虚拟仿真系统发布在网页端。在网页端呈现交互结果，虚拟仿真加工过程等主要内容。

第2章三维台虚拟仿真的总体设计

2.1 三维建模软件的选择

要制作三维台虚拟仿真系统，首先需要对三维台建立模型，本次三维台选择的建模软件为Pro/E。Pro/E的全称为Pro/Engineer，又名CREO是美国参数技术公司PTC研发的集CAD/CAM/CAE于一体的三维设计软件，也是当今主流的三维设计软件。Pro/E的主要特点在于1.参数化设计2.基于特征建模 3.单一数据库。并且Pro/E的主要优势设计模块是模具设计和复杂实体设计。而三维台作为一个具备XYZ三轴联动设备，具有较多的机械零部件，并不是单一的零部件设计，所以选用Pro/E进行三维模型的设计是较好的选择。

2.2 虚拟仿真软件平台的选择

对于虚拟仿真的开发模式，较为普遍的有三种。1.使用DirectX、OpenGL等开放式图形库完成从底层逻辑开发，到最后的虚拟仿真应用。该方法需要大量的编程工作，并且很多底层逻辑关系和交互功能需要自己完成，因此对于本文来说，并不适合单人来完成，往往需要一个团队协作分工完成。2.利用现有的软件进行二次开发，该方法依然需要较大的编程工作，并且该方法对于原本的软件会有较大的依赖。3.是运用现有较为成熟的专门用于制作虚拟仿真的软件进行开发，比较著名的有Virtools,Unity3D,LabVIEW等。其中Unity3D因其画面质量优异，良好的交互性，完善的物理引擎系统，较好的兼容性，能够跨平台开发并且其在全球的用户众多，应用领域广泛因此对于学习以及开发过程中问题的解决具有良好的帮助，因此基于以上原因，选择了Unity3D作为虚拟仿真开发的平台。

2.3 三维工作台功能分析

根据三维台真实系统的主要功能。对整体三维台进行需求分析，因三维台主要有三个模块的功能，1.手动模式，在该模式下主要完成的是通过鼠标点击达到XYZ三轴的直线位移，暂停等功能。2.数控模式，在该模式下主要完成的是数控程序的展示和对应的数控代码程序。而两种功能模式主要涉及到的技术要点。在手动模式中的直线运动，选择的是Unity3D中的运动控制脚本完成。回原点的功能需要的在三维模型在Unity3D中具有准确的位置关系，使用Unity3D内运动组件的方法返回到对应的位置点。对于数控模式中，主要的技术要点为，1.需要加入动态切削效果，实现工件动态的变化。2.实现数控加工逐步加工的逻辑过程。3.需要将数控代码显示在屏幕中，并逐行显示。

图2.3 三维工作台功能分析图

2.4 虚拟仿真整体框架设计

本次三维台的虚拟仿真系统主要的整体框架分为三部分，第一部分是三维模型的建立，该部分在Pro/E内完成，而将模型导入到Unity中，需要进行格式转换，转换为FBX的格式。对于建模完成后的三维台需要导入到专业的动画模型制作软件中进行格式转换，可供选择的有3dsMax，Cinema4D，Maya等，本次研究选择了Cinema 4D进行格式转换和模型的简化和渲染，因为相较于其他两个软件，Cinema 4D转换后的3D模型在Unity内的存储容量更小，虽然丢失了一定的逼真度但能够更为流畅。第二部分是逻辑交互和仿真效果的实现，包括XYZ三轴的运动，以及数控加工功能，该部分在Unity3D内通过脚本编程控制实现。第三部分是虚拟仿真效果的展示，本次研究将制作完成的虚拟仿真模型发布到网页端，通过Unity3D跨平台发布的优势，选择网页端，其对用户硬件要求低且使用非常方便的载体。

图2.4 虚拟仿真整体框架

第3章三维工作台结构设计

3.1 三维工作台的总体设计

首先对三维工作台进行的整体尺寸与加工工艺目标进行分析，三维工作台的总体大小预计为500mm×500mm×200mm的大小。预计的加工工件的材料为灰铸铁，选用的驱动电机为伺服电机，转速为3000r/min。

3.1.1 电主轴选型

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