基于Virtools的數控銑床虛擬加工系統

針對數控銑床操作難度大，并具有危險性的問題，本文基于Virtools開發了一個數控銑床的虛擬加工系統，可實現零件毛坯的裝夾，刀具的安裝和對刀，數控加工程序的輸入，零件的加工和拆卸等整個過程的仿真。三維立體投影設備和立體眼鏡的應用，以及高度還原的機床模型和操作過程，都使得系統仿真的真實性和沉浸感得到了明顯提高。

【關鍵詞】數控銑床 虛擬加工 Virtools

1 概述

數控銑床是現代制造業生產加工的重要設備之一，培養優秀的數控銑床操作工成為相關教育機構的迫切任務，但是數控銑床操作難度大，具有危險性，若操作不當可能對人身和機床造成不可逆轉的傷害。數控銑床的虛擬加工系統能夠有效避免真實的人身和機床傷害，尤其對于初學者來說非常適用，加之虛擬現實技術的飛速發展和廣泛應用，使得此類系統的研究成為現實。浙江大學山東大學陜西科技大學等高校的學者對此都進行了一定的研究，設計開發了數控車床、加工中心的仿真系統，或是用于數控加工的教學系統。

但是上述文獻所涉及的虛擬加工系統多存在仿真效果不理想，沉浸感不佳等問題，對此，本文特利用虛擬現實技術的3I（immersion， interaction， imagination）特性，基于Virtools軟件平臺，結合計算機、三維立體投影設備、立體眼鏡、音響等硬件設施，研究開發了一個數控銑床的虛擬加工系統。該系統利用3DS Max建立數控銑床的三維模型，運用Virtools實現銑床運動的仿真，并使用其物理模塊實現了刀具與工件和機床的碰撞檢測。

2 虛擬加工系統的設計

該系統由計算機、BARCO Gemini立體投影系統、立體眼鏡、音響等硬件設備構成，系統結構圖如圖1所示。該系統可完成數控銑床面板的基本操作仿真、零件的安裝和拆卸仿真、銑床切削加工運動仿真等內容，具體功能框架如圖2所示。數控銑床及刀具、工件的三維模型由3DS Max軟件建立，導入Virtools中進行機床的運動仿真和人機交互功能的實現。

3 數控銑床的運動仿真

3.1 銑床面板操作仿真

數控機床操作者主要是通過數控機床的面板與機床進行交互并完成零件的加工的。本文所開發的虛擬加工系統是在型號為XD-40A的三軸數控銑床的基礎上進行的，所用操作面板是FANUC Series 0i系列面板。用戶通過鼠標和鍵盤與系統進行人機交互，用戶點擊鼠標進行按鈕相關操作，也可通過鍵盤進行參數的輸入，參數將存入相應的數組中，結果將實時顯示在顯示屏上。圖3是某按鈕操作的流程圖。

3.2 工件裝卸過程仿真

本系統設置了長方體和圓柱體兩種毛坯形狀，用戶可以選擇所需毛坯類型并控制毛坯的尺寸。若需要其他類型的毛坯，可通過系統預留的接口導入毛坯的三維模型。系統的夾具有平口鉗和三爪卡盤兩種，可通過鼠標、鍵盤與系統進行交互來實現工件的安裝和拆卸，安裝毛坯的流程圖如圖4所示，若需要其他專用夾具，可通過系統預留接口導入夾具的三維模型。

3.3 銑床切削運動仿真

切削運動的實質是刀具相對于工件進行運動的結果，系統根據用戶輸入的G代碼判斷刀具的運動軌跡，實現工件的切削加工。在加工的過程中，運用Virtools自帶的物理模塊進行碰撞檢測，以防止刀具和機床的碰撞而發生損壞。

4 系統仿真

用戶利用本系統進行虛擬加工時，通過鼠標鍵盤進行信息的輸入和對系統的控制，佩戴立體眼鏡通過三維投影設備觀察整個加工的過程的實現。進入系統之后首先進行毛坯的設置和安裝，并選擇合適的加工刀具；然后通過控制面板完成對刀操作并設置刀補，利用鼠標鍵盤通過控制面板輸入加工程序，按下啟動按鈕進行工件的加工；加工完畢之后進行零件的拆卸，并以全屏模式觀察零件的加工結果。

5 結束語

本文利用3ds max和virtools等軟件，配備計算機、三維投影設備、立體眼鏡等硬件設施，開發了一個數控銑床的虛擬加工系統。依據真實機床進行相關模型的建立，并通過貼圖處理和環境配置提高了系統的真實感，三維投影設備和立體眼鏡的使用增加了系統的沉浸感。系統的整個仿真過程符合實際加工的順序，能夠使用戶操作數控機床的能力得到很好的鍛煉，同時避免了的危險的發生及機床的損壞。若想進一步提升系統的交互性和沉浸感，可加入數據手套完成人機交互過程，這也是下一步的研究方向之一。

參考文獻

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作者簡介

呂玉蘭（1989-），女，河北省辛集市人。碩士研究生。助理講師。主要研究方向為虛擬現實，數控加工。

作者單位

山西機電職業技術學院 山西省長治市 046000