基于混合現實的五軸數控機床全息教學應用系統開發*

劉俊英，梁 豐

（河源職業技術學院機電工程學院，廣東河源 517000）

0 引言

虛擬現實技術(Virtual Reality，VR)是一種可以構建虛擬場景并使用戶進行真實體驗與交互的計算機仿真技術。VR因具有操作簡便、成本較低、交互性強、形象逼真等優點[1-2]，現已被大量應用在虛擬醫療、虛擬培訓、虛擬制造、虛擬游戲等領域中，尤其是在一些實踐成本高、難以實現、危險性高的場合，VR技術能夠較好地解決實踐難題[2-4]，目前VR技術也大量應用于為企業、政府機構、旅游景點、家居房產等行業提供VR全景展示。增強現實技術（Augmented Reality，AR）可以將計算機生成的虛擬物體、虛擬場景等實時顯示、疊加到真實場景中[5]，將虛擬的世界與真實的世界融合到同一空間，增強使用者對真實世界的感觀[6]。混合現實技術（Mixed Reality，MR）是在AR技術上的進一步發展[7]，結合了虛擬現實技術和增強現實技術的優勢[8-9]，通過在現實場景呈現虛擬場景信息，在現實世界、虛擬世界和用戶之間搭起一個交互反饋的橋梁紐帶，將真實世界和虛擬信息融合而產生新的可視化環境，在新的可視化環境里數字對象和物理對象共存，并可以進行實時交互[10]。AR技術與MR技術都是將虛擬與現實融合，不像VR技術讓人完全沉浸在虛擬世界中［11］，兩者的開發技術也有許多相似之處。目前虛擬現實、增強現實及混合現實技術已廣泛應用于教育、軍事、航空、醫療、娛樂等各個領域，在現代制造業的應用也越來越廣泛。

五軸數控機床是一種高精密加工設備，主要用于加工復雜曲面零部件，是解決大型柴油機曲軸、汽輪機轉子、重型發電機轉子、葉片、葉輪、船用螺旋槳等復雜零部件加工的重要手段，但該類設備價格昂貴，在各類院校的實訓室中，該類設備都比較少。五軸數控機床由于操作復雜，學習有難度，學生在實習實訓的過程中經常出現誤操作撞機等問題，使設備精度受到嚴重影響，導致機床出現故障，維修成本逐年增加，嚴重影響正常教學。隨著時代與產業的發展，以混合現實技術為代表的數字化教學資源建設緊跟前沿技術、與時俱進，緊扣時代、響應國家政策及專業技術人才培養的需要，解決教學與產業需求難以接軌的實際問題，在現實世界與虛擬世界之間搭建橋梁，在很大程度上可以解決學校實訓資源匱乏的難題。基于此，本文將混合現實技術應用于五軸數控機床設備教學與實踐，進行全息教學應用系統開發具有非常深遠的意義。

1 系統開發思路和功能

系統總體開發思路為先進行五軸數控機床部件三維模型建模，并將模型導入常用的MR開發平臺進行場景搭建，利用C#語言作為腳本開發軟件進行動畫制作及交互演示。五軸數控機床一般由兩個旋轉軸組成，旋轉軸不同安排形式構成不同結構的數控機床［12-13］，本系統選用的機床開發原型為WG-125工業五軸五聯動加工中心，其旋轉軸為B、C軸，機床部件建模過程非常的繁雜，為了使系統最終的機床與真實機床結構比例相同，特選用UG軟件進行三維造型，按1∶1的尺寸創建各機床結構。再將UG建模后的機床模型導入到3ds-max軟件進行編輯和初步渲染，增加一些貼圖效果。MR系統開發選用的開發平臺為Unity 3D平臺，該平臺目前在市場上應用非常廣泛，功能也很強大。機床的工作原理動作演示及拆裝動作演示都是使用C#語言進行動畫腳本開發，編寫相應的程序實現相應的功能。

五軸數控機床全息教學應用系統的開發以節約成本、降低操作危險、防止實際誤操作損壞五軸機床為目的，主要用于數控加工技術的教學與相關培訓。本系統將MR技術與五軸數控機床結構認知相結合，基于MR技術將五軸數控機床以混合現實形式進行呈現，包括整個實訓室場景、相關虛擬設備等。全息教學應用系統中的五軸數控機床操作方式與真實五軸數控機床基本一致。系統發布成功后可利用MR眼鏡實現虛擬五軸數控機床的透視、局部、旋轉等觀察功能，從而使學生學習五軸數控機床結構、工作原理及設計方法；可實現五軸數控機床安裝拆卸的交互式演示，實現虛擬三維物體、動畫與物理現實空間自然融合。

2 系統功能模塊

為使學生通過本系統以虛擬的方式反復練習，加強教學的技術性、職業性、情景性、過程性與互動性。本系統的功能模塊主要包括機床結構介紹模塊、工作原理模塊、整體拆裝模塊、透明效果及剖切效果模塊。

2.1 機床結構介紹模塊

本模塊主要是讓學生熟悉機床的各部分結構組成，包括虛擬五軸數控機床、虛擬數控面板、虛擬刀具和夾具、虛擬手輪、虛擬機床電控柜等，具體內容如下。

（1）虛擬五軸機床：主要包括機床門、機床側窗、放置閑置刀具的刀柜、機床主軸及X、Y、Z、B、C軸、機床工作臺、刀庫、換刀機械手臂等，每個部件的外形及尺寸與真實的五軸機床部件幾乎一致，達到高度仿真的效果。

（2）虛擬數控操作面板：本系統與真實機床一致，配有數控操作面板，包括按鍵區域和屏幕區域兩部分，每個區域的形狀與按鍵等均與真實機床上的數控操作面板一致，操作方式也相同。

（3）虛擬刀具：刀庫中配有虛擬刀具，其結構和外形尺寸高度仿真真實刀具。

（4）虛擬操作手輪：可操作的獨立手輪，操作方式與真實手輪一致。

（5）虛擬機床電控柜：包括24 V電源、斷路器、變頻器、中間繼電器、交流繼電器、各軸驅動器等，每部分結構和外形都高度仿真真實機床電控柜。

當使用MR眼鏡進入開發后的五軸數控機床全息應用系統中后，光標點擊機床結構介紹模塊，機床外部可見的結構都以引出線的形式呈現給使用者，如圖1所示，約20 s后，各部件介紹的引出線及名稱消失，使用者可以對不熟悉的部件進行自行點擊，藍色光標點擊后會顯示該部件的名稱，如圖2所示。機床的外部結構也可以隱藏，里面核心部件的介紹與外部部件的形式相同，先整體顯示各部件名稱，如圖3所示。20 s后消失，使用者可以對不熟悉的部件進行自行點擊，點擊后會顯示該部件的名稱，如圖4所示。

圖1 機床外部結構及部件名稱

圖2 機床外部部件單獨點擊光標呈現名稱

圖3 機床內部部件結構及名稱

圖4 機床內部部件單獨點擊光標呈現名稱

2.2 工作原理模塊

五軸數控機床上至少有5個坐標方向，分別為3個直線坐標方向和2個旋轉坐標方向。機床操作和工作原理比較復雜，WG-125工業五軸五聯動加工中心的5個軸分別是X、Y、Z、B、C軸。本模塊主要作用是讓使用者通過系統提示一步一步地啟動機床，并按動數控面板上的操作按鈕觀察X、Y、Z、第4軸（B軸）、第5軸（C軸）及主軸的運動情況和刀庫換刀等動作，使用戶熟悉五軸數控機床的初步操作過程及工作原理。

機床的每一步操作都有相應提示，可以滿足初級用戶熟悉機床的各項基本操作及工作原理，如圖5～7所示。

圖5 機床操作提示一

圖6 機床操作提示二

圖7 機床操作面板

本模塊因涉及到機床的運動，每個運動動作都要用C#語言編寫腳本，實現相應動作及動畫效果。

如Move腳本，其作用是點擊X軸，再點擊J＋/J-，將會在X軸上移動，YZ軸同理。其內容如下，因腳本內容很多，本文用兩處省略號省去一部分內容。

2.3 整體拆裝模塊

本模塊主要是實現五軸數控機床拆卸安裝的交互式演示，使學生進一步熟悉五軸機床的結構及進行虛擬拆裝實訓，包括自動拆裝和手動拆裝兩部分。具體內容如下。

2.3.1 自動拆裝

系統自行拆裝機床的所有組件，學習者可先觀看五軸數控機床自動拆卸、裝配過程，拆裝的過程都有相應文字說明，拆卸時先按組件拆卸成機床支撐框架組件（機床門、機床側窗、刀柜、指示燈等）、主軸系統組件（主軸電機及主軸）、工作臺系統組件（X、Y、B、C軸及各電機和工作臺）、刀庫系統組件（刀庫、刀具、電機及換刀機械手臂）、數控操作面板組件（按鍵區域、屏幕區域等）、機床電控柜組件。之后每一個組件再分別拆卸出各相應零件。安裝過程與拆卸過程正好相反。圖8所示為拆卸后的工作臺B、C軸組件。圖9所示為拆卸中的B軸和C軸各零件。

圖8 拆卸后的工作臺B、C軸組件

圖9 拆卸中的B軸和C軸各零件

2.3.2 手動拆裝

學習者對整個拆裝比較熟悉后，可點擊手動拆裝與系統進行交互，一步一步完成五軸機床拆卸和裝配的過程，系統可在手動拆裝中自動判斷學習者操作的正確性，并給出下一步操作的相關提示，引導學習者完成整個手動拆裝過程。

本模塊中的所有拆卸及安裝動作都接近真實效果，如螺釘的旋轉拆卸過程等，與真實拆卸過程一致。

拆卸和安裝過程也是使用C#語言編寫腳本進行交互呈現。其中一個腳本為CZ，其作用包含自動拆卸、自動安裝和手動拆卸、手動安裝，按下自動拆卸（安裝）按鈕，零部件自動進行拆卸（安裝）運動；按下手動拆卸（安裝）按鈕，相對應的零部件進行閃爍提示，用戶根據提示將藍色光圈定位進行拆卸（安裝）運動。

CZ腳本內容如下，因腳本內容很多，本文用兩處省略號省去一部分內容。

2.4 透明效果模塊和剖切效果模塊

透明效果模塊主要作用是可以更加直觀地觀察機床的各部分結構，尤其是被外面的部件擋住的部分，可以將擋住部分透明化，直接觀察其內部零部件。圖10所示為將機床外部結構件透明化后的效果。

圖10 機床外部結構件透明化效果

剖切效果模塊主要作用是觀察機床的各零件的內部結構，尤其是內部孔槽比較多的零件，可以采用剖切效果模塊進行觀察。圖11所示為將機床X軸工作臺剖切之后顯示的效果。

圖11 機床X軸工作臺剖切效果

3 實踐應用

本系統已經在河源職業技術學院數控技術、模具設計與制造等專業的《多軸加工技術》、《多軸加工工藝與編程》、《多軸編程及加工實訓》等相關課程教學中進行應用。通過將本系統應用到教學中，可以讓學生在實際動手操作和維修五軸機床前就熟悉機床的各部分結構和工作原理以及拆裝過程，大大避免了因誤操作而損壞機床問題的出現，很大程度上提高了學生實訓的興趣，學生自主學習能力和創新創造能力明顯增強，教學效果明顯提升。目前，本系統正在向其他同類院校相關專業及一些高新技術企業進行推廣，應用范圍會越來越廣泛。

4 結束語

本文以WG-125工業五軸五聯動加工中心作為系統開發原型，使用UG和3ds-max軟件進行機床三維模型創建和編輯，利用Unity 3D作為MR開發平臺，應用C#語言編程實現系統的動畫和交互功能。開發出的五軸數控機床全息教學應用系統具有機床結構介紹、工作原理、整體拆裝、透視效果和剖切效果5個模塊和功能。系統將MR技術與五軸數控機床結構認知、工作原理分析及實訓拆裝相結合，基于MR技術將五軸數控機床以混合現實形式進行呈現，實現了虛擬三維物體、動畫與物理現實空間自然融合。本系統的開發解決了因五軸機床價格昂貴、購買成本高以及操作復雜易產生操作危險，出現誤操作損壞五軸機床等實際問題，在數控加工技術的教學與相關培訓中具有很大的應用和推廣價值。