基于Virtools的数控铣床虚拟加工系统

针对数控铣床操作难度大，并具有危险性的问题，本文基于Virtools开发了一个数控铣床的虚拟加工系统，可实现零件毛坯的装夹，刀具的安装和对刀，数控加工程序的输入，零件的加工和拆卸等整个过程的仿真。三维立体投影设备和立体眼镜的应用，以及高度还原的机床模型和操作过程，都使得系统仿真的真实性和沉浸感得到了明显提高。

【关键词】数控铣床 虚拟加工 Virtools

1 概述

数控铣床是现代制造业生产加工的重要设备之一，培养优秀的数控铣床操作工成为相关教育机构的迫切任务，但是数控铣床操作难度大，具有危险性，若操作不当可能对人身和机床造成不可逆转的伤害。数控铣床的虚拟加工系统能够有效避免真实的人身和机床伤害，尤其对于初学者来说非常适用，加之虚拟现实技术的飞速发展和广泛应用，使得此类系统的研究成为现实。浙江大学山东大学陕西科技大学等高校的学者对此都进行了一定的研究，设计开发了数控车床、加工中心的仿真系统，或是用于数控加工的教学系统。

但是上述文献所涉及的虚拟加工系统多存在仿真效果不理想，沉浸感不佳等问题，对此，本文特利用虚拟现实技术的3I（immersion， interaction， imagination）特性，基于Virtools软件平台，结合计算机、三维立体投影设备、立体眼镜、音响等硬件设施，研究开发了一个数控铣床的虚拟加工系统。该系统利用3DS Max建立数控铣床的三维模型，运用Virtools实现铣床运动的仿真，并使用其物理模块实现了刀具与工件和机床的碰撞检测。

2 虚拟加工系统的设计

该系统由计算机、BARCO Gemini立体投影系统、立体眼镜、音响等硬件设备构成，系统结构图如图1所示。该系统可完成数控铣床面板的基本操作仿真、零件的安装和拆卸仿真、铣床切削加工运动仿真等内容，具体功能框架如图2所示。数控铣床及刀具、工件的三维模型由3DS Max软件建立，导入Virtools中进行机床的运动仿真和人机交互功能的实现。

3 数控铣床的运动仿真

3.1 铣床面板操作仿真

数控机床操作者主要是通过数控机床的面板与机床进行交互并完成零件的加工的。本文所开发的虚拟加工系统是在型号为XD-40A的三轴数控铣床的基础上进行的，所用操作面板是FANUC Series 0i系列面板。用户通过鼠标和键盘与系统进行人机交互，用户点击鼠标进行按钮相关操作，也可通过键盘进行参数的输入，参数将存入相应的数组中，结果将实时显示在显示屏上。图3是某按钮操作的流程图。

3.2 工件装卸过程仿真

本系统设置了长方体和圆柱体两种毛坯形状，用户可以选择所需毛坯类型并控制毛坯的尺寸。若需要其他类型的毛坯，可通过系统预留的接口导入毛坯的三维模型。系统的夹具有平口钳和三爪卡盘两种，可通过鼠标、键盘与系统进行交互来实现工件的安装和拆卸，安装毛坯的流程图如图4所示，若需要其他专用夹具，可通过系统预留接口导入夹具的三维模型。

3.3 铣床切削运动仿真

切削运动的实质是刀具相对于工件进行运动的结果，系统根据用户输入的G代码判断刀具的运动轨迹，实现工件的切削加工。在加工的过程中，运用Virtools自带的物理模块进行碰撞检测，以防止刀具和机床的碰撞而发生损坏。

4 系统仿真

用户利用本系统进行虚拟加工时，通过鼠标键盘进行信息的输入和对系统的控制，佩戴立体眼镜通过三维投影设备观察整个加工的过程的实现。进入系统之后首先进行毛坯的设置和安装，并选择合适的加工刀具；然后通过控制面板完成对刀操作并设置刀补，利用鼠标键盘通过控制面板输入加工程序，按下启动按钮进行工件的加工；加工完毕之后进行零件的拆卸，并以全屏模式观察零件的加工结果。

5 结束语

本文利用3ds max和virtools等软件，配备计算机、三维投影设备、立体眼镜等硬件设施，开发了一个数控铣床的虚拟加工系统。依据真实机床进行相关模型的建立，并通过贴图处理和环境配置提高了系统的真实感，三维投影设备和立体眼镜的使用增加了系统的沉浸感。系统的整个仿真过程符合实际加工的顺序，能够使用户操作数控机床的能力得到很好的锻炼，同时避免了的危险的发生及机床的损坏。若想进一步提升系统的交互性和沉浸感，可加入数据手套完成人机交互过程，这也是下一步的研究方向之一。

参考文献

[1]王欣，吕玉兰，曹旭阳等.考虑钢丝绳柔性的塔式起重机仿真系y开发[J].计算机工程，2015，41（09）：303-310.

[2]吕玉兰.塔式起重机操作培训模拟系统的研究与实现[D].大连：大连理工大学，2015.

[3]王广官.基于虚拟现实技术的数控车床仿真系统的研究与开发[D].杭州：浙江大学，2016.

[4]穆慧.基于Virtools的数控培训仿真系统研究[D].济南：山东大学，2009.

作者简介

吕玉兰（1989-），女，河北省辛集市人。硕士研究生。助理讲师。主要研究方向为虚拟现实，数控加工。

作者单位

山西机电职业技术学院 山西省长治市 046000