基于混合现实的五轴数控机床全息教学应用系统开发*

刘俊英，梁 丰

（河源职业技术学院机电工程学院，广东河源 517000）

0 引言

虚拟现实技术(Virtual Reality，VR)是一种可以构建虚拟场景并使用户进行真实体验与交互的计算机仿真技术。VR因具有操作简便、成本较低、交互性强、形象逼真等优点[1-2]，现已被大量应用在虚拟医疗、虚拟培训、虚拟制造、虚拟游戏等领域中，尤其是在一些实践成本高、难以实现、危险性高的场合，VR技术能够较好地解决实践难题[2-4]，目前VR技术也大量应用于为企业、政府机构、旅游景点、家居房产等行业提供VR全景展示。增强现实技术（Augmented Reality，AR）可以将计算机生成的虚拟物体、虚拟场景等实时显示、叠加到真实场景中[5]，将虚拟的世界与真实的世界融合到同一空间，增强使用者对真实世界的感观[6]。混合现实技术（Mixed Reality，MR）是在AR技术上的进一步发展[7]，结合了虚拟现实技术和增强现实技术的优势[8-9]，通过在现实场景呈现虚拟场景信息，在现实世界、虚拟世界和用户之间搭起一个交互反馈的桥梁纽带，将真实世界和虚拟信息融合而产生新的可视化环境，在新的可视化环境里数字对象和物理对象共存，并可以进行实时交互[10]。AR技术与MR技术都是将虚拟与现实融合，不像VR技术让人完全沉浸在虚拟世界中［11］，两者的开发技术也有许多相似之处。目前虚拟现实、增强现实及混合现实技术已广泛应用于教育、军事、航空、医疗、娱乐等各个领域，在现代制造业的应用也越来越广泛。

五轴数控机床是一种高精密加工设备，主要用于加工复杂曲面零部件，是解决大型柴油机曲轴、汽轮机转子、重型发电机转子、叶片、叶轮、船用螺旋桨等复杂零部件加工的重要手段，但该类设备价格昂贵，在各类院校的实训室中，该类设备都比较少。五轴数控机床由于操作复杂，学习有难度，学生在实习实训的过程中经常出现误操作撞机等问题，使设备精度受到严重影响，导致机床出现故障，维修成本逐年增加，严重影响正常教学。随着时代与产业的发展，以混合现实技术为代表的数字化教学资源建设紧跟前沿技术、与时俱进，紧扣时代、响应国家政策及专业技术人才培养的需要，解决教学与产业需求难以接轨的实际问题，在现实世界与虚拟世界之间搭建桥梁，在很大程度上可以解决学校实训资源匮乏的难题。基于此，本文将混合现实技术应用于五轴数控机床设备教学与实践，进行全息教学应用系统开发具有非常深远的意义。

1 系统开发思路和功能

系统总体开发思路为先进行五轴数控机床部件三维模型建模，并将模型导入常用的MR开发平台进行场景搭建，利用C#语言作为脚本开发软件进行动画制作及交互演示。五轴数控机床一般由两个旋转轴组成，旋转轴不同安排形式构成不同结构的数控机床［12-13］，本系统选用的机床开发原型为WG-125工业五轴五联动加工中心，其旋转轴为B、C轴，机床部件建模过程非常的繁杂，为了使系统最终的机床与真实机床结构比例相同，特选用UG软件进行三维造型，按1∶1的尺寸创建各机床结构。再将UG建模后的机床模型导入到3ds-max软件进行编辑和初步渲染，增加一些贴图效果。MR系统开发选用的开发平台为Unity 3D平台，该平台目前在市场上应用非常广泛，功能也很强大。机床的工作原理动作演示及拆装动作演示都是使用C#语言进行动画脚本开发，编写相应的程序实现相应的功能。

五轴数控机床全息教学应用系统的开发以节约成本、降低操作危险、防止实际误操作损坏五轴机床为目的，主要用于数控加工技术的教学与相关培训。本系统将MR技术与五轴数控机床结构认知相结合，基于MR技术将五轴数控机床以混合现实形式进行呈现，包括整个实训室场景、相关虚拟设备等。全息教学应用系统中的五轴数控机床操作方式与真实五轴数控机床基本一致。系统发布成功后可利用MR眼镜实现虚拟五轴数控机床的透视、局部、旋转等观察功能，从而使学生学习五轴数控机床结构、工作原理及设计方法；可实现五轴数控机床安装拆卸的交互式演示，实现虚拟三维物体、动画与物理现实空间自然融合。

2 系统功能模块

为使学生通过本系统以虚拟的方式反复练习，加强教学的技术性、职业性、情景性、过程性与互动性。本系统的功能模块主要包括机床结构介绍模块、工作原理模块、整体拆装模块、透明效果及剖切效果模块。

2.1 机床结构介绍模块

本模块主要是让学生熟悉机床的各部分结构组成，包括虚拟五轴数控机床、虚拟数控面板、虚拟刀具和夹具、虚拟手轮、虚拟机床电控柜等，具体内容如下。

（1）虚拟五轴机床：主要包括机床门、机床侧窗、放置闲置刀具的刀柜、机床主轴及X、Y、Z、B、C轴、机床工作台、刀库、换刀机械手臂等，每个部件的外形及尺寸与真实的五轴机床部件几乎一致，达到高度仿真的效果。

（2）虚拟数控操作面板：本系统与真实机床一致，配有数控操作面板，包括按键区域和屏幕区域两部分，每个区域的形状与按键等均与真实机床上的数控操作面板一致，操作方式也相同。

（3）虚拟刀具：刀库中配有虚拟刀具，其结构和外形尺寸高度仿真真实刀具。

（4）虚拟操作手轮：可操作的独立手轮，操作方式与真实手轮一致。

（5）虚拟机床电控柜：包括24 V电源、断路器、变频器、中间继电器、交流继电器、各轴驱动器等，每部分结构和外形都高度仿真真实机床电控柜。

当使用MR眼镜进入开发后的五轴数控机床全息应用系统中后，光标点击机床结构介绍模块，机床外部可见的结构都以引出线的形式呈现给使用者，如图1所示，约20 s后，各部件介绍的引出线及名称消失，使用者可以对不熟悉的部件进行自行点击，蓝色光标点击后会显示该部件的名称，如图2所示。机床的外部结构也可以隐藏，里面核心部件的介绍与外部部件的形式相同，先整体显示各部件名称，如图3所示。20 s后消失，使用者可以对不熟悉的部件进行自行点击，点击后会显示该部件的名称，如图4所示。

图1 机床外部结构及部件名称

图2 机床外部部件单独点击光标呈现名称

图3 机床内部部件结构及名称

图4 机床内部部件单独点击光标呈现名称

2.2 工作原理模块

五轴数控机床上至少有5个坐标方向，分别为3个直线坐标方向和2个旋转坐标方向。机床操作和工作原理比较复杂，WG-125工业五轴五联动加工中心的5个轴分别是X、Y、Z、B、C轴。本模块主要作用是让使用者通过系统提示一步一步地启动机床，并按动数控面板上的操作按钮观察X、Y、Z、第4轴（B轴）、第5轴（C轴）及主轴的运动情况和刀库换刀等动作，使用户熟悉五轴数控机床的初步操作过程及工作原理。

机床的每一步操作都有相应提示，可以满足初级用户熟悉机床的各项基本操作及工作原理，如图5～7所示。

图5 机床操作提示一

图6 机床操作提示二

图7 机床操作面板

本模块因涉及到机床的运动，每个运动动作都要用C#语言编写脚本，实现相应动作及动画效果。

如Move脚本，其作用是点击X轴，再点击J＋/J-，将会在X轴上移动，YZ轴同理。其内容如下，因脚本内容很多，本文用两处省略号省去一部分内容。

2.3 整体拆装模块

本模块主要是实现五轴数控机床拆卸安装的交互式演示，使学生进一步熟悉五轴机床的结构及进行虚拟拆装实训，包括自动拆装和手动拆装两部分。具体内容如下。

2.3.1 自动拆装

系统自行拆装机床的所有组件，学习者可先观看五轴数控机床自动拆卸、装配过程，拆装的过程都有相应文字说明，拆卸时先按组件拆卸成机床支撑框架组件（机床门、机床侧窗、刀柜、指示灯等）、主轴系统组件（主轴电机及主轴）、工作台系统组件（X、Y、B、C轴及各电机和工作台）、刀库系统组件（刀库、刀具、电机及换刀机械手臂）、数控操作面板组件（按键区域、屏幕区域等）、机床电控柜组件。之后每一个组件再分别拆卸出各相应零件。安装过程与拆卸过程正好相反。图8所示为拆卸后的工作台B、C轴组件。图9所示为拆卸中的B轴和C轴各零件。

图8 拆卸后的工作台B、C轴组件

图9 拆卸中的B轴和C轴各零件

2.3.2 手动拆装

学习者对整个拆装比较熟悉后，可点击手动拆装与系统进行交互，一步一步完成五轴机床拆卸和装配的过程，系统可在手动拆装中自动判断学习者操作的正确性，并给出下一步操作的相关提示，引导学习者完成整个手动拆装过程。

本模块中的所有拆卸及安装动作都接近真实效果，如螺钉的旋转拆卸过程等，与真实拆卸过程一致。

拆卸和安装过程也是使用C#语言编写脚本进行交互呈现。其中一个脚本为CZ，其作用包含自动拆卸、自动安装和手动拆卸、手动安装，按下自动拆卸（安装）按钮，零部件自动进行拆卸（安装）运动；按下手动拆卸（安装）按钮，相对应的零部件进行闪烁提示，用户根据提示将蓝色光圈定位进行拆卸（安装）运动。

CZ脚本内容如下，因脚本内容很多，本文用两处省略号省去一部分内容。

2.4 透明效果模块和剖切效果模块

透明效果模块主要作用是可以更加直观地观察机床的各部分结构，尤其是被外面的部件挡住的部分，可以将挡住部分透明化，直接观察其内部零部件。图10所示为将机床外部结构件透明化后的效果。

图10 机床外部结构件透明化效果

剖切效果模块主要作用是观察机床的各零件的内部结构，尤其是内部孔槽比较多的零件，可以采用剖切效果模块进行观察。图11所示为将机床X轴工作台剖切之后显示的效果。

图11 机床X轴工作台剖切效果

3 实践应用

本系统已经在河源职业技术学院数控技术、模具设计与制造等专业的《多轴加工技术》、《多轴加工工艺与编程》、《多轴编程及加工实训》等相关课程教学中进行应用。通过将本系统应用到教学中，可以让学生在实际动手操作和维修五轴机床前就熟悉机床的各部分结构和工作原理以及拆装过程，大大避免了因误操作而损坏机床问题的出现，很大程度上提高了学生实训的兴趣，学生自主学习能力和创新创造能力明显增强，教学效果明显提升。目前，本系统正在向其他同类院校相关专业及一些高新技术企业进行推广，应用范围会越来越广泛。

4 结束语

本文以WG-125工业五轴五联动加工中心作为系统开发原型，使用UG和3ds-max软件进行机床三维模型创建和编辑，利用Unity 3D作为MR开发平台，应用C#语言编程实现系统的动画和交互功能。开发出的五轴数控机床全息教学应用系统具有机床结构介绍、工作原理、整体拆装、透视效果和剖切效果5个模块和功能。系统将MR技术与五轴数控机床结构认知、工作原理分析及实训拆装相结合，基于MR技术将五轴数控机床以混合现实形式进行呈现，实现了虚拟三维物体、动画与物理现实空间自然融合。本系统的开发解决了因五轴机床价格昂贵、购买成本高以及操作复杂易产生操作危险，出现误操作损坏五轴机床等实际问题，在数控加工技术的教学与相关培训中具有很大的应用和推广价值。