CN113485246A - 一种基于Unity3D的机床动态切削模拟系统及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于Unity3D的机床动态切削模拟系统，包括切削机床总装，及上位机，以及三维模型，所述切削机床总装包括旋转夹头组件，顶尖组件以及切削刀组件，还包括与旋转夹头组件对应设置的旋转夹头组件调速组件，所述旋转夹头组件调速组件包括若干调速开关，所述调速开关通讯连接上位机，上位机根据调速开关信号，确定三维模型中对应旋转夹头组件的动作；本申请解决了在纯软件实验做完实验后无法进行真实的调试，从没接触过任硬件设备的虚幻感；同时又避免了纯硬件模拟实验现像的不直观问题；避免了纯硬件真实模型实验机构成本高、易损坏、不直观、存在安全事故等问题。做到了虚拟与现实的完美结合。

Description

一种基于Unity3D的机床动态切削模拟系统及模拟方法

技术领域

本发明属于实训系统技术领域，特别是指一种基于Unity3D的机床动态切削模拟系统及模拟方法。

背景技术

数控车床切削实训设备主要用于职业学校、职业教育培训机构的教学使用，数控车床切削实训设备一般都具有数控系统、伺服单元、逻辑控制、低压电器等实体单元，这种实体实训设备存在占用的体积大、成本高、易损坏、不直观、存在安全事故等问题；还包括纯软件实训装置，纯软件实训装置存在的缺陷在于做完实验后无法进行真实的调试，存在没接触过任硬件设备的虚幻感；因此，如何将实体设备与虚拟模拟模型结合起来，是一个亟待解决的问题；

对于模拟车床仿真系统来讲，动态仿真主要包含两个方面：一个方面是运动部件的运动仿真，主要是机床的主轴，刀架，尾座之间的运动关系，运动形式包括主轴的旋转、调速，刀架的平移、自动进给以及尾座的平移。另一个方面主要是动态的切削过程动画，物料的成型。这类动画涉及到实时的切削效果显示，并且要和实际的加工系统相似度保持一致，实时性较高；因此，若要实现实体机床切削实训设备与虚拟三维实训模型的结合，以上几个方面是亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提出一种基于Unity3D的机床动态切削模拟系统及模拟方法，解决了现有技术中上述背景技术中存在的缺陷。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于Unity3D的机床动态切削模拟系统，包括切削机床总装，及上位机，以及三维模型，所述切削机床总装包括旋转夹头组件，顶尖组件以及切削刀组件，还包括与旋转夹头组件对应设置的旋转夹头组件调速组件，所述旋转夹头组件调速组件包括若干调速开关，所述调速开关通讯连接上位机，上位机根据调速开关信号，确定三维模型中对应旋转夹头组件的动作；

还包括与顶尖组件对应的顶尖组件左右调节组件，所述顶尖组件左右调节组件包括第一旋转手轮，所述第一旋转手轮连接第一编码器，第一编码器连接数据采集板卡，数据采集板卡将采集到的数据通过串口传递到所述上位机；所述上位机将数据剖析确定三维模型中对应顶尖组件的动作；

还包括与切削刀组件对应的切削刀组件前后调节组件，切削刀组件左右粗调组件以及切削刀组件左右细调组件；

其中，切削刀组件前后调节组件包括第二旋转手轮，所述第二旋转手轮连接第二编码器；所述切削刀组件左右粗调组件包括第三旋转手轮，所述第三旋转手轮连接第三编码器；所述第二编码器、第三编码器连接数据采集板卡，数据采集板卡将采集到的数据通过串口传递到所述上位机；所述上位机将数据剖析确定三维模型中对应切削刀组件前后调节组件及切削刀组件左右粗调组件的动作；

切削刀组件左右细调组件包括第四旋转手轮；所述第四旋转手轮通讯连接所述上位机，上位机根据调速开关信号，确定三维模型中对应切削刀组件左右细调组件的动作。

优选的，切削刀组件包括一旋转轴本体，所述旋转轴本体上固定有刀架安装架，所述旋转轴本体的顶端上设置有旋转手柄；所述刀具安装架包括上压板和下压板，包括四刀具，四所述刀具固定在所述上压板和下压板之间，且刀具的刀头分别朝向左右前后四个方向；还包括切削刀组件安装板，所述切削刀组件安装板上设置有三传感器；所述下压板的底面四个端角上设置有不同规则排列的感应件；转动旋转手柄时，通过识别不同规则排列的感应件判断当前使用的刀具。

一种基于Unity3D的机床动态切削模拟方法，包括如下步骤：

步骤一：在Unity 3D开发环境下，创建与实际机床组件对应的虚拟机床组件三维模型，并采用圆台离散法对虚拟车削工件体进行建模；

步骤二：建立实际机床总装中顶尖组件与虚拟机床组件模型中虚拟车床的顶尖组件的动作关系；用于模拟对虚拟车削工件的固定动作；

步骤三：确定虚拟机床组件模型中机床主轴转速；并关联到所述虚拟机床组件模型中；

采用公式(1)确定虚拟机床组件模型中机床主轴转速：

m＝0.12n°/t (1)

其中，t＝20ms,n为实际机床转速，m为虚拟机床转速；

步骤四：确定虚拟机床组件模型中虚拟机床刀具的角度；并关联到所述虚拟机床组件模型中；

步骤五：确定虚拟机床组件模型中虚拟机床刀具相对于虚拟机床主轴的当前位置；并关联到所述虚拟机床组件模型中；

步骤六：判断模型中虚拟机床刀具是否与虚拟机床主轴发生碰撞；

步骤七：若发生碰撞，则虚拟机床主轴与虚拟机床刀具接触点处的外径持续缩小；直至虚拟机床刀具与虚拟机床主轴分离。

优选的，步骤一中采用圆台离散法对虚拟车削工件体进行建模的方法包括如下步骤：

S1：建立一单位薄片，所述单位薄片的形状根据切削工件的截面形状确定；

S2：以步骤S1中建立的单位薄片为基点，沿固定方向进行若干单位薄片叠加；形成待加工车削工件。

优选的，步骤四中判断模型中虚拟机床刀具是否与虚拟机床主轴发生碰撞的方法包括如下步骤；

A1：在各个单位薄片中添加第一触发器；

A2：在虚拟机床刀具刀尖上添加刚体属性和第二触发器；

A3：若虚拟机床刀具刀尖与其中一单位薄片发生碰撞，则触发碰撞检测，碰撞检测中，获取被碰撞单位薄片的物体属性；

A4：根据单位薄片的物体属性对步骤A3中被碰撞单位薄片进行缩小；

其中，以单位薄片的中心点为圆心建立坐标系，设定单位薄片在X轴和Y轴方向上的初始值为x₀和y₀；设定单位薄片在X轴和Y轴方向上的当前值为x_n和y_n，并将单位薄片在X轴和Y轴上的变化量作为单位薄片缩小的指标；

模拟切削过程中；每隔T₁ms,检测一次被碰撞单位薄片的物体属性；

若为碰撞状态，且x_n>0时，则单位薄片在X轴和Y轴方向上的值为y_n＝x_n＝x_n-1-0.008。

优选的，建立实际机床总装中顶尖组件与虚拟机床组件模型中虚拟车床的顶尖组件的动作关系，具体方法包括如下步骤：

D1:在实际机床中，控制尾座顶尖移动手轮上装有第一编码器，根据第一编码器数值可以确定顶尖的前后移动。

D2：读取第一编码器的当前数值D_n，将其与上一次的数值D_n-1进行比较得到△D，

D3:虚拟机床尾座顶尖的移动d距离通过式(2)得到：

d＝△D*0.00003 (2)

D4:读取三维模型中当前尾座顶尖的位置E_n；通过式(3)得到最终位置E_n+：

E_n+1＝E_n+d； (3)

D5:计算三维模型中控制顶尖移动手轮的旋转角度；具体方法为：设当前在三维模型里面控制顶尖移动手轮的角度在xyz方向上分别为(α3，β3，γ3)；旋转手柄只在x方向上存在变化，所以α3＝-D_n；持续变化，最终旋转手柄的角度为(-D_n，β3，γ3)。

优选的，确定虚拟机床刀具相对于虚拟机床主轴的当前位置的方法包括如下：

B1：确定虚拟机床刀具前后移动当前位置，具体包括如下子步骤：

a1:在实际机床中，控制刀具前后移动手轮上连接有第二编码器，根据第二编码器信号确定刀具的前后走向，即向前移动或向后移动；

a2:读取第二编码器的当前数值为a_n，将其与上一次读取的数值a_n-1进行比较得到△a，

a3:实际机床中，控制刀具前后移动手轮旋转一圈，刀具工作台移动距离为80mm；则虚拟刀具移动距离b通过式(4)得到：

b＝△a*0.000025 (4)

a4:读取三维模型中现有刀具的位置c_n；通过式(5)得到三维模型中最终位置c_n+1；

即c_n+1＝c_n+b； (5)

a5:计算三维模型中控制刀具前后移动手轮的旋转角度；具体方法为：设当前在三维模型里面控制控制刀具前后移动手轮的角度在xyz方向上分别为(α1，β1，γ1)；旋转手柄只在x方向上存在变化，所以α1＝-a_n；持续变化，最终旋转手柄的角度为(-a_n，β1，γ1)。

B2：确定虚拟机床刀具左右移动当前位置，具体包括如下子步骤：

b1:在实际机床中，控制刀具左右移动手轮上连接有第三编码器，根据第三编码器信号确定刀具的左右走向，即向左移动或向右移动；

b2:读取第三编码器的当前数值为A_n，将其与上一次读取的数值A_n-1进行比较得到△A，

b3:实际机床中，控制刀具前后移动手轮旋转一圈，刀具工作台移动距离为100mm；则虚拟刀具移动距离B通过式(6)得到：

B＝△A*0.0001 (6)

b4:读取三维模型中现有刀具的位置C_n；通过式(7)得到三维模型中最终位置C_n+1；

即C_n+1＝C_n+B； (7)；

b5:计算三维模型中控制刀具左右移动手轮的旋转角度；具体方法为：设当前在三维模型里面控制控制刀具前后移动手轮的角度在xyz方向上分别为(α2，β2，γ2)；旋转手柄只在x方向上存在变化，所以α2＝-A_n；持续变化，最终旋转手柄的角度为(-A_n，β1，γ1)。

综上所述，本发明的优点在于：

本发明的一种基于Unity3D的机床动态切削模拟系统及模拟方法，本申请根据机床主轴状态的模拟，刀具当前状态模拟，以及待切削工件切削的模拟，实现实体实训机床与三维模拟模型的结合，解决了在纯软件实验做完实验后无法进行真实的调试，从没接触过任硬件设备的虚幻感；同时又避免了纯硬件模拟实验现像的不直观问题；避免了纯硬件真实模型实验机构成本高、易损坏、不直观、存在安全事故等问题。做到了虚拟与现实的完美结合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种基于Unity3D的机床动态切削模拟系统的结构示意图；

图2为图1的A的放大结构示意图；

图3为图1的切削刀组件的局部拆分结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-3所示，一种基于Unity3D的机床动态切削模拟系统，包括切削机床总装1，及上位机2，以及三维模型，所述切削机床总装包括旋转夹头组件3，顶尖组件4以及切削刀组件5，还包括与旋转夹头组件对应设置的旋转夹头组件调速组件6，所述旋转夹头组件调速组件包括若干调速开关7，所述调速开关通讯连接上位机，上位机根据调速开关信号，确定三维模型中对应旋转夹头组件的动作；

还包括与顶尖组件对应的顶尖组件左右调节组件，所述顶尖组件左右调节组件包括第一旋转手轮8，所述第一旋转手轮连接第一编码器，第一编码器连接数据采集板卡，数据采集板卡将采集到的数据通过串口传递到所述上位机；所述上位机将数据剖析确定三维模型中对应顶尖组件的动作；

还包括与切削刀组件对应的切削刀组件前后调节组件，切削刀组件左右粗调组件以及切削刀组件左右细调组件；

其中，切削刀组件前后调节组件包括第二旋转手轮9，所述第二旋转手轮连接第二编码器；所述切削刀组件左右粗调组件包括第三旋转手轮10，所述第三旋转手轮连接第三编码器；所述第二编码器、第三编码器连接数据采集板卡，数据采集板卡将采集到的数据通过串口传递到所述上位机；所述上位机将数据剖析确定三维模型中对应切削刀组件前后调节组件及切削刀组件左右粗调组件的动作；

切削刀组件左右细调组件包括第四旋转手轮11；所述第四旋转手轮通讯连接所述上位机，上位机根据调速开关信号，确定三维模型中对应切削刀组件左右细调组件的动作。

切削刀组件包括一旋转轴本体12，所述旋转轴本体上固定有刀架安装架，所述旋转轴本体的顶端上设置有旋转手柄14；所述刀具安装架包括上压板15和下压板16，包括四刀具17，四所述刀具固定在所述上压板和下压板之间，且刀具的刀头分别朝向左右前后四个方向；还包括切削刀组件安装板19，所述切削刀组件安装板上设置有三传感器20；所述下压板的底面四个端角上设置有不同规则排列的感应件21；转动旋转手柄时，通过识别不同规则排列的感应件判断当前使用的刀具。具体的，所述切削刀组件安装板的一端角上设置有三传感器20；下压板的底面四个端角上均设置有至少一感应件，且每个端角上感应件的排列均不同。

上述部分为本申请的硬件结构；模拟机床切削动作的过程主要包括有三个需要模拟的状态；包括(1)主轴转速的模拟；(2)切削刀组件当前位置以及动作的模拟；(3)切削时，工件形态变化的模拟；具体的模拟方法如下：

一种基于Unity3D的机床动态切削模拟方法，包括如下步骤：

步骤一：在Unity 3D开发环境下，创建与实际机床组件对应的虚拟机床组件三维模型，并采用圆台离散法对虚拟车削工件体进行建模；

步骤二：建立实际机床总装中顶尖组件与虚拟机床组件模型中虚拟车床的顶尖组件的动作关系；用于模拟对虚拟车削工件的固定动作；

步骤三：确定虚拟机床组件模型中机床主轴转速；并关联到所述虚拟机床组件模型中；

采用公式(1)确定虚拟机床组件模型中机床主轴转速：

m＝0.12n°/t (1)

其中，t＝20ms,n为实际机床转速，m为虚拟机床转速；

步骤四：确定虚拟机床组件模型中虚拟机床刀具的角度；并关联到所述虚拟机床组件模型中；

步骤五：确定虚拟机床组件模型中虚拟机床刀具相对于虚拟机床主轴的当前位置；并关联到所述虚拟机床组件模型中；

步骤六：判断模型中虚拟机床刀具是否与虚拟机床主轴发生碰撞；

步骤七：若发生碰撞，则虚拟机床主轴与虚拟机床刀具接触点处的外径持续缩小；直至虚拟机床刀具与虚拟机床主轴分离。

其中，步骤一中采用圆台离散法对虚拟车削工件体进行建模的方法包括如下步骤：

S1：建立一单位薄片，所述单位薄片的形状根据切削工件的截面形状确定；

S2：以步骤S1中建立的单位薄片为基点，沿固定方向进行若干单位薄片叠加；形成待加工车削工件。

本实施例所创建的车削工件体模型是一个直径为200，高度为600的圆柱体，其分割方法为沿着高度方向将整个圆柱体平均分割成600个薄片，因此，每个薄片一个直径为200，高度为1的小圆柱体，此方法分割的薄片个数越多，虚拟车削仿真的加工精度也越高，但对图像渲染的速度影响也越大。

步骤四中判断模型中虚拟机床刀具是否与虚拟机床主轴发生碰撞的方法包括如下步骤；

A1：在各个单位薄片中添加第一触发器；

A2：在虚拟机床刀具刀尖上添加刚体属性和第二触发器；

A3：若虚拟机床刀具刀尖与其中一单位薄片发生碰撞，则触发碰撞检测，碰撞检测中，获取被碰撞单位薄片的物体属性；

A4：根据单位薄片的物体属性对步骤A3中被碰撞单位薄片进行缩小；

其中，以单位薄片的中心点为圆心建立坐标系，设定单位薄片在X轴和Y轴方向上的初始值为x₀和y₀；设定单位薄片在X轴和Y轴方向上的当前值为x_n和y_n，并将单位薄片在X轴和Y轴上的变化量作为单位薄片缩小的指标；

模拟切削过程中；每隔20ms,检测一次被碰撞单位薄片的物体属性；

若为碰撞状态，且x_n>0时，则单位薄片在X轴和Y轴方向上的值为y_n＝x_n＝x_n-1-0.008。

建立实际机床总装中顶尖组件与虚拟机床组件模型中虚拟车床的顶尖组件的动作关系，具体方法包括如下步骤：

D1:在实际机床中，控制尾座顶尖移动手轮上装有第一编码器，根据第一编码器数值可以确定顶尖的前后移动。

D2：读取第一编码器的当前数值D_n，将其与上一次的数值D_n-1进行比较得到△D，

D3:虚拟机床尾座顶尖的移动d距离通过式(2)得到：

d＝△D*0.00003 (2)

D4:读取三维模型中当前尾座顶尖的位置E_n；通过式(3)得到最终位置E_n+：

E_n+1＝E_n+d； (3)

D5:计算三维模型中控制顶尖移动手轮的旋转角度；具体方法为：设当前在三维模型里面控制顶尖移动手轮的角度在xyz方向上分别为(α3，β3，γ3)；旋转手柄只在x方向上存在变化，所以α3＝-D_n；持续变化，最终旋转手柄的角度为(-D_n，β3，γ3).

优选的，确定虚拟机床刀具相对于虚拟机床主轴的当前位置的方法包括如下：

B1：确定虚拟机床刀具前后移动当前位置，具体包括如下子步骤：

a1:在实际机床中，控制刀具前后移动手轮上连接有第二编码器，根据第二编码器信号确定刀具的前后走向，即向前移动或向后移动；

a2:读取第二编码器的当前数值为a_n，将其与上一次读取的数值a_n-1进行比较得到△a，

a3:实际机床中，控制刀具前后移动手轮旋转一圈，刀具工作台移动距离为80mm；则虚拟刀具移动距离b通过式(4)得到：

b＝△a*0.000025 (4)

a4:读取三维模型中现有刀具的位置c_n；通过式(5)得到三维模型中最终位置c_n+1；

即c_n+1＝c_n+b；(5)

a5:计算三维模型中控制刀具前后移动手轮的旋转角度；具体方法为：设当前在三维模型里面控制控制刀具前后移动手轮的角度在xyz方向上分别为(α1，β1，γ1)；旋转手柄只在x方向上存在变化，所以α1＝-a_n；持续变化，最终旋转手柄的角度为(-a_n，β1，γ1)。

B2：确定虚拟机床刀具左右移动当前位置，具体包括如下子步骤：

b1:在实际机床中，控制刀具左右移动手轮上连接有第三编码器，根据第三编码器信号确定刀具的左右走向，即向左移动或向右移动；

b2:读取第三编码器的当前数值为A_n，将其与上一次读取的数值A_n-1进行比较得到△A，

b3:实际机床中，控制刀具前后移动手轮旋转一圈，刀具工作台移动距离为100mm；则虚拟刀具移动距离B通过式(6)得到：

B＝△A*0.0001 (6)

b4:读取三维模型中现有刀具的位置C_n；通过式(7)得到三维模型中最终位置C_n+1；

即C_n+1＝C_n+B； (7)；

b5:计算三维模型中控制刀具左右移动手轮的旋转角度；具体方法为：设当前在三维模型里面控制控制刀具前后移动手轮的角度在xyz方向上分别为(α2，β2，γ2)；旋转手柄只在x方向上存在变化，所以α2＝-A_n；持续变化，最终旋转手柄的角度为(-A_n，β1，γ1)。

本申请具备以下优势：形像直观：三维立体模型设计，与真实机构一模一样，可进行缩放、拖动、旋转、恢复视角等操作。特殊部件进行了透明处理、放大处理、可视化处理、慢动作处理等，相比实物机构更加形像直观；安全可靠：通过三维仿真运行，在完成与真实机构相同实验的同时，避免了如人身触电安全事故、机械运行时碰撞夹手等安全事故；没有设备长时间运行造成的磨损、故障等；没有学生误操作造成的设备损坏等；是一台永无故障、永无安全事故的实验机构；扩展性强：只需通过软件定义，不需作硬件升级，可根据学校的需要扩展其他实验项目，并支持学校进行个性化功能定制；虚实完美结合：通过软件模拟易于损坏的机构，模拟肉眼不方便观察的现像，模拟具有安全事故风险的机构。通过数据采集输出卡，与硬件PLC、单片机等实物相连，动手进行实际的连线、编程、调试，保证实验的真实性和体现感，锻炼了学生的动手能力。解决了在纯软件实验做完实验后无法进行真实的调试，从没接触过任硬件设备的虚幻感；同时又避免了纯硬件模拟实验现像的不直观问题；避免了纯硬件真实模型实验机构成本高、易损坏、不直观、存在安全事故等问题。做到了虚拟与现实的完美结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于Unity3D的机床动态切削模拟系统，其特征在于：包括切削机床总装，及上位机，以及三维模型，所述切削机床总装包括旋转夹头组件，顶尖组件以及切削刀组件，还包括与旋转夹头组件对应设置的旋转夹头组件调速组件，所述旋转夹头组件调速组件包括若干调速开关，所述调速开关通讯连接上位机，上位机根据调速开关信号，确定三维模型中对应旋转夹头组件的动作；

还包括与顶尖组件对应的顶尖组件左右调节组件，所述顶尖组件左右调节组件包括第一旋转手轮，所述第一旋转手轮连接第一编码器，第一编码器连接数据采集板卡，数据采集板卡将采集到的数据通过串口传递到所述上位机；所述上位机将数据剖析确定三维模型中对应顶尖组件的动作；

还包括与切削刀组件对应的切削刀组件前后调节组件，切削刀组件左右粗调组件以及切削刀组件左右细调组件；

其中，切削刀组件前后调节组件包括第二旋转手轮，所述第二旋转手轮连接第二编码器；所述切削刀组件左右粗调组件包括第三旋转手轮，所述第三旋转手轮连接第三编码器；所述第二编码器、第三编码器连接数据采集板卡，数据采集板卡将采集到的数据通过串口传递到所述上位机；所述上位机将数据剖析确定三维模型中对应切削刀组件前后调节组件及切削刀组件左右粗调组件的动作；

切削刀组件左右细调组件包括第四旋转手轮；所述第四旋转手轮通讯连接所述上位机，上位机根据调速开关信号，确定三维模型中对应切削刀组件左右细调组件的动作。

2.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的机床动态切削模拟系统，其特征在于：切削刀组件包括一旋转轴本体，所述旋转轴本体上固定有刀架安装架，所述旋转轴本体的顶端上设置有旋转手柄；所述刀具安装架包括上压板和下压板，包括四刀具，四所述刀具固定在所述上压板和下压板之间，且刀具的刀头分别朝向左右前后四个方向；还包括切削刀组件安装板，所述切削刀组件安装板上设置有三传感器；所述下压板的底面四个端角上设置有不同规则排列的感应件；转动旋转手柄时，通过识别不同规则排列的感应件判断当前使用的刀具。

3.一种基于Unity3D的机床动态切削模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：在Unity 3D开发环境下，创建与实际机床组件对应的虚拟机床组件三维模型，并采用圆台离散法对虚拟车削工件体进行建模；

步骤二：建立实际机床总装中顶尖组件与虚拟机床组件模型中虚拟车床的顶尖组件的动作关系；用于模拟对虚拟车削工件的固定动作；

步骤三：确定虚拟机床组件模型中机床主轴转速；并关联到所述虚拟机床组件模型中；

采用公式(1)确定虚拟机床组件模型中机床主轴转速：

m＝0.12n°/t (1)

其中，t＝20ms,n为实际机床转速，m为虚拟机床转速；

步骤四：确定虚拟机床组件模型中虚拟机床刀具的角度；并关联到所述虚拟机床组件模型中；

步骤五：确定虚拟机床组件模型中虚拟机床刀具相对于虚拟机床主轴的当前位置；并关联到所述虚拟机床组件模型中；

步骤六：判断模型中虚拟机床刀具是否与虚拟机床主轴发生碰撞；

步骤七：若发生碰撞，则虚拟机床主轴与虚拟机床刀具接触点处的外径持续缩小；直至虚拟机床刀具与虚拟机床主轴分离。

4.根据权利要求3所述的一种基于Unity3D的机床动态切削模拟方法，其特征在于：步骤一中采用圆台离散法对虚拟车削工件体进行建模的方法包括如下步骤：

S1：建立一单位薄片，所述单位薄片的形状根据切削工件的截面形状确定；

S2：以步骤S1中建立的单位薄片为基点，沿固定方向进行若干单位薄片叠加；形成待加工车削工件。

5.根据权利要求3所述的一种基于Unity3D的机床动态切削模拟方法，其特征在于：步骤四中判断模型中虚拟机床刀具是否与虚拟机床主轴发生碰撞的方法包括如下步骤；

A1：在各个单位薄片中添加第一触发器；

A2：在虚拟机床刀具刀尖上添加刚体属性和第二触发器；

A3：若虚拟机床刀具刀尖与其中一单位薄片发生碰撞，则触发碰撞检测，碰撞检测中，获取被碰撞单位薄片的物体属性；

A4：根据单位薄片的物体属性对步骤A3中被碰撞单位薄片进行缩小；

其中，以单位薄片的中心点为圆心建立坐标系，设定单位薄片在X轴和Y轴方向上的初始值为x₀和y₀；设定单位薄片在X轴和Y轴方向上的当前值为x_n和y_n，并将单位薄片在X轴和Y轴上的变化量作为单位薄片缩小的指标；

模拟切削过程中；每隔T₁ms,检测一次被碰撞单位薄片的物体属性；

若为碰撞状态，且x_n>0时，则单位薄片在X轴和Y轴方向上的值为y_n＝x_n＝x_n-1-0.008。

6.根据权利要求3所述的一种基于Unity3D的机床动态切削模拟方法，其特征在于：建立实际机床总装中顶尖组件与虚拟机床组件模型中虚拟车床的顶尖组件的动作关系，具体方法包括如下步骤：

D1:在实际机床中，控制尾座顶尖移动手轮上装有第一编码器，根据第一编码器数值可以确定顶尖的前后移动。

D2：读取第一编码器的当前数值D_n，将其与上一次的数值D_n-1进行比较得到△D，

D3:虚拟机床尾座顶尖的移动d距离通过式(2)得到：

d＝△D*0.00003 (2)

D4:读取三维模型中当前尾座顶尖的位置E_n；通过式(3)得到最终位置E_n+：

E_n+1＝E_n+d； (3)

D5:计算三维模型中控制顶尖移动手轮的旋转角度；具体方法为：设当前在三维模型里面控制顶尖移动手轮的角度在xyz方向上分别为(α3，β3，γ3)；旋转手柄只在x方向上存在变化，所以α3＝-D_n；持续变化，最终旋转手柄的角度为(-D_n，β3，γ3)。

7.根据权利要求3所述的一种基于Unity3D的机床动态切削模拟方法，其特征在于：确定虚拟机床刀具相对于虚拟机床主轴的当前位置的方法包括如下：

B1：确定虚拟机床刀具前后移动当前位置，具体包括如下子步骤：

a1:在实际机床中，控制刀具前后移动手轮上连接有第二编码器，根据第二编码器信号确定刀具的前后走向，即向前移动或向后移动；

a2:读取第二编码器的当前数值为a_n，将其与上一次读取的数值a_n-1进行比较得到△a，

a3:实际机床中，控制刀具前后移动手轮旋转一圈，刀具工作台移动距离为80mm；则虚拟刀具移动距离b通过式(4)得到：

b＝△a*0.000025 (4)

a4:读取三维模型中现有刀具的位置c_n；通过式(5)得到三维模型中最终位置c_n+1；

即c_n+1＝c_n+b； (5)

a5:计算三维模型中控制刀具前后移动手轮的旋转角度；具体方法为：设当前在三维模型里面控制控制刀具前后移动手轮的角度在xyz方向上分别为(α1，β1，γ1)；旋转手柄只在x方向上存在变化，所以α1＝-a_n；持续变化，最终旋转手柄的角度为(-a_n，β1，γ1)。

B2：确定虚拟机床刀具左右移动当前位置，具体包括如下子步骤：

b1:在实际机床中，控制刀具左右移动手轮上连接有第三编码器，根据第三编码器信号确定刀具的左右走向，即向左移动或向右移动；

b2:读取第三编码器的当前数值为A_n，将其与上一次读取的数值A_n-1进行比较得到△A，

b3:实际机床中，控制刀具前后移动手轮旋转一圈，刀具工作台移动距离为100mm；则虚拟刀具移动距离B通过式(6)得到：

B＝△A*0.0001 (6)

b4:读取三维模型中现有刀具的位置C_n；通过式(7)得到三维模型中最终位置C_n+1；

即C_n+1＝C_n+B； (7)；

b5:计算三维模型中控制刀具左右移动手轮的旋转角度；具体方法为：设当前在三维模型里面控制控制刀具前后移动手轮的角度在xyz方向上分别为(α2，β2，γ2)；旋转手柄只在x方向上存在变化，所以α2＝-A_n；持续变化，最终旋转手柄的角度为(-A_n，β1，γ1)。

Images