1. 研究目的与意义（文献综述）

1 目的及意义

1.1 研究目的和意义

随着虚实融合技术地日益成熟以及计算机与网络技术地普及，人们越来越多地将虚实融合技术运用到了机械制造领域。在制造领域，为了保障生产效率，增强对设备的维护能力，开始将设备工作状态实时监测数据与设备的虚拟模型相融合，研发基于虚实融合的虚拟监测系统。
目前，多数的监测系统呈现的都是数据监测界面,虽然实现了登陆、查询、实时监测等功能，但没有将设备的加工状态进行三维可视化处理。这类监测系统显示数据的方式较为单调、不够直观，不便于用户地监测、判断、以及实时操作等。本系统将利用虚实融合技术，对车间进行三维场景的还原，形成虚拟仿真界面，由设备的实时监测数据驱动设备的虚拟模型，实现对设备生产的三维可视化监测，使得生产设备的操作者可直观地对设备进行虚拟监测，了解到当前设备的状态参数和加工信息。虚实融合虚拟监测系统能够使设备与人在空间上分离，但是在信息和逻辑层面上实现了网络化集成，为之后的故障诊断提供基础。

1.2 国内外研究现状

虚实融合技术并不是最近才出现的新兴事物,早在2003年，michael grieves教授提出就了“digital twin”(虚实融合)的概念模型，其概念模型具备虚实融合的所有组成要素，即物理空间、虚拟空间以及两者之间的关联或接口。只是当时数据采集、存储、传输以及构建3d模型等技术还很落后,直到2014年michael grieves在其所撰写的“digital twin: manufacturing excellence through virtual factory replication”白皮书中对虚实融合进行了详细的阐述。美国国防部、ptc公司、西门子公司、达索公司等也都在2014年接受了“digital twin”这个术语，并开始在市场宣传中使用。中国工程院院士、博士生导师谭建荣也曾经提出机器人未来发展的三大趋势，其中之一就是虚实融合。他解释道，这种虚实融合是“通过大量仿真、虚拟现实，能够把虚拟现实与车间的实际加工过程有机结合起来”的现象。虚实融合的监控系统的研发合乎发展的趋势。

1.2.1 国外的发展现状

达索的系统3dexperience平台是世界上第一个开放互联、数据驱动、基于模型、虚实融合的企业业务平台。现如今，在美国强调工业物联网战略、德国推崇工业4.0、中国提出智能制造的时代背景下，达索系统以3d技术为突破口，通过不断地并购，完善从3d设计、虚拟仿真、制造执行过程的闭环管理，实际上也是构建了一套虚实融合的技术体系。达索系统一直在致力于通过3d的方式提供一个完整的逼真体验环境，包括虚拟设计、虚拟仿真、虚拟制造、虚拟运行、虚拟维修、虚拟服务、虚拟体验等。欧盟地平线2020项目中也有一个是关于机床和加工过程仿真的项目——双胞胎控制，它通过集成各种仿真模型，应用整体概念和方法使模型具有更接近现实的性能和更准确的评价能力，可以预测机床加工及其部件的状态，并将参考数据上传到机床数据队列云，与物理世界对机床监测和试验的数据相比较，进行模型更新，同时将真实机床状态、工作状态适应、机床性能预测、维修计划、补偿和控制数据传给机床用户和机床制造商。美国国防部也提出利用虚实融合技术，用于航空航天飞行器的健康维护与保障。在数字空间建立真实飞机的模型，并通过传感器实现与飞机真实状态完全同步，这样每次飞行后，根据结构现有情况和过往载荷，及时分析评估是否需要维修，能否承受下次的任务载荷等。

2. 研究的基本内容与方案

2 设计内容、目标及拟采用的技术措施

2.1主要设计内容和目标

2.1.1 系统基本信息

本项目是基于虚实融合技术，针对牧野加工中心（V56i），设计一套实时生产虚拟监测系统，这一系统为之后搭建故障诊断系统和专家数据库，实现故障地自动消除提供了平台和基础，进而到达对设备进行统一管理、提高运行效率、缩减维修成本、提供产品可靠性的目的。

本系统主要是在已经完成设备实时监测数据采集并且建立了相应的实时数据库的基础之上，对数据进行分析和信息发掘。以牧野加工中(V56i)的三维模型为基础，以实时采集的生产数据为核心，通过虚实融合技术和信息集成，实现由实时数据驱动虚拟设备的动态展示，最终在客户端将实时加工状态、生产信息以虚实融合的方式呈现给用户，同时用户也可与界面进行简单的交互。

本虚实融合虚拟监测系统可实现生产过程地实时还原、设备故障预警、历史数据查询、工作单号查询等功能，实现对设备加工生产的实时监测，最终实现虚拟监测系统的实时性、准确性、信息化、智能化、标准化和网络化。

2.1.2 系统主要功能目标

本系统基于虚实融合技术，将牧野加工中心(V56i)生产过程进行三维可视化，由实时生产数据驱动设备三维模型。即通过对实时监测数据地采集以及对数据信息地分析和发掘，将牧野加工中心(V56i)与虚拟模型相连接，实现了对设备进行实时三维监测。系统主要功能如下：

① 实时监测数据显示：在实时监测界面，运用虚实融合技术，通过设备模型，以三维动态的方式实时展现设备的运行状态。同时监测数据也会通过表格、仪表、曲线等二维展示方式向用户进行展现。通过设备状态和监测数据地实时呈现，便于用户更直观地监测设备，实现对设备进行远程、主动、快速地操控，对生产过程进行监测与管理。

② 实时加工过程显示：在加工过程监测界面，通过虚实融技术显示设备的实时加工状态，同时显示设备的监测数据和相关信息。提供生产过程的实时可见，这意味着用户通过本系统可直观地观测到的加工过程是否异常。

③ 故障预警显示：在加工过程监测界面，通过虚拟模型，根据理想特性，围绕理想数据范围建立容差走廊，以及我们的实际趋势线，以对设备状态进行预警。宽容走廊在可以允许的正面和负面偏差通过各部件颜色的变化显示其工作状态。如刀具温度的变化、刀具的磨损状况，切削力的大小、主轴转数的大小、主轴振动频率的大小等。用户通过颜色即可判断，各监测参数是否在合理的范围内。通过对相关参数的监测和管理，用户可以预先排除、及时处理设备的故障。

④ 视觉调整功能：视觉调整功能为认知设备结构和其他基本操作提供了基础，本系统将具备移动、旋转、缩放、特定视角调整等功能，便于用户多方位、多角度的监测设备。

2.2 拟采用的技术方案

2.2.1开发环境

本系统开发环境主要运用了Unity3D、3D MAX、SolidWorks等软件。

在Uunity3D软件中构建虚实融合虚拟监测系统的虚拟环境，利用SolidWorks完成对牧野加工中心(V56i) 的建模及装配，将模型导入至3D MAX软件中进行材质划分和贴图，并进行渲染。最终在Unity3D 中，通过C#编程完成实时监测界面，加工过程界面以及加工过程的运动仿真等。

2.2.2系统结构

本系统主要是在已有数据且已建立相关数据库的基础之上，对实时监测数据进行分析和信息发掘，再运用虚实融合技术在系统界面上展现出设备实时的工作状态。

2.2.3技术流程

模型建立和装配（SolidWorks）→模型优化和渲染（3DMAX）→系统搭建（Unity3D 脚本）

2.3 相关软件

2.3.1 SolidWorks

SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，软件功能强大，组件繁多，有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，广泛应用于航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等领域。

2.3.2 3D MAX

3D MAX是基于PC系统的三维动画渲染和制作软件，广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、三维动画、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。

2.3.2 Unity3D

Unity3D是一个让玩家轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。Unity类似于Director,Blender game engine, Virtools 或 Torque Game Builder等利用交互的图型化开发环境为首要方式的软件。其编辑器运行在Windows 和Mac OS X下，可发布游戏至Windows、Mac、Wii、iPhone、WebGL(需要HTML5)、Windows phone 8和Android平台。也可以利用Unity web player插件发布网页游戏，支持Mac和Windows的网页浏览。

2.4系统监测参数

系统主要监测设备的实时工作状态，将数据经过采集、预处理及网络传输、存储后通过虚实融合技术在客户端展现出来。为了保障生产效率提高，设备的使用寿会，该系统监测的主要参数如下:

① 主轴振动

主轴是数控加工中心上的敏感部位，其结构复杂且承受很大的切线载荷，对设备主轴进行有效的监控能提前知道主轴轴承损坏而引起的状态变化，这样就能及时采取维护措施，所以主轴的监控在加工中心总的状态监控中具有重要意义。

② 主轴旋转和进给速度

对主轴旋转和进给速度进行监控可对机床、刀具和工件起安全保护作用，提高安全性和可靠性。

③ 其他生产相关数据

例如：加工开始时间加工结束时间故障停机时间、当前刀号、刀具温度……

因为目前对于虚实融合技术地掌握还不够深入，可能无法对其做出优化甚至创新，所以打算将小论文的切入点定在研究加工中心参数对于加工制造的景响方面。将对于相关设备运行监测参数对工艺加工、加工中心寿命、刀具磨损等方面的影响,并最终确定较为合理的参数范围，以提高生产效率。

2.5拟采用的设计步骤

为实现设备实时运行的三维可视化，将按照以下步骤对系统进行设计：

① 创建模型

将牧野加工中心（V56i）的结构划分为整体外形、主轴和刀具、工作台、刀具库这四个部分，每部分的建模要求如下表2-1：

表2-1

关于设备模型的建立，主要利用SolidWorks软件对其主体部分进行建模，并且将各部分进行装配。

② 模型导出、导入

在虚实融合建模过程中，需要用到多款软件，采用何种格式，通过何种路径，能够完整高效地将三维模型在不同软件间转换，是虚拟建模工作的问题之一。对于不同软件间的模型转换，通用的方法是导出中间格式。常用的有igs 格式、Step 格式等，本系统的虚拟仿真建模采用了SolidWorks、 3D MAX 、Unity 3D，采取的格式转换路径为：

stl→3fbx→ftl

③ 模型优化

由于设备模型中包含大量的面片，当系统中面数过多时，会严重影响其在Unity3D中运行的流畅性，并占用大量内存，为使得本系统运行顺畅需在3D MAX中对设备模型进行优化，在保证其真实性的同时，应尽量减少其面数。

④ 渲染模型

通过在3D MAX中对三维模型进行材质划分和贴图，并利其强大的渲染模块对模型进行渲染，实现其真实性地高度还原，提高虚拟监测系统在视觉上的真实感。

⑤ 虚拟环境的建立

对虚拟生产场景进行构建是实现虚拟监测系统可视化的真实感的前提。本系统通过Unity 3d的场景管理功能，添加环境元素和物理碰撞等，建立较为真实的车间三维场景。

⑥ 设备实时监测的实现

在Unity 3D中，实现根据设备的实时工作状态，由预先设定的值驱动模型运动的功能。（因为牧野加工中心（v56i） 结构的实际参数无法确定，所以在实时监测模式只显示设备的工作状态，在加工状态监测模式再由实时数据驱动模型）

同时，在实时界面也会以表格和仪表的形式展现实时监测的数据。

⑦ 加工过程监测的实现

加工过程的监测是通过在Unity 3D中由实时数据驱动模型实现。（为更好地展示加工过程，此处的模型将去除设备外形）

同时，也将呈现鼠标悬停显示实时监测数据的功能。

⑧ 故障预警显示的实现

在加工过程的展示中，通过Unity 3D软件，实现当监测的实时数据超过设定的阈值或者与最佳参数值有时，模型相关部分的颜色将明显改变，以提醒用户及时处理。

⑨ 主界面的实现

Unity 3D软件拥有一套完善的图形化界面引擎，包括常见的窗口、文本框、输入框、按钮等。所以本系统利用Unity 3D自带的GUI界面组件进行界面设计，实现虚实融合虚拟监测系统的信息显示、简单交互等功能。

3. 研究计划与安排

3.7—3.9：查阅文献、了解项目、开题报告

3.10—3.15：外文文献翻译

3.10—3.20：构建模型、渲染模型

4. 参考文献（12篇以上）

参考文献

[1]成腾. 基于可穿戴设备oculus的沉浸式虚拟车削仿真系统的研发[d].北京交通大学,2017.

[2]hsb rochardjo,subarmono,m machardika.similation and experiment based optimization of calligraphy manufacturing using a 5-axis cnc milling machine[j].international conference on technology.2017

[3]李庚涛,崔瀚,郑绍君.基于unity 3d的航空炸弹投射虚拟视景仿真系统设计[j].电子测试,2017(20):9 36.