摘 要

随着时代的发展，计算机信息技术也日新月异。虚拟仿真技术也因此得到了极大的发展。随着虚拟仿真技术的发展，机械行业中也越来越广泛地应用起虚拟仿真技术。虚拟仿真技术可以模拟操作机械产品，开发虚拟加工系统，开发虚拟控制实验仿真平台。该技术可以为学生进行模拟实验教学，为工作人员进行工作培训。虚拟仿真与增强现实技术的研究对机械行业具有非常重要的意义。Unity3D在近年来的发展突飞猛进，开发人员迅猛增长。Unity3D软件是一款专业跨平台游戏开发及虚拟现实引擎，其打造了一个完美的跨平台程序开发生态链，利用它可以轻松的进行三维互动开发，进行虚拟仿真开发工作。利用Unity3D可以完成虚拟加工仿真系统开发，机械产品虚拟装配等工作。目前国内对方面研究还较少。在这种背景下我们进行了XY运动控制平台虚拟仿真系统的研究工作。

本课题将Pro/E，Cinema 4D，及Unity3D软件作为开发环境，主要进行了下列研究工作：

（1）设计XY运动控制平台的整体布局，绘制XY运动控制平台图纸，对XY运动控制平台的主要机构选型，通过pro/E建立XY运动控制平台的三维模型。

（2）对三维模型进行简化和渲染，然后放入Unity3D中进行虚拟仿真。

（3）利用Unity3D软件对XY运动控制平台的运动进行虚拟仿真。开发出四种运动模式用于平台进行实验教学。

（4）将仿真好的虚拟仿真系统以Web格式发布，利用WebPlayer插件，使用JavaScript语言进行网页开发，设计网页界面。使用传参函数实现前后台的通信功能，将Unity3D的数据传入到前端进行仿真运动曲线的绘制。

本文在对XY运动控制平台进行研究之后，建立了平台的三维模型。对模型进行优化之后，将其导入Unity3D软件中进行虚拟仿真。利用 Unity3D 的强大虚拟仿真功能对XY运动控制平台的各种运动进行了模拟。本文研究内容为机械产品的虚拟化实验教学和工业培训提供了一定的参考，对虚拟仿真技术在机械行业中的应用也具有借鉴意义。

关键词：虚拟仿真，Unity3D，XY运动控制平台，模拟实验。

Abstract

Computer information technology is developing rapidly, at the same time, virtual simulation technology has also been greatly developed. With the rise of virtual simulation technology, the technology has been widely used in the machinery industry. Virtual simulation technology can simulate operating mechanical products, develop virtual machining systems, and develop virtual control experimental simulation platforms. This technology can help students learn experiments and train staffs. The research of virtual simulation and augmented reality technology is very important to the machinery industry. Unity3D has developed rapidly in recent years, and more and more people are learning Unity3D. Unity is the ultimate game development platform, which can be used for 3D interactive development and virtual simulation development. With Unity3D, you can complete the development of virtual machining simulation system and virtual assembly of mechanical products. At present, there are still few studies on this aspect. In this context, we carried out research work on the virtual simulation system of the XY motion control platform.

This paper combined with Pro/E,3DS Max and Unity3D as the platform. This paper mainly include the following jobs:

(1) Design the overall layout of the XY motion control platform, draw the drawings of the XY motion control platform, select the main mechanism of the XY motion control platform, and establish the 3D model of the XY motion control platform by pro/E.

(2)Simplified and renderer the 3D model ,and then, putting it into Unity3D for virtual simulation.

(3) The Unity 3D software is used to simulate the motion of the XY motion control platform. Four sports modes were developed for the platform for teaching experiments.

(4) The simulated virtual simulation system is released in format of Web, and the WebPlayer plug-in is used to develop the webpage using the JavaScript language and design the web interface. Use the pass parameter function to realize the communication function of the front and back, and pass the data of Unity3D to the front end to draw the simulation motion curve.

After studying the XY motion control platform, this paper establishes a three-dimensional model of the platform. After optimizing the model, import it into Unity3D software for virtual simulation. The various motions of the XY motion control platform were simulated using Unity3D's powerful virtual simulation capabilities. The research content of this paper provides a certain reference for the virtualized experimental teaching and industrial training of mechanical products, and also has reference significance for the application of virtual simulation technology in the mechanical industry.

Key Words：virtual simulation;Unity3D; the XY motion control platform; simulation experiment

目录

第1章 绪论 1

1.1目的与意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国外研究现状 1

1.2.2国内研究现状 2

1.3研究的主要内容 2

1.4本章小结 3

第2章 系统总体设计 4

2.1系统设计规划 4

2.1.1系统研发流程 4

2.1.2系统组成 4

2.2系统开发软件工具 5

2.2.1建模软件 5

2.2.2虚拟仿真软件 5

2.3系统功能需求 6

2.4本章小结 6

第3章 XY运动控制平台模型 7

3.1 XY运动控制平台的整体机构 7

3.2 XY运动控制平台的选型 7

3.2.1工作台的选型 7

3.2.2直线模组的选型 8

3.2.3直线模组驱动电机选型 8

3.2.3联轴器的选型 9

3.2.4限位传感器选型 10

3.3 XY运动控制平台模型的建立 10

3.4 XY运动控制平台模型的处理 13

3.5本章小结 13

第4章 XY运动控制平台虚拟仿真技术研究 14

4.1 XY运动控制平台UI界面介绍 14

4.2单轴运动实验虚拟仿真 16

4.2.1实验原理 16

4.2.2实验步骤 16

4.2.3仿真过程 16

4.3直线插补实验虚拟仿真 17

4.3.1实验原理 17

4.3.2实验步骤 18

4.3.3仿真过程 18

4.4圆弧插补实验虚拟仿真 19

4.4.1实验原理 19

4.4.2实验步骤 20

4.4.3仿真过程 20

4.5数控代码编程实验虚拟仿真 21

4.5.1实验原理 21

4.5.2实验步骤 21

4.5.3仿真过程 22

4.6实验结果展示 22

4.6.1曲线展示 22

4.6.2界面展示 23

4.7脚本功能概述 23

4.8本章小结 24

第5章 Web端界面设计与系统发布 25

5.1 Web端界面设计 25

5.2系统发布 26

5.3本章小结 27

第6章 结论 28

致谢 30

第1章 绪论

1.1目的与意义

随着我国经济的不断发展，中国经济的发展已经进入了新的格局。制造业是中国经济最重要的支柱，可以说制作业的形势代表着中国经济的形势，制造业在中国经济发展的新格局面临着新的挑战。机械工程专业是制造业的基础学科，自动化学科、机械设计学科等多项学科都在机械工程专业的范围之内。机械工程专业包含了机械工程制图、机械制造技术等多种专项技术，专业性，实践性非常强。机械工程专业的学生在学习专业知识时不但需要学习理论基础知识，还要通过实验教学，工程实训等来加强对知识的理解，并学以致用。因此学生进行机械实验是培养机械专业高素质人才的重要环节。但是目前的普遍情况是实验教学过程中往往存在教学经费不足、实验室配备不够、实习场所不便等现象。因此并不能让每个学生都进行动手操作。随着计算机信息技术的发展，虚拟仿真实验可以解决这种问题。建立虚拟仿真实验平台可以克服传统实验教学的弊端，打破传统实验教学在空间、地域上的局限性，充分利用计算机和仿真技术使学生进行实验训练，在实验中将自己学到的知识学以致用。学生通过虚拟仿真实验可以学习基础的实验原理，自己设计实验步骤以及通过实验现象来解决问题。虚拟仿真实验平台可以帮助同学们更加深入的理解机械知识。XY运动控制平台是多轴控制平台的基础，可以进行多种实验，帮助学生理解机械运动。

1.2国内外研究现状

虚拟仿真（Virtual Reality ）技术，简称VR，或称模拟技术。虚拟仿真技术利用计算机系统创建一个虚拟环境，在虚拟环境中模仿实际世界或者实际物体的技术。虚拟仿真技术的起源最早可以追溯到上世纪四十年代。虚拟仿真技术自提出以来发展十分迅速，从一开始的应用在军事航天方面拓展到目前应用在城市规划、装备装配、地理信息，游戏设计等多个方面。

1.2.1国外研究现状

美国最开始提出虚拟仿真技术的概念，并将它运用到军事上，利用虚拟仿真技术对飞行员和宇航员进行军事仿真训练。冷战结束后逐渐开始应用在民用上。在上世纪八十年代美国宇航局和国防部联合组织开展了对虚拟仿真技术的研究，对航天飞机的发射飞行过程进行了模拟，将过程中各种变化例如温度变化，燃料变化，飞行姿态变化等用虚拟仿真技术模拟出来，并将数据库保存，为以后继续研发提供数据支持。到现在美国宇航局陆续建立了空间站虚拟技术训练系统、卫星维护虚拟仿真系统等一系列虚拟仿真系统。最早研究虚拟仿真技术出名的是北卡罗纳大学，他们的虚拟仿真技术主要致力于模拟驾驶，分子建模，空气驱动仿真，外科手术模拟，仿真建造等方面。日本的虚拟仿真技术同样处于世界领先地位，日本虚拟仿真的研究方向主要集中在建立大型虚拟仿真知识库和虚拟现实的游戏方面。例如京都的电子通信研究所开发的系统，可以建立虚拟火灾场景，模拟人们在火灾下的逃生救援过程。游戏方面主要是设计游戏角色的三维影像，与玩家进行交互。在欧洲虚拟仿真技术的领头羊是德国。德国最近具有代表性的比如比勒菲尔德大学人工智能与虚拟现实实验室根据人工智能技术和三维交互技术设计了一套构造工具箱的虚拟装备系统。人们可以根据语言命令或者通过常规的三维交互设备与虚拟系统进行交互。此外像意大利博洛尼亚大学开发的个人活动助理系统，英国赫瑞瓦特大学研究的虚拟装备系统也都可以很好地进行交互模拟。

1.2.2国内研究现状

国内对于虚拟仿真技术的研究探索的开始时间相对于国外比较落后，因此研究的水平跟国外相比还有很多的不足。但是近年来，虚拟仿真技术正在逐渐受到国家重视。1990年，“虚拟现实‌技术”正式被列入国家“863计划”。发展到现在，虚拟现实技术也取得一定的成果。高校实验室‌集中了我国大部分的对虚拟仿真技术的研究，研究领域集中在军事，机械工程等领域。国务院，发改委也出台一系列政策，鼓励高校使用虚拟仿真技术进行教育实验应用。国内最先成立了西安虚拟现实工程研究中心对虚拟仿真技术进行研究。它的成立对促进我国虚拟现实技术的研究有很大作用。此外北京航天航空大学也是首批进行虚拟仿真技术研究的高校，主要研究物体在虚拟环境中的物理特性等，并且开发了视觉接口方面的硬件，提出了算法和实现方法，建立了虚拟平台供飞行员训练。西安交通‌大学对虚拟仿真的立体现实技术进行了研究。根据人类视觉特性提出了一种压缩‌编码方案，通过实验证明了这种方案具有高压缩比，更快解压速度等优点。上海交通‌大学，清华大学等学校也进行了一些卓有成效的研究实验和尝试。

总体来说，目前虚拟仿真技术已经广泛应用于各个领域，不管是在军事航空，还是民用工业上都有它的身影，并且起到了卓越的作用。但是虚拟仿真并没有发展到应用在全人类生活方面的程度，有着很大的发展前景。我国虚拟仿真技术跟国外相比起步晚，发展慢，研发工作主要发生在高校研究所，应用范围也比较窄。但是经过近期的努力发展，正在慢慢赶上国外水平。

1.3研究的主要内容

本文的主要研究对象是XY运动控制平台。XY运动控制平台是典型的多轴控制平台。它的主要机械结构有螺杆、线性‌滑轨、可挠性联轴器，轴承等。本文所研究的XY运动控制平台主要应用在教学实验，科研等领域。XY运动控制平台可用于多种教学和实验中，在机电传动控制、电机驱动装置的使用维护实验等实验中有重要作用。其还可以配合PC平台和运动控制器一起作用的平台软件，组成各种实验系统平台，既可用于工程实训实验教学，又可用于各种专业工程应用。

本次XY运动控制平台主要面向学生实验教学的实验系统平台，更加注重实验效果的展示，让学生在做实验时更加直观的了解二维运动平台的单轴运动运动，插补运动，数控编码等功能，并通过运动曲线展示，更加深入理解二维运动平台的运动特性。

本文主要研究内容包括：XY运动控制平台的建立，包括选型，建模等。然后对模型进行简化，放入Unity3D中进行虚拟仿真。模拟XY运动控制平台的运动，可以实现单轴运动实验，直线插补实验，圆弧插补实验，数控编码实验等功能。可以通过UI控制XY运动控制平台的运动。最后我们将整个完成的虚拟仿真系统发布在网页端，在网页端呈现出XY运动控制平台虚拟仿真系统的交互结果，并且在网页端可以实时展示出XY运动控制平台的运动曲线，直观表现出运动平台的运动特性。

1.4本章小结

本章主要说明了本课题的研究目的和意义，接着介绍了国内外的研究现状，并介绍了本文的主要研究内容。在借鉴国内外现有的研究基础上，对XY运动控制平台虚拟仿真系统展开研究。

第2章 系统总体设计

2.1系统设计规划

2.1.1系统研发流程

根据上一章所述本文的主要研究内容，将系统的研发流程分为以下几个阶段：第一阶段，进行系统的整体结构设计，XY运动控制平台的整体布局，第二阶段进行XY运动控制平台的机械结构的选型，然后在建模软件中对XY运动控制平台进行建模，第三阶段将建好的模型进行简化，然后放入仿真软件中进行虚拟仿真，第四阶段将仿真好的整个XY运动控制平台虚拟仿真系统发布到Web进行交互，并且实时展示出运动平台的运动曲线，第五阶段对平台进行测试，保证整个平台可以稳定流畅的运行。整个研发流程如图2-1所示。

整体结构设计

运动平台建模

运动平台虚拟仿真

网页平台交互

平台测试

单轴运动实验

直线插补实验

圆弧插补实验

数控编码实验

图2-1 系统研发流程

2.1.2系统组成

本系统主要由3D建模模块，虚拟仿真模块，Web交互模块三个部分组成。

（1）3D建模模块即为对XY运动控制平台进行三维建模，在建好模型后进行一些简化，然后转化为FBX格式导入到仿真软件中进行仿真。

（2）虚拟仿真模块是最重要的部分。在这一部分，我们需要模拟XY运动控制平台运动的过程，通过编写程序实现使用XY运动控制平台虚拟仿真系统进行单轴运动实验，直线插补实验，圆弧插补实验，数控编码实验等实验的功能。

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