2024年5月3日发(作者：)

设 计 与 研 究

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基于Unity3D的切削力和切削温度虚拟仿真实验平台

丁建宾　刘向阳　刘红彬　魏冰阳　王　超　李壮壮

（河南科技大学 机电工程学院，洛阳 471000）

摘　要：当前，虚拟仿真实验已经成为高校实验教学研究的重点内容。利用三维建模软件SolidWorks对

切削装备进行三维建模；借助有限元分析软件Deform-3D对切削实验过程的切削力和切削温度进行计算仿真分

析，获得切削实验的虚拟仿真实验数据；在Untiy3D软件中进行切削实验操作的动作仿真以及人机交互界面的

设计，开发了一个基于Untiy3D的切削力和切削温度虚拟仿真实验平台，以供高校实验教学使用。

关键词：虚拟仿真；切削力；切削温度；Untiy3D

Virtual Simulation Experiment Platform of Cutting Force and Cutting Temperature Based on Unity3D

DING Jianbin, LIU Xiangyang, LIU Hongbin, WEI Bingyang, WANG Chao, LI Zhuangzhuang

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471000)

Abstract:

At present, virtual simulation experiment has become the key content of experimental teaching in colleges and

universities. The cutting system is modeled by using 3D modeling software SolidWorks, the data of cutting experiment process is

simulated and analyzed in finite element analysis software Deform-3D, the action simulation of lathe operation and the design of

human-computer interaction interface are carried out in Unity3D software. In this paper, a virtual simulation experiment platform

of cutting force and cutting temperature based on Untiy3D is developed for experimental teaching in colleges and universities.

Key words:

virtual simulation; cutting force; cutting temperature; Unity3D

1　项目研究背景及意义

研究工件在切削过程中切削用量对切削力和切削温度

的影响规律能够方便有效地指导实际产品的加工工艺，所

以切削力和切削温度的测量实验是国内很多高等工科院校

普遍开设的一个实验科目

[1]

。“新工科”人才培养更加重

视实验与理论教学的相互结合，以及学生自己学习和独立

解决问题的能力培养。本文基于Unity3D软件开发了一个

虚拟仿真实验教学平台，研究切削要素对切削力和切削温

度的影响规律。用户通过网址即可进行访问进入仿真平台，

在电脑端根据系统的提示进行操作完成实验，并了解各个

切削用量对切削力和切削温度的影响规律，大大降低了高

校进行实验教学的成本，还可以使学生通过操作更加了解

整个实验的方法思路及操作流程。

2　切削系统的建模

通过实际对车床进行测绘，利用Solidworks软件对整

个切削系统进行三维实体建模。一方面，对车床所普遍具

有的零件进行准确建模，如车床床身、主轴箱、溜板箱、

顶尖座等；另一方面，在切削系统中添加了切削力和切削

温度的测量装置，主要包括测量切削力的八角环测力仪和

测量切削温度的自发热电偶装置，以便学生在操作过程中

能够更加了解切削力和切削温度测量装置的工作原理。

3　切削数据的仿真原理

开发过程中涉及到的实验数据，如在进给量和背吃刀

量为某一合适数值的情况下，通过改变切削速度得到相应

的切削力和切削温度数值等，均为在DEFORM-3D软件中

图1　Deform数据仿真步骤

进行仿真模拟得到的。它的大致仿真过程如图1所示。

利用单因素实验法得到了多组这样的数据，将其汇总

为一个数据库，可为将来在Unity3D软件中进行后期结果

的显示及处理奠定基础。

4　虚拟仿真实验系统开发

用户首先通过访问指定的网址进入虚拟仿真实验开发

平台，选择好相应的模式后，用户进入Unity3D操作环境。

左上方有一个实验简介的命令按钮，点击便可了解切削力

“数字化车间互联互通互操作标准化研究与试验验证”（2017ZNZX04）；河南科技大学SRTP项目（2019012）。

基金项目：

工信部智能制造综合标准化项目

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现代制造技术与装备

2020第7期　总第284期

和切削温度实验的方法、思路以及过程中操作的一些注意

事项。用户可以在环境中电脑显示屏模型上的数据管理面

板中选择切削力测量模式或者切削温度测量模式，并进行

相应的参数设置。在合理设置参数后，用户需要将视角转

向车床模型，并通过相应的鼠标和键盘的配合操作实际地

进行调整。在车刀切削工件的过程中，在整个界面的下方

用户还可以同步观察切削力或者切削温度的实时数值跳动

及相应的云图显示变化。整个切削过程结束后，用户再次

将视角转向电脑显示屏的交互界面得到测量的平均值结果。

如此反复进行多组测量，用户在得到多组数据后根据交互

界面中介绍的实验数据处理方法进行数据处理，最终总结

出各个切削要素对切削力和切削温度的影响规律。

4.1　人机交互界面设计

人机交互界面主要包含5部分内容，分别为实验模式

的选择、刀具几何参数的设置、工件参数的设置、各个切

削用量的输入和辅助操作按钮。利用Unity3D自带的UGUI

进行设计，将其模式更改成三维模式，就可以使其以电脑

显示屏作为载体进行缩放旋转平移等操作

[10]

。交互界面的

具体布置及开发环境，如图2所示。

图2　交互界面的具体布置

本实验切削力和切削温度需要分别测量，用户首先需

要选择实验模式即切削力的测量或者切削温度的测量。车

刀刀片的材料和几何角度对工件在切削过程中所受到的切

削力和切削温度有很大影响，因此在该实验过程中应预设

各个合适的车刀参数值，具体包括刀具主前角、主后角、

副后角、主偏角、负偏角、刃倾角和刀片材料等。工件本

身的状况也会影响切削过程中切削力和切削温度的大小变

化，所以需要提前设置好合适的工件材料的各个参数，如

工件材料、热处理状况、工件形状、直径、长度和夹持方

式等。

4.2　机床操作过程设计

用户在输入合适的各个参数值后，需要将视角转向车

床模型进行具体操作。以研究进给量对切削力影响规律实

验中的一组具体数据为例，详细阐述用户的操作过程。用

户在GUI交互界面中输入变化的切削用量进给量数值为

0.2mm/r，不变的切削用量切削速度数值为120m/min，背

吃刀量数值为0.4mm。用户在输入以上各切削用量数据后，

先用鼠标点击床身左侧的电源按钮，然后依次调整各个切

削用量的控制旋钮到合适的位置范围。在开发设计过程中，

先把各个手柄的数据进行分段，然后建立脚本判断用户输

入的数据。当用户点击手柄时，手柄会离散地旋转，用户

根据输入的数据选择手柄要停留的位置。如果停留的位置

不在输入数据的范围内，系统会判断错误，此时用户需要

重新选择手柄的停留位置。控制各个手柄的思路如图3所示。

图3　手柄控制程序图

4.3　辅助功能的设计

除了以上主要的交互界面和供用户进行操作车床各

个手柄以完成切削过程的功能外，此仿真系统还包括一些

辅助功能。例如，当用户在观察车床完成切削的过程中，

可以在整个操作界面的下方观测到切削力和切削温度的实

时变化数据曲线和对应的云图变化。这些曲线和云图由

Deform软件事先计算生成，然后通过在Unity3D环境中将

设 计 与 研 究

其余车床的切削工作进行同步结合，使用户可以对在整个

切削过程中切削力和切削温度的变化有一个直观的认识与

了解。操作环境如图4所示。

哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016.

101

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图4　操作环境

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5　结语

本文建立了完整的“理论—仿真—实验”一体化的测

量切削力与切削温度的虚拟仿真实验教学系统，对其他实

验课程教学体系的建立具有一定的借鉴作用。应用该实验

教学系统，学生可以深入透彻地理解在切削加工过程中切

削用量对切削力和切削温度的影响规律。学生通过掌握虚

拟仿真平台的基本操作，在拓展理论知识的同时，也锻炼

了其自主学习能力和综合解决问题的能力。

参考文献

[1]王辉.切削力与切削温度测量的数据采集处理系统的研制[D].

（上接第98页）

速度规划的曲线下的耦合运动能够平稳实现，缩短了紧急

状态下的箱弹发射准备时间，所得的动力学仿真结果曲线

能够为后续静力学仿真提供依据。

4　结语

本文以某型发射平台为研究对象，建立该型发射平台

三维模型，并基于ADAMS仿真了该型发射平台回转俯仰

耦合运动的可实现性。通过仿真结果可以得出耦合运动下

的各个零件受力曲线图，受力结果均在可承受的范围内，

缩短了紧急状况下的箱弹发射准备时间，为之后进一步缩

短紧急状态下发射准备时间提供了可行方案及依据。

参考文献

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