基于Unity3D智能制造虚拟加工仿真系统设计

基金项目：大学生创新创业训练计划项目“数字驱动，仿真革新”——智能制造虚拟加工仿真系统（202411517029）

摘要：为解决智能工厂中的操作失误导致的安全隐患和资源浪费问题，利用SolidWorks、3ds Max建模，VisualStudio编写脚本，基于Unity3D开发了智能制造虚拟加工仿真系统。该系统分为机械和控制两部分：机械部分通过优化3D模型构建虚拟加工场景；控制部分采用级联控制技术实现站场调度与界面同步，并使用C语言确保系统正常运行。通过AnimatorController制作多场景动画，并运用碰撞检测原理实现流畅的场景转换。测试结果表明，该系统能够模拟线上下单、加工、检测、入库等流程，有效降低实训成本，具有较高的应用价值。

关键词：Unity3D、智能制造、虚拟仿真、

一.引言

随着人工智能、大数据、5G等技术的发展，虚拟仿真已广泛应用于各领域[1]。2023年教育部工作重点提出，推动信息技术与高等教育实验教学深度融合，实施“系列101计划”，虚拟仿真2.0时代全面兴起[1，2]。

Unity3D作为一款高度集成的三维虚拟仿真引擎，支持图像、音频、物理特性、粒子系统及网络通讯等功能，兼容主流3D软件格式。其内置的PhysX物理系统能真实模拟物体运动规律，增强仿真真实性[3]。此外，Unity3D具有跨平台、人机交互性好、仿真速度快、支持虚拟现实设备等优势[4，5]。

本文设计了基于Unity3D的智能制造虚拟加工仿真系统，可在虚拟环境中完成下单、领取、加工、检测、入库等流程。该系统通过虚实结合的教学方式，帮助学生掌握操作知识，提升实践能力和操作熟练度，同时实现节能减排与安全教学的目标。

二.系统工作路线及技术路线

1.工作路线

智能制造虚拟加工仿真系统的整体工作路线如图1所示，分别为系统初始，订单下发与预览，物料领取，机床加工，成品检测，成品储存。

2.系统设计方案

智能制造虚拟加工仿真系统设计方案如图2所示，分为机械与控制两大模块。机械模块通过SolidWorks、3ds Max构建机械臂、机器人、AGV小车及智能仓储模型；控制模块采用VisualStudio编写人机交互逻辑代码，结合Unity3D实现机械臂抓取、AGV运动、加工动画等仿真功能。系统由车间与仓储两大子系统构成，涵盖订单下发、物料领取、机床加工、成品检测、入库存储五阶段流程：物料经车间加工后检测，合格品入立库，瑕疵品转入废品仓。关键技术涵盖人机交互系统、AGV路径规划、机械臂精准控制、视觉检测算法及智能仓储管理等核心环节。

3.平台开发流程

基于Unity3D智能制造虚拟加工仿真系统设计是以某高校智能制造平台为模板，采用精细化建模的方法搭建三维模型，为确保真实性，在设计之初需要收集设备三维模型参数，在3ds Max中完成精细化建模，导入到Unity3D引擎中；使用开源Animator动画组件和C#脚本语言，完成对模型的旋转、拖拽和动态拆解展示和动画演示功能；基于开源UI组件，在Unity3D平台下设计良好人机交互页面，包括登入登出按钮、跳转页面、声音控制等。

三.机械部分设计

根据系统整体工作情况，需要建立机械臂、机器人、智能仓储系统等三维模型，使用SolidWorks进行三维模型的建立，保存为stp格式文件，然后导入3ds Max渲染与坐标调整，最终导入Unity3D进行智能工厂的仿真。

1.机械臂设计

将机械臂所需的各个零件在SolidWorks中完成建模，然后创建装配体空模板。把底座装配体、平面连杆机构装配体、末端执行器装配体导入该空模板，利用重合约束、平行约束、相切约束、同轴心约束等操作，将所有子装配体组成如图3所示的机械臂模型各成分。

3.智能仓储系统设计

智能仓储系统主要由堆垛机，立库支架等组成，使用3ds Max搭建完成，如图4和图5所示。

四.控制部分设计

将系统所需模型使用Visual Studio进行代码编写，导入到Unity3D中进行编译，验证代码的可行性。

1.视角移动设计

为演示系统整体工作流程，需要让视角进行移动，因此在系统中添加摄像头，并在摄像头上加入脚本代码，脚本代码可以使摄像头在调试过程中呈现第三视角进行移动，W/A/S/D按键分别控制视角前进、后退、左移、右移。Q/E按键控制视角升降，鼠标右键控制视野方向，前进时点击shift键加速前进。

2.任务唤醒与成品检测设计

（1）任务唤醒设计

点击界面上的机器人移动按钮，按钮在提醒面板上供操作者点击，如图10所示，按钮点击后，蓝色机器人派发任务显示到所举的牌子上，并移动到摄像头前，方便操作者查看。

（2）成品检测设计

在成品检测步骤中，成品被送到检测台进行检测，当成品被送到检测台后，点击按钮“请点击”，上方会出现合格或不合格字样。为模拟现实生活中视觉检测的效果，可以通过编写概率代码实现，可以通过改变数据更改合格率。

3.动画播放设计

包括AGV小车的全程运动，机械臂的移动、旋转、抓取、放置等，立库储存成品等操作均通过动画演示，AGV小车运动动画贯穿整个场景，设计了多个动画模板，并通过树状图的方式将所有动画联系起来，机械臂的零部件众多，需将各部分均制作动画，制作面板。立库储存也采用相同制作方法，由于立库的库位众多，为方便演示，通过制作多个场景同时制作按钮控制场景切换，从而进行库位的选择。

五.系统整体流程设计

将精细化三维模型从SolidWorks中以stp文件格式导入3ds Max，并进行渲染与坐标调整，再从3ds Max中以fbx文格式导入至Unity3D。在Unity3D项目工程中对模型赋予相应的材质、灯光、颜色和尺寸大小，完成后做成预制体文件，将预制体文件存放在Unity3D项目工程根目录Assets下。

从预制体文件中选择拖拽出三维模型，放在Hierarchy面板上的Cavans父物体下，通过使用C#脚本语言控制模型放大与缩小；使用鼠标点击事件和脚本语言实现对模型及其组件的移动、旋转和动态拆分功能；给三维模型及其子物体添加碰撞体和刚体，防止物体移动时产生穿模、叠加等问题。完成之后，将设置好的模型加入系统进行场景搭建。

系统场景分为系统初始，订单下发与预览，物料领取，机床加工，成品检测，成品储存六部分。

在系统初始间添加摄像头，并在摄像头上加入脚本代码，可以使摄像头在调试过程中呈现第三视角进行移动，W/A/S/D按键分别控制视角前进、后退、左移、右移。Q/E按键控制视角升降，鼠标右键控制视野方向，前进时点击shift键加速前进。

在订单下发与预览间加入唤醒任务机器人，通过点击任务领取面板上的按钮进行任务领取，按钮点击后，蓝色机器人派发任务显示到所举的牌子上，并移动到摄像头前，方便操作者查看。

在物料领取间添加任务触发机器人，通过鼠标左键控制移动，当移动到触发器上时，会弹出模型介绍及相关视频演示窗口。通过点击AGV移动按钮触发AGV小车的动画演示，将移动至机械臂前领取未加工物料。机械臂的移动、旋转、抓取、放置等操作均通过动画演示。

在机床加工间添加机床模型，AGV小车会移动到机床前进行物料的运输，我们根据订单下发与预览间领取到的任务点击相应的按钮，通过机械臂将物料夹至机床进行加工，机床上方设有进度条，当进度条结束后，加工完成的物料会被重新送至AGV小车，运送至下一车间。

在成品检测间，成品被送到检测台进行检测，当成品被送到检测台后，点击按钮“请点击”，上方会出现合格或不合格字样。为模拟现实生活中视觉检测的效果，可以通过编写概率代码实现。检测完成后，成品和废品都会被AGV小车运至下一车间。

在成品储存间，通过设置按钮来控制储存和丢弃。点击相应按钮，废品将会被机械臂夹取丢弃，成品将会进行储存。立库储存成品等操作均通过动画演示来完成，由于立库的库位众多，为方便演示，通过制作多个场景同时制作按钮控制场景切换，从而进行库位的选择。

储存完成后，控制面板上会出现AGV归位按钮和重新开始按钮，点击AGV归位按钮，AGV小车回归原位置，点击重新开始按钮，则回归第一房间操作者能够重新操作。

六.总结

1.开发了一套基于Unity3D的智能制造虚拟加工仿真系统，覆盖智能工厂加工全流程，包括下单、物料流转、加工、检测、仓储等环节。

2.系统支持支持漫游模式与人机交互模式双模式，强化操作沉浸感。

3.系统可实现虚拟场景与实时交互技术深度结合，提升操作真实性与响应效率，在保证安全的情况下，提升节能减排效果。

参考文献

[1].柳长峰，王睿，李琦.基于文献计量的虚拟仿真教学研究现状和趋势分析[J].实验室研究与探索，2024，43（3）：99-104.

[2].刘亚丰，余龙江，卢群伟，等.教育信息化背景下虚拟仿真教学资源建设[J].实验科学与技术，2018，16（2）：195-198.

[3].薛宇彤，贺泽星，郭永刚，等.基于Unity3D和3ds Max的水库虚拟仿真系统设计[J].云南水力发电，2024，40（2）：107-111.

[4].吴琪，王志刚，杨宇，等.机械臂结构的发展与应用综述[J].航空科学技术，2024，35（5）：60-73.

[5].张杰，刘志钢，魏丽丽.基于Unity3D的轨旁信号设备虚拟仿真培训平台设计[J].上海工程技术大学学报，2024，38（3）：272-277.