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基于 Unity 的加工中心造型網絡定制設計技術

2017-12-14 來源：電子科技大學中山學院中山市技師學院作者：郭磊符莎劉麥

摘要: 結合以用戶為中心及定制設計理論，提出使用 Unity 平臺，開發適用于網絡、多種操作系統和多種設備的加工中心定制系統的技術方法。有效解決了用戶在網絡瀏覽時進行加工中心的形態與色彩方面定制的問題，可提高用戶參與度，獲得個性化的定制加工中心產品。

關鍵詞: 加工中心; 多平臺支持; 定制; 造型

由于加工中心設備具備高效高精作業、全自動化及適合小批量制造等特點，其發展備受國內外企業的重視，各裝備制造企業都在競相開發新型的加工中心設備。在技術發展迅猛、日益激烈的市場競爭中，加工中心除了本身性能外，其人機操作、外觀形態、個性化等因素都成為了企業競爭的重要依據［1］。

由于當今制造裝備同質化嚴重，功能已是設備必須滿足的基本條件，在這種功能基本相似的情況下，設備造型設計的優劣就成為機床制造企業競爭的重要砝碼，目前越來越多的制作類企業開始在提升設備外觀質量方面投入更多的精力。

而隨著時代發展，個性化亦成為企業為用戶提供的重要服務內容之一，為了提高企業競爭力，使用戶的個性化需求得以滿足，實現加工中心定制生產十分必要。

1 、加工中心造型網絡定制設計

隨著市場競爭的日愈激烈，賣方市場基本被買方市場取代，以用戶的個性化需求為中心，以產品零部件標準化、通用化及模塊化設計為基礎，以快速及時響應為特點的大規模定制模式日益成為企業的目標［2］。大規模定制生產模式將用戶、廠商、供應商和各渠道有機結合，運用整體優化方法，充分利用企業各個環節的資源，在現代設計方法學、信息技術和先進制造等技術的支撐下，以用戶個性化需求為出發點，以大批量生產模式的超低成本、高效地為用戶提供定制產品和服務［3］。MOTOLOLA、DELL 曾率先采用定制生產模式，并獲得了成功［4］。

與普通消費類產品不同，加工中心屬于特殊產品，種類繁多且設計生產周期較長，采用定制生產模式更為適合，可以滿足用戶的個性化需求，為此研究與建立網絡化的加工中心產品定制系統至關重要。運用現代虛擬現實技術，構建可以運行于網絡、支持多種設備和平臺的、具有真實感的三維虛擬加工中心定制系統，讓用戶在任意操作系統和設備上都能從各個角度瀏覽加工中心全貌，并進行色彩、形態等方面的定制，可以為客戶提供全面了解產品的新體驗，從而提高用戶的參與度和企業的影響力［5］。

進入移動互聯網時代后，網絡技術的發展和普及導致更多的用戶使用不同設備、不同系統進行網絡瀏覽，也使得基于網絡的產品定制系統開發面臨新的挑戰。針對這個問題，以定制設計理論為基礎，利用虛擬現實技術，以用戶為中心，以 EMCOFamup MC75-50 加工中心為例開發了基于網絡的加工中心產品定制設計系統原型。

2 、平臺的選用與設計流程

在網絡環境下進行產品定制時，必然會采用Web3D 技術，該技術是支持定制設計平臺實現的核心。Web3D 是虛擬現實 ( VＲ) 中的一項網絡技術。利用此技術，定制設計的產品可以做到全方位展示、實時裝配、色彩定制等［6］。

通過對各種 Web3D 平臺進行分析與應用研究，選擇了可以跨平臺發布的 Uni-ty 工具作為了此次研究的主要制作平臺。Unity 是一個用于創建實時渲染的三維交互式內容項目的軟件工具。Unity 最早是在 MAC OS 系統下運行，利用可視化環境進行項目開發的平臺，開發流程可以達到所見即所得，且編程工作可由一些內置模塊實現。Unity 具有一種層級式開發環境，其編輯完全可視化，具有非常強大和完整的屬性編輯功能和場景預覽功能。Unity 項目由若干場景組成，單個場景中包含三維模型，開發者通過腳本控制模型的各種動作與行為，用戶最終看到的內容則由場景中的主攝像機進行呈現并加以控制。借助 Unity 強大的編輯功能，可以非常簡便地實現加工中心定制設計系統。如圖 1 所示，該系統的設計流程主要包括以下幾個環節: ( 1) 在工程軟件如 Solid Works、Pro/E 中建立加工中心主軸和各個零部件的模型，此處需要注意各相鄰模型的公共邊界線問題; ( 2) 將模型文件導入至3DSMAX 等三維軟件中，搭建展示場景; ( 3) 將場景文件導入 Unity 中構建交互場景，并為各零部件增加交互腳本; ( 4) 選擇適當的平臺進行發布，完成系統的設計。

圖 1 系統構建工作流程

3 、定制系統的技術實現

3. 1 形態定制

形態是影響用戶購買產品的重要因素，加工中心的定制設計主要是圍繞形態要素進行的。在定制設計中，通常要求產品的零部件通用化，使同一產品平臺下的產品零件可以互相替代，從而獲得定制的結果，表 1 展示了可用于相互替代的加工中心產品的零部件。需要注意的是箱體和底座之間的配合關系、把手與防護門之間的配合關系等。在建立各零部件三維模型時，必須嚴格按照其配合關系與零件邊界關系建造新的零件模型。

表 1 加工中心各零部件

在 Unity 中，主要是通過調用零件庫中的三維模型顯示于場景中實現的，需通過腳本語言控制模型的調用、顯示、即時重組與刪除，其手段是調用或刪除場景中的 Unity 對象，再通過場景實時保存方案，最終得到用戶認可的加工中心造型，其原理如圖 2 所示。由于已事先預置了各外觀零部件的形態元素庫，用戶在加工中心形態定制頁面可以選擇箱體外殼、底座、防護門或門把手的形態進行定制。

用戶選擇相應的零部件元素，點擊按鈕后觸發事件，后臺程序先確定該部件模型的布爾值，然后查詢數據庫，得到相應的觸發器信息，接著調用 gameobject. active = true 函數激活需要顯示的該對象，并調用 gameobject. active =false 函數刪除當前處于顯示狀態的零件。

圖 2 形態定制方法

與傳統的 Web3D 軟件相較，Unity 的優勢在于可以將不需要顯示的模型暫時刪除，從而確保內存不會溢出，當需要消隱模型時，則直接刪除模型，清空內存; 而傳統的 Web3D 則會一次性加載所有模型數據，這樣不但會導致文件量增大，出現內存溢出的情況，也使加載場景的時間變長，影響用戶體驗。圖 3 為用戶自由選擇不同的零部件組合后產生的不同造型定制方案。

圖 3 形態定制方案

3. 2 數控機床色彩定制

良好的色彩設計，能夠提高加工中心的外觀質量，是數控加工中心造型設計的一個重要組成部分。色彩不僅能夠對人的視覺產生影響，在區分功能、操作安全、防腐抗蝕及提高操作效率等方面都發揮著重要的作用。在進行購買決策時，色彩也是用戶決定購買的重要因素之一。通常情況下，企業都會為上市的產品設定不同色彩供用戶進行選擇。在加工中心定制系統中，用戶的操作更為便捷，用戶只需在定制系統提供的色彩定制工具中，選擇色彩庫中預置的顏色按鈕，則加工中心模型上的對應賦色零部件就會即時產生色彩替換，在后臺數據庫上也會記錄當前的色彩數據信息，用戶可以直觀地看到色彩變換后的賦色效果，交互性能較高。

在 Unity 中，顏色是對象材質的一種重要屬性，即物體顯示什么顏色，需要為物體賦予一個帶有該色彩的材質屬性。Unity 支持的色彩賦色方法為激活更換色彩方案事件，Unity 對象隨之更換色彩方案。在Unity 中，材質屬性稱之為 Shader。Shader 通過 C #語言編寫，可以獲得非常優秀的實時渲染效果，這對于發布在網絡環境中的三維模型是非常有意義的，用戶借助客戶端硬件的圖形計算芯片，即可快速得到優秀的即時渲染效果。

在加工中心的色彩定制設計中，首先需要確定機床的色彩分布，一般情況下，加工中心的色彩應該少而精，通常不超過 3 種顏色。為了實現機床穩定感的要求，較多采用上輕下重的色彩配置。

文中的加工中心色彩設計中，由于黑色可以使加工中心看起來更加穩定，并且黑色不容易看出油污，因此底座部分直接采用了黑色，主箱體采用了機床設計中常用的白色系，其余部分則希望根據用戶的需求進行設定，從而實現用戶定制機床色彩的需求。在定制系統中，為需賦色的零件增加 Shader 材質，并定義 Shader 的各種參數，然后針對 Shader的參數進行編程，通過對 Color 等幾個參數的修改，不僅可以實現顏色替換，甚至可以制作出顏色變換的動態效果，這樣就實現了定制系統中色彩的實時更換。

另外，廠商需要加入新的色彩方案時，只需要在腳本文件中加入相關的顏色數據就可以了，十分簡便，不會對用戶瀏覽器造成額外的負擔。圖 4 為用戶選擇不同顏色后的定制方案。

圖 4 色彩定制

3. 3 定制系統的多平臺發布

進入移動互聯網時代后，PC 已不再是用戶終端的唯一選擇，各種操作系統、移動平臺也紛紛成為人們常用的設備平臺，如蘋果公司的 i OS 系統如今已有相當大的市場占有率，因此加工中心定制系統也應該適用于各種平臺，Unity 易于移植的特性恰好能完美地解決這個問題。如圖 5 所示，Unity 發布的作品不僅可以在傳統 PC 的網頁瀏覽器上運行，更重要的是它能夠發布除了 Windows平臺之外，其他諸如 MacOS、Android、i OS 等移動平臺，甚至還能夠發布索尼 PS、Wii 等設備，其兼容性非常強。

由于跨平臺的特性，Unity 工程經過簡單的修改就可以移植到移動端運行，圖 6 為加工中心定制系統的 APP 運行于 i Phone 設備上的狀態。