基于 Unity 的加工中心造型网络定制设计技术
2017-12-14 来源：电子科技大学中山学院 中山市技师学院 作者：郭磊 符莎 刘麦
摘要: 结合以用户为中心及定制设计理论，提出使用 Unity 平台，开发适用于网络、多种操作系统和多种设备的加工中心定制系统的技术方法。有效解决了用户在网络浏览时进行加工中心的形态与色彩方面定制的问题，可提高用户参与度，获得个性化的定制加工中心产品。
关键词: 加工中心; 多平台支持; 定制; 造型
由于加工中心设备具备高效高精作业、全自动化及适合小批量制造等特点，其发展备受国内外企业的重视，各装备制造企业都在竞相开发新型的加工中心设备。在技术发展迅猛、日益激烈的市场竞争中，加工中心除了本身性能外，其人机操作、外观形态、个性化等因素都成为了企业竞争的重要依据［1］。
由于当今制造装备同质化严重，功能已是设备必须满足的基本条件，在这种功能基本相似的情况下，设备造型设计的优劣就成为机床制造企业竞争的重要砝码，目前越来越多的制作类企业开始在提升设备外观质量方面投入更多的精力。
而随着时代发展，个性化亦成为企业为用户提供的重要服务内容之一，为了提高企业竞争力，使用户的个性化需求得以满足，实现加工中心定制生产十分必要。
1 、加工中心造型网络定制设计
随着市场竞争的日愈激烈，卖方市场基本被买方市场取代，以用户的个性化需求为中心，以产品零部件标准化、通用化及模块化设计为基础，以快速及时响应为特点的大规模定制模式日益成为企业的目标［2］。大规模定制生产模式将用户、厂商、供应商和各渠道有机结合，运用整体优化方法，充分利用企业各个环节的资源，在现代设计方法学、信息技术和先进制造等技术的支撑下，以用户个性化需求为出发点，以大批量生产模式的超低成本、高效地为用户提供定制产品和服务［3］。MOTOLOLA、DELL 曾率先采用定制生产模式，并获得了成功［4］。
与普通消费类产品不同，加工中心属于特殊产品，种类繁多且设计生产周期较长，采用定制生产模式更为适合，可以满足用户的个性化需求，为此研究与建立网络化的加工中心产品定制系统至关重要。运用现代虚拟现实技术，构建可以运行于网络、支持多种设备和平台的、具有真实感的三维虚拟加工中心定制系统，让用户在任意操作系统和设备上都能从各个角度浏览加工中心全貌，并进行色彩、形态等方面的定制，可以为客户提供全面了解产品的新体验，从而提高用户的参与度和企业的影响力［5］。
进入移动互联网时代后，网络技术的发展和普及导致更多的用户使用不同设备、不同系统进行网络浏览，也使得基于网络的产品定制系统开发面临新的挑战。针对这个问题，以定制设计理论为基础，利用虚拟现实技术，以用户为中心，以 EMCOFamup MC75-50 加工中心为例开发了基于网络的加工中心产品定制设计系统原型。
2 、平台的选用与设计流程
在网 络 环 境 下 进 行 产 品 定 制 时，必 然 会 采 用Web3D 技术，该技术是支持定制设计平台实现的核心。Web3D 是虚拟现实 ( VＲ) 中的一项网络技术。利用此技术，定制设计的产品可以做到全方位展示、实时装配、色彩定制等［6］。
通过对各种 Web3D 平台进行分析与应用研究，选择了可以跨平台发布的 Uni-ty 工具作为了此次研究的主要制作平台。Unity 是一个用于创建实时渲染的三维交互式内容项目的软件工具。Unity 最早是在 MAC OS 系统下运行，利用可视化环境进行项目开发的平台，开发流程可以达到所见即所得，且编程工作可由一些内置模块实现。Unity 具有一种层级式开发环境，其编辑完全可视化，具有非常强大和完整的属性编辑功能和场景预览功能。Unity 项目由若干场景组成，单个场景中包含三维模型，开发者通过脚本控制模型的各种动作与行为，用户最终看到的内容则由场景中的主摄像机进行呈现并加以控制。借助 Unity 强大的编辑功能，可以非常简便地实现加工中心定制设计系统。如图 1 所示，该系统的设计流程主要包括以下几个环节: ( 1) 在工程软件如 Solid Works、Pro/E 中建立加工中心主轴和各个零部件的模型，此处需要注意各相邻模型的公共边界线问题; ( 2) 将模型文件导入至3DSMAX 等三维软件中，搭建展示场景; ( 3) 将场景文件导入 Unity 中构建交互场景，并为各零部件增加交互脚本; ( 4) 选择适当的平台进行发布，完成系统的设计。
图 1 系统构建工作流程
3 、定制系统的技术实现
3. 1 形态定制
形态是影响用户购买产品的重要因素，加工中心的定制设计主要是围绕形态要素进行的。在定制设计中，通常要求产品的零部件通用化，使同一产品平台下的产品零件可以互相替代，从而获得定制的结果，表 1 展示了可用于相互替代的加工中心产品的零部件。需要注意的是箱体和底座之间的配合关系、把手与防护门之间的配合关系等。在建立各零部件三维模型时，必须严格按照其配合关系与零件边界关系建造新的零件模型。
表 1 加工中心各零部件
在 Unity 中，主要是通过调用零件库中的三维模型显示于场景中实现的，需通过脚本语言控制模型的调用、显示、即时重组与删除，其手段是调用或删除场景中的 Unity 对象，再通过场景实时保存方案，最终得到用户认可的加工中心造型，其原理如图 2 所示。由于已事先预置了各外观零部件的形态元素库，用户在加工中心形态定制页面可以选择箱体外壳、底座、防护门或门把手的形态进行定制。
用户选择相应的零部件元素，点击按钮后触发事件，后台程序先确定该部件模型的布尔值，然后查询数据库，得到相应的触发器信息，接着调用 gameobject. active = true 函数激活需要显示的该对象，并调用 gameobject. active =false 函数删除当前处于显示状态的零件。
图 2 形态定制方法
与传统的 Web3D 软件相较，Unity 的优势在于可以将不需要显示的模型暂时删除，从而确保内存不会溢出，当需要消隐模型时，则直接删除模型，清空内存; 而传统的 Web3D 则会一次性加载所有模型数据，这样不但会导致文件量增大，出现内存溢出的情况，也使加载场景的时间变长，影响用户体验。图 3 为用户自由选择不同的零部件组合后产生的不同造型定制方案。
图 3 形态定制方案
3. 2 数控机床色彩定制
良好的色彩设计，能够提高加工中心的外观质量，是数控加工中心造型设计的一个重要组成部分。色彩不仅能够对人的视觉产生影响，在区分功能、操作安全、防腐抗蚀及提高操作效率等方面都发挥着重要的作用。在进行购买决策时，色彩也是用户决定购买的重要因素之一。通常情况下，企业都会为上市的产品设定不同色彩供用户进行选择。在加工中心定制系统中，用户的操作更为便捷，用户只需在定制系统提供的色彩定制工具中，选择色彩库中预置的颜色按钮，则加工中心模型上的对应赋色零部件就会即时产生色彩替换，在后台数据库上也会记录当前的色彩数据信息，用户可以直观地看到色彩变换后的赋色效果，交互性能较高。
在 Unity 中，颜色是对象材质的一种重要属性，即物体显示什么颜色，需要为物体赋予一个带有该色彩的材质属性。Unity 支持的色彩赋色方法为激活更换色彩方案事件，Unity 对象随之更换色彩方案。在Unity 中，材质属性称之为 Shader。Shader 通过 C #语言编写，可以获得非常优秀的实时渲染效果，这对于发布在网络环境中的三维模型是非常有意义的，用户借助客户端硬件的图形计算芯片，即可快速得到优秀的即时渲染效果。
在加工中心的色彩定制设计中，首先需要确定机床的色彩分布，一般情况下，加工中心的色彩应该少而精，通常不超过 3 种颜色。为了实现机床稳定感的要求，较多采用上轻下重的色彩配置。
文中的加工中心色彩设计中，由于黑色可以使加工中心看起来更加稳定，并且黑色不容易看出油污，因此底座部分直接采用了黑色，主箱体采用了机床设计中常用的白色系，其余部分则希望根据用户的需求进行设定，从而实现用户定制机床色彩的需求。在定制系统中，为需赋色的零件增加 Shader 材质，并定义 Shader 的各种参数，然后针对 Shader的参数进行编程，通过对 Color 等几个参数的修改，不仅可以实现颜色替换，甚至可以制作出颜色变换的动态效果，这样就实现了定制系统中色彩的实时更换。
另外，厂商需要加入新的色彩方案时，只需要在脚本文件中加入相关的颜色数据就可以了，十分简便，不会对用户浏览器造成额外的负担。图 4 为用户选择不同颜色后的定制方案。
图 4 色彩定制
3. 3 定制系统的多平台发布
进入移动互联网时代后，PC 已不再是用户终端的唯一选择，各种操作系统、移动平台也纷纷成为人们常用的设备平台，如苹果公司的 i OS 系统如今已有相当大的市场占有率，因此加工中心定制系统也应该适用于各种平台，Unity 易于移植的特性恰好能完美地解决这个问题。如图 5 所示，Unity 发布的作品不仅可以在传统 PC 的网页浏览器上运行，更重要的是它能够发布除了 Windows平台之外，其他诸如 MacOS、Android、i OS 等移动平台，甚至还能够发布索尼 PS、Wii 等设备，其兼容性非常强。
由于跨平台的特性，Unity 工 程 经 过简单的修改就可以移植到移动端运行，图 6 为加工中心定制系统的 APP 运行于 i Phone 设备上的状态。
图 5 多平台发布
图 6 i OS 平台上的定制界面
4 、结束语
通过多平台发布，用户可以在多种操作系统和设备上直接使用加工中心的造型定制系统，用户不仅能够直接对加工中心各零部件进行形态、色彩的自由定制，获得个性化的产品方案，还能够获得良好的设计体验，增强对企业的认知，扩大企业的影响力。该技术可以适用于不同类型的产品，具有很强的应用前景。
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