模具虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)

馮桂珍,池建斌

(石家莊鐵道大學(xué)機械工程學(xué)院,河北石家莊 050043)

模具虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)

馮桂珍,池建斌

(石家莊鐵道大學(xué)機械工程學(xué)院,河北石家莊 050043)

針對傳統(tǒng)模具設(shè)計和當前實驗課程的設(shè)備臺套數(shù)、場地等的不足,在研究Cult3D構(gòu)建交互式三維虛擬場景的過程、方法和相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上,以塑料注塑模具為例,利用Cult3D及其它相關(guān)軟件工具,構(gòu)建了一個基于網(wǎng)絡(luò)的模具虛擬實驗系統(tǒng),將模具的結(jié)構(gòu)、工作原理、裝配關(guān)系等抽象的理論具體化,具有三維、動態(tài)性、交互、基于低帶寬網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)忍匦?克服了傳統(tǒng)實驗的不足,在實際應(yīng)用中取得了良好的效果。

虛擬現(xiàn)實技術(shù);模具虛擬實驗系統(tǒng);Cult3D技術(shù);網(wǎng)絡(luò)

隨著生產(chǎn)的發(fā)展,注塑模具技術(shù)在國內(nèi)外得到了快速發(fā)展,在汽車、摩托車制造和家電等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但傳統(tǒng)的串行開發(fā)模式帶有很強的經(jīng)驗性和盲目性,一般需要反復(fù)修改試制才能滿足需求,導(dǎo)致模具的開發(fā)周期長,降低了市場響應(yīng)速度和競爭能力。同時,國內(nèi)各高校對實驗課的教學(xué),大都存在著實驗形式、內(nèi)容、要求越來越高,實驗設(shè)備、器材、場地、經(jīng)費的保障相對滯后的矛盾,實驗保障條件的制約在一定程度上影響了實驗教學(xué)的開展和學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality,簡稱VR)技術(shù)是在計算機圖形學(xué)、計算機仿真技術(shù)、人機接口技術(shù)、多媒體技術(shù)以及傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門交叉技術(shù)[1-2]。它利用計算機生成一種模擬環(huán)境,并通過多種傳感設(shè)備使用戶沉浸到該環(huán)境中去。利用計算機網(wǎng)絡(luò)支撐的虛擬現(xiàn)實技術(shù),可有效地解決這種矛盾,使分布在不同地點的企業(yè)和技術(shù)人員形成一個動態(tài)聯(lián)盟,通過網(wǎng)絡(luò)迅速地進行技術(shù)交流和信息共享,發(fā)揮各自的技術(shù)優(yōu)勢,共同完成模具的設(shè)計與制造任務(wù)[3]。同時,基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬拆裝實驗不受時空的限制,能有效地解決實驗室設(shè)備緊缺等不足,且操作安全[4-5]。

Web3D是網(wǎng)絡(luò)三維圖形技術(shù)的通稱,目前Web3D的主要解決方案有:VRML/X3D、View point、Shout3D、Cult3D等。而Cult3D是全新的Web3D技術(shù)、一個跨平臺的3D引擎[6-7].其目的是在網(wǎng)頁上建立交互式的3D對象,基于Java內(nèi)核,具有良好的跨平臺性;可視化的開發(fā)界面使開發(fā)者可以輕松掌握;32位的高視覺渲染方式使其渲染質(zhì)量遠勝于VRML語言;特殊的壓縮方式使得文件體積很小,適合低帶傳輸。鑒于此,筆者利用Cult3D,結(jié)合Pro/E、3DM ax、Photoshop、fireworks、Dreamweaver等軟件工具,開發(fā)了一個基于網(wǎng)絡(luò)的模具虛擬實驗系統(tǒng)?，F(xiàn)將虛擬實驗創(chuàng)建的方法和關(guān)鍵技術(shù)闡述如下。

1 模具虛擬實驗系統(tǒng)框架

模具結(jié)構(gòu)拆裝實驗是模具設(shè)計與制造專業(yè)必開的實驗項目,目的是讓學(xué)生熟悉典型模具的結(jié)構(gòu)特點和工作原理,了解模具中各個零件相互間的裝配關(guān)系,掌握導(dǎo)向件、卸料件的設(shè)計方法以及模具與使用設(shè)備的安裝關(guān)系等。模具虛擬拆裝系統(tǒng)采用服務(wù)器/瀏覽器模式,其模塊結(jié)構(gòu)劃分如圖1所示。其中虛擬拆裝實驗?zāi)K在服務(wù)器端存放由建模工具創(chuàng)建好的零件通過格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)入Cult3D中構(gòu)建的動態(tài)交互虛擬場景,瀏覽器端是嵌入＊.co格式文件的主界面,提供Cult3D虛擬場景的瀏覽和基于鼠標的交互控制和操作。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

2 虛擬場景的創(chuàng)建

2.1 Cult3D程序開發(fā)流程

Cult3D的開發(fā)步驟可分為三個階段:建模、編輯、發(fā)布。本身不具有三維建模的功能,需要使用其他的三維建模工具。目前,Clut3D支持創(chuàng)建3D模型的主要工具有3DSMax、M aya等。在這些軟件安裝有對應(yīng)的Cult3D插件后才能將三維模型導(dǎo)出為C3D文件(Cult3D模型文件)。鑒于3DSM ax是目前使用最多的三維建模、動畫、渲染軟件,其功能強大,可以外掛很多插件來彌補本身的功能不足。因此,采用3DSMax作為模型格式轉(zhuǎn)化工具,利用 Pro/E創(chuàng)建零部件模型,導(dǎo)入到3DSMax后,通過Cult3D Export導(dǎo)出Cult3D模型文件(＊.c3d文件),然后在C3Ddesigner中完成交互式拆裝。

2.2 注塑成型模具的建模

注塑成型模具的基本結(jié)構(gòu)主要由澆注系統(tǒng)、成型零件和結(jié)構(gòu)零件三大部分組成,如圖2所示。用Pro/E完成模具各部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計。Pro/E模具設(shè)計的流程如下:

(1)模具組件設(shè)計

模具組件設(shè)計是整個模具設(shè)計中的主體部分,包括參考模型的布局、收縮率的設(shè)置、毛坯工件的設(shè)計、分型面的設(shè)計、分割體積塊及抽取模具元件等。本虛擬拆裝實驗以電話機面板為例,根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)形狀,采用一模兩腔。

(2)澆注系統(tǒng)設(shè)計

澆注系統(tǒng)設(shè)計是模具設(shè)計中的重要組成部分,包括注道設(shè)計、分流道設(shè)計及澆口設(shè)計等。為了有效地傳遞保壓壓力,澆注系統(tǒng)主流道以及附近的塑料熔體應(yīng)該最后固化。臥式注射機模具中,主流道垂直于分型面,為便于流道凝料的拔出,設(shè)計成具有2°～4°錐角的圓錐形。為了模具均衡地進料、補料,獲得質(zhì)量一致的制件,分流道采用平衡式布置,選用半圓截面分流道,直徑取5 mm比較合理。澆口形狀和位置應(yīng)用Plastics A dviso r,即塑料顧問找出最佳澆口位置。

(3)鑄模與開模

當澆注系統(tǒng)設(shè)計完成后,進行鑄模設(shè)計,將模具型腔和澆道形成的空間填充塑料材料,完成產(chǎn)品的澆注。通過開模模擬開模過程,以便清楚地觀看模具型腔、型芯及澆道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

(4)模架設(shè)計

圖2 注塑模具結(jié)構(gòu)

主要包括動模和定模兩部分。定模部分包括定模板(A板)、定模固定板(T板)、導(dǎo)套、澆口套、定位圈及相應(yīng)固定螺釘。動模部分包括動模板(B板)、動模墊板(U板)、墊塊(C板)、動模固定板(L板)、頂桿固定板(E板)、頂板(F板)、頂桿、拉料桿、復(fù)位桿、導(dǎo)柱及相應(yīng)固定螺釘?shù)取?/p>

利用Pro/E完成最終模具裝配效果圖如圖3。

Pro/E模型轉(zhuǎn)換為Cult3D模型時需要注意以下幾點:

(1)Pro/E與 3DM AX是通過 STL格式進行接口。

將Pro/E的模具裝配后,逐個導(dǎo)出零件的STL文件,這樣用3DMAX逐一導(dǎo)入Pro/E保存的STL零件副本后,是符合裝配關(guān)系的裝配體,定位準確。

(2)將擁有共同運動行為的物體成組并調(diào)整組的幾何軸心到合適位置,以便在Cult3D中做交互運行時,該組物體以某一軸心做共同旋轉(zhuǎn)運動而不是以各自軸心做運動。

(3)設(shè)置視點。

Cult3D支持3DMAX中的攝像機,自定義攝像機來設(shè)置合適的觀察角度,還可以創(chuàng)設(shè)多個攝像機分別放在不同的位置,以便于后期制作虛擬裝配和拆卸時視點的選擇,展示最佳視覺效果。

2.3 交互性的設(shè)計和實現(xiàn)

C3Ddesigner是一個完全拖放式軟件。從SceneGraph窗口選中將要操作的對象,拖入Event M ap窗口,然后在Action窗口中選擇要實施的動作,把它也拖入Event M ap窗口,在 Event M ap中選擇觸發(fā)該動作的事件。Cult3D為用戶提供了鼠標和鍵盤兩種觸發(fā)事件。通過預(yù)覽窗口可以檢查動作和事件以及操作對象之間的相互關(guān)系。圖4是裝配與拆卸的部分事件規(guī)劃圖及拆卸效果圖。

圖3 Pro/E完成的模具效果圖

圖4 部分事件規(guī)劃圖及拆卸效果圖

由于模具的虛擬拆裝過程必須符合一定的邏輯順序,因而在動作設(shè)計中進行了相應(yīng)處理,使得整個拆裝過程具有動態(tài)性、交互性和邏輯控制性,符合實際的拆裝要求。具體實現(xiàn)是,用時間線(TimeLine)控制動作的先后次序,用激活事件或解除激活事件控制每一步的拆卸或安裝。同時,在拆裝過程中,為了呈現(xiàn)最佳觀察方位,程序?qū)崿F(xiàn)了視點自動切換。視點自動切換是通過切換攝像機實現(xiàn)的。為了增強系統(tǒng)的交互操作提示,在拆裝過程中添加了工具提示和語音提示,工具提示(Tool tip)與相關(guān)零部件綁定,提供相應(yīng)信息,如拆卸順序、零件相關(guān)信息等;語音提示可打開或關(guān)閉,提示操作步驟。交互和動態(tài)性設(shè)計完成后將文件保存并輸出.co壓縮類型的網(wǎng)絡(luò)文件,用于系統(tǒng)集成時嵌入到網(wǎng)頁中。

3 系統(tǒng)集成與實現(xiàn)

Cult3D專門開發(fā)了Cult3d for Dreamweaver插件,Cult3D的場景在Dreamweaver中顯示為ActiveX控件。在File框中輸入已輸出的.co文件路徑,開啟抗鋸齒選項Antialiasing以提高畫面質(zhì)量,做好3D與2D部分的結(jié)合,編輯網(wǎng)頁并將.co文件插入到網(wǎng)頁中,在Dreamweaver界面下進行編輯,將虛擬實驗的3D部分與實驗輔助信息部分統(tǒng)一風(fēng)格,融為一體。根據(jù)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的系統(tǒng)主頁如圖5所示,包括基礎(chǔ)知識、資源下載、虛擬拆裝實驗、操作幫助和友情鏈接五個模塊,其中基礎(chǔ)知識包括模具概述、分類、注塑成型原理等內(nèi)容;資源下載提供學(xué)習(xí)課件和相關(guān)視頻的下載;虛擬拆裝實驗包括自動和手動裝配與拆卸、工作原理展示、模具零件三維模型任意角度查看等。操作幫助說明系統(tǒng)的操作及Cult3D插件的安裝。若要進入虛擬拆裝實驗,系統(tǒng)提示用戶安裝Cult3D插件,用戶通過鼠標交互拆卸和安裝零部件,并能任意角度多方位瀏覽,通過工具提示和語音提示為用戶提供操作幫助,柔美的背景音樂增添了聽覺享受。圖6是虛擬拆裝實驗的拆卸效果圖。

圖5 系統(tǒng)主界面

4 結(jié)論

通過Cult3D平臺實現(xiàn)塑料注射模的異地虛擬裝配,方法簡單。注射模的開模、合模以及模具各零件的裝配、拆卸方法和步驟通過三維虛擬操作得以形象、生動地表達,并可讓用戶進行實時交互操作。該系統(tǒng)不僅能讓學(xué)生盡快掌握模具的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,使抽象的理論具體化,有效地解決了實驗室設(shè)備緊缺等不足,且操作安全。

圖6 虛擬拆裝實驗的拆卸效果圖

[1] 汪成為,高文,王行仁.靈境(虛擬現(xiàn)實)技術(shù)的理論、實現(xiàn)及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,南寧:廣西科學(xué)技術(shù)出版社,1996.

[2] 周曉琪.虛擬現(xiàn)實技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002.

[3] 徐路寧,張和明,張永康.關(guān)于模具協(xié)同設(shè)計的研究[J].電加工與模具,2005,(1):27-30.

[4] M.Casini,D.Prattichizzo,A.Vicino.The automatic control telelab:A remote laboratory of automatic control[C].Proc.40th IEEE Conf.on Decision Control,2001(12):3242-3247.

[5] 錢應(yīng)平,劉小鵬.數(shù)字化模具實驗室構(gòu)成系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].湖北工學(xué)院學(xué)報,2004,(3):62-63,71.

[6] Cycore Cult3D Homepage[EB/OL].http://www.cult3D.com.

[7] Cult3D-the leading 3D technology for the Internet[EB/OL].http://www.c3donline.com/w hatiscult3D/w hitepaper.pdf.

The development of mold virtual experiment system

FENG Gui-zhen,CHIJian-bin

(M echanical Engineering Institute,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang Hebei050043,China)

In view of the discomforts of traditional mold design and the lack of experiment equipment and p lace,on the basis of studying the p rocess,method and related technology of constructing 3D interactive virtual scene w ith Cult3D,taking the p lastic injection mold examp le,a mold virtual disassembly and assembly experiment system based on Web is constructed w ith Cult3D and other related soft tools.The system makes the abstract theory concrete such as the structure,working p rincip le and the assembly relationship of mould concretization,and has a lot of characters such as three-dimension,dynam ic,interactive and transm ission based on low-bandw idth and so on,overcomes the discom fo rt of traditional experiment,and has go t good effect in p ractical app lications.

Virtual Reality Technology;Mold Virtual Experiment System;Cult3D Technology;Web

TP391

:A

1001-9383(2011)02-0021-05

2011-04-25

馮桂珍(1978-),女,內(nèi)蒙古商都人,碩士,講師,研究方向為計算機輔助設(shè)計及圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實技術(shù).