交互式模具虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)

李建新， 午麗娟， 王曉梅

（上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，上海200245）

0 引 言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和一系列政策的實(shí)施，中國(guó)制造正在朝中國(guó)智造轉(zhuǎn)變。作為培養(yǎng)應(yīng)用技術(shù)型人才的本科院校，在專業(yè)設(shè)置、培養(yǎng)方案、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式等方面應(yīng)積極創(chuàng)新改革以適應(yīng)企業(yè)技術(shù)革新、產(chǎn)業(yè)升級(jí)對(duì)應(yīng)用技術(shù)型人才的需求。模具課程作為材料成型與控制本科專業(yè)的骨干課程，是理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合的綜合應(yīng)用課程。模具實(shí)驗(yàn)教學(xué)是模具課程教學(xué)中一個(gè)重要的教學(xué)環(huán)節(jié)。通過模具實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以認(rèn)知模具的結(jié)構(gòu)、功能、成型工藝。由于模具產(chǎn)品種類多樣，不同產(chǎn)品所需的模具結(jié)構(gòu)功能各異，模具結(jié)構(gòu)認(rèn)知一般通過拆裝具有代表性的模具來完成。實(shí)物拆裝典型模具的優(yōu)點(diǎn)是直觀、形象，可增加感性認(rèn)知。但大多模具實(shí)驗(yàn)室受場(chǎng)地、時(shí)間、模具種類、拆裝難易程度等的限制，同時(shí)供拆裝實(shí)驗(yàn)用的模具的安全管理、維護(hù)、更新比較困難，難以進(jìn)一步提升學(xué)生對(duì)模具設(shè)計(jì)、制造、成型工藝相關(guān)知識(shí)的熟練掌握。為此，提出了開發(fā)交互式模具虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)想?；赨G軟件，開發(fā)一套方便學(xué)生學(xué)習(xí)、教學(xué)互動(dòng)性強(qiáng)的交互式模具虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?？梢越Y(jié)合模具實(shí)物拆裝實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，對(duì)提高學(xué)生對(duì)模具知識(shí)的學(xué)習(xí)效率、掌握模具實(shí)際工程應(yīng)用能力都具有重要意義。

1 交互式模具虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)思路

構(gòu)建交互式模具虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括模具結(jié)構(gòu)功能演示、模具虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)、模具虛擬運(yùn)動(dòng)仿真、模具虛擬實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)4個(gè)功能模塊。另開發(fā)相應(yīng)工具箱輔助實(shí)現(xiàn)上述4個(gè)功能模塊。現(xiàn)就這4個(gè)主要功能模塊開發(fā)思路進(jìn)行介紹。

1.1 模具結(jié)構(gòu)功能演示

按照模具的分類方法，通過模具虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)了解冷沖壓模具和塑料模具典型模具系統(tǒng)的組成部分，以及模具工作原理及成型工藝，同時(shí)提供標(biāo)準(zhǔn)部件。如冷沖壓級(jí)進(jìn)模系統(tǒng)的送料機(jī)構(gòu)、卸料機(jī)構(gòu)，注塑模具中的澆口等。利用UG平臺(tái)提供諸如設(shè)置透明度、縮放、旋轉(zhuǎn)、平移、隱藏部件、顯示部件、剖面顯示等觀察工具。

1.2 模具虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)

模具虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)是交互式模具虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心部分，模塊主要包括：1）標(biāo)準(zhǔn)的模具裝配演示，通過播放裝配過程動(dòng)畫配以必要的文字說明，觀察裝配完好的模具，熟悉模具零部件的裝配順序。同時(shí)通過對(duì)模具的旋轉(zhuǎn)、放大觀察、驗(yàn)證相關(guān)理論知識(shí)。2）實(shí)現(xiàn)模具自主拆裝實(shí)訓(xùn)，模具拆裝可以采用從上到下的柱狀式拆裝，也可以采用從內(nèi)到外的功能樹式拆裝。裝配開發(fā)的思路是，利用模塊爆破功能把整體模具數(shù)字化模型中所有的零部件拆開，散落在四周，學(xué)生按自己的裝配設(shè)計(jì)依次點(diǎn)擊圖中零部件。系統(tǒng)判斷選擇對(duì)錯(cuò)，同時(shí)提示下一步備選零部件。裝配結(jié)束后，系統(tǒng)提示“裝配結(jié)束”。拆裝過程與裝配流程相反，在拆裝的過程中提供拆裝工具庫，加強(qiáng)拆裝工具的熟練使用。系統(tǒng)會(huì)及時(shí)提示拆裝部件位置是否準(zhǔn)確到位，交互式提醒學(xué)生拆裝錯(cuò)誤信息。

1.3 模具虛擬運(yùn)動(dòng)仿真

啟動(dòng)UG6.0,進(jìn)入交互式模具虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，打開三維模具文件，利用UG仿真工具箱，輸入相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)后，進(jìn)行模具仿真過程。在仿真過程中，學(xué)生可以在仿真停止或暫停狀態(tài)下，點(diǎn)擊系統(tǒng)幫助工具知識(shí)索引文件，查詢相關(guān)機(jī)構(gòu)的知識(shí)。以冷沖模為例，仿真初始狀態(tài)為上下模分離狀態(tài)，仿真開始后，上模與下模閉合，經(jīng)過送料、壓料、成型、卸件，回到原始狀態(tài)，完成一個(gè)沖壓進(jìn)程。仿真過程可以實(shí)現(xiàn)仿真連續(xù)進(jìn)行或單步仿真，同時(shí)仿真停止?fàn)顟B(tài)下，利用系統(tǒng)幫助工具查詢模具結(jié)構(gòu)和相關(guān)知識(shí)。

1.4 模具虛擬實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

建立交互式模具虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，是基于模具設(shè)計(jì)、制造、裝配、維護(hù)的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)理念。通過模擬模具工業(yè)真實(shí)環(huán)境，可以更好地實(shí)現(xiàn)模具專業(yè)理論知識(shí)和實(shí)踐動(dòng)手能力的銜接。教師通過模具虛擬實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)模塊，可以了解學(xué)生對(duì)模具結(jié)構(gòu)、功能、制造工藝、材料成型過程知識(shí)的認(rèn)知水平，從而做出科學(xué)合理的評(píng)價(jià)。

2 交互式模具虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

交互式模具虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于UG6.0三維軟件系統(tǒng)，利用UG二次開發(fā)工具以及Visual B 6.0。通過模具數(shù)字化建模、功能工具開發(fā)、模具數(shù)據(jù)庫構(gòu)建，完成交互式模具模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。模具數(shù)據(jù)庫采用參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以通過不同參數(shù)輸入，構(gòu)建典型的模具實(shí)例，學(xué)生通過系統(tǒng)拆裝演示、自主拆裝、運(yùn)動(dòng)仿真、結(jié)構(gòu)認(rèn)知以及模具數(shù)字模型旋轉(zhuǎn)、縮放、平移、透明、隱藏、剖面觀察工具，并結(jié)合對(duì)應(yīng)真實(shí)模具拆裝可以實(shí)現(xiàn)模具虛實(shí)教學(xué)最理想的教學(xué)效果。

2.1 模具結(jié)構(gòu)功能演示

典型模具結(jié)構(gòu)分析演示和相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的文字?jǐn)⑹鍪悄＞呓Y(jié)構(gòu)演示模塊要實(shí)現(xiàn)的主要功能，其實(shí)現(xiàn)需要事先在模塊后臺(tái)做好數(shù)據(jù)庫準(zhǔn)備，根據(jù)模具機(jī)構(gòu)的功能分類，在UG下，點(diǎn)擊模具結(jié)構(gòu)樹狀結(jié)構(gòu)分布圖，每一個(gè)結(jié)構(gòu)通過鏈接模式進(jìn)入到EXCEL模式，通過EXCEL表格查閱模具結(jié)構(gòu)名稱、功能以及制造工藝。EXCEL表格的文件名是模具結(jié)構(gòu)部件名稱和組件在裝配狀態(tài)下零件序列號(hào)的組合信息，供模具結(jié)構(gòu)演示中查詢相關(guān)信息使用。

2.2 模具虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)模塊

模具虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)模塊包括兩個(gè)部分：1）標(biāo)準(zhǔn)的模具裝配演示，教師在UG裝配環(huán)境下，演示標(biāo)準(zhǔn)模具裝配效果圖、模具零部件爆炸效果圖，同時(shí)展示標(biāo)準(zhǔn)模具數(shù)模的零部件層次樹狀結(jié)構(gòu)圖，讓學(xué)生熟悉正確的模具零部件裝配順序。2）模具自主拆裝實(shí)訓(xùn)，由于UG爆炸圖功能有限，無法滿足自主拆裝所需要的功能要求，需要自主開發(fā)存函數(shù)支持零部件拆裝時(shí)移動(dòng)箭頭指示動(dòng)能，以此為基礎(chǔ)完成自主拆卸與裝配。在自定義部件移動(dòng)箭頭的過程中，需要更新裝配體裝配狀態(tài)，需要關(guān)閉文件再按照原始狀態(tài)重新打開。

模具自主裝配過程要比自主拆卸的順序判斷過程復(fù)雜，需要在軟件后臺(tái)做必要的技術(shù)處理。按照正確的裝配順序在模具所有零部件文件名后綴中加以體現(xiàn)零部件的裝配優(yōu)先權(quán)。如果后綴中是A，則表示該零部件是需要第一個(gè)裝配的。若裝配正確，系統(tǒng)會(huì)提示裝配正常，提示下一步操作，同時(shí)顯示下一步裝配零部件。若裝配順序錯(cuò)誤，則系統(tǒng)彈出裝配錯(cuò)誤提示框。需要重新選擇正確裝配零部件。

為了更清楚地看到裝配過程和裝配零部件間的尺寸配合關(guān)系，自主裝配過程采用定位、移動(dòng)、貼合三步，每步之間均有時(shí)間間隔，零部件裝配到位后，高亮顯示配合部分，學(xué)生可以判斷裝配是否準(zhǔn)確。全部裝配完成后，系統(tǒng)會(huì)提示模具裝配結(jié)束。

2.3 虛擬運(yùn)動(dòng)仿真模塊

虛擬運(yùn)動(dòng)仿真模塊的實(shí)現(xiàn)主要利用UG軟件現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)仿真模塊來進(jìn)行，利用宏拓展運(yùn)動(dòng)仿真模塊的功能。點(diǎn)擊運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K，系統(tǒng)切換到運(yùn)動(dòng)仿真操作界面，點(diǎn)擊該模塊相關(guān)工具條，輸入模具運(yùn)動(dòng)參數(shù)，保存后點(diǎn)擊完成，然后點(diǎn)擊播放按鈕，模具開始仿真模具運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中，通過點(diǎn)擊暫停按鈕，借助模具模型的旋轉(zhuǎn)、隱藏、透明度設(shè)置可以觀察模具系統(tǒng)內(nèi)外部結(jié)構(gòu)和零部件的運(yùn)動(dòng)和彼此的裝配情況。

3 交互式模具虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用

圖1所示為開發(fā)交互式模具虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)拆裝演示，在系統(tǒng)虛擬拆裝模塊下進(jìn)行。通過點(diǎn)擊模型爆破圖標(biāo)，將所選模具模型依序爆破分解。學(xué)生借此可以觀察模具系統(tǒng)零部件之間的配合關(guān)系。

圖1 模具虛擬拆裝演示

圖2所示為所開發(fā)系統(tǒng)自主拆裝模塊自主裝配圖，點(diǎn)擊自主安裝菜單選項(xiàng)，系統(tǒng)自動(dòng)更新為零部件散落狀態(tài)，學(xué)生按照合理裝配序列依次點(diǎn)擊選中的零部件模型進(jìn)行裝配，在系統(tǒng)裝配零部件提示下，自我判斷所選的零部件是否最優(yōu)。

圖3所示為模具運(yùn)動(dòng)仿真圖，在運(yùn)動(dòng)仿真操作界面，點(diǎn)擊播放按鈕，模具開始運(yùn)動(dòng)，注意觀察運(yùn)動(dòng)期間模具系統(tǒng)零部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)彼此之間的約束關(guān)系。

圖2 模具自主裝配圖

圖3 模具運(yùn)動(dòng)仿真圖

4結(jié) 論

模具實(shí)驗(yàn)教學(xué)是模具課程教學(xué)中的一個(gè)重要的教學(xué)環(huán)節(jié)。通過模具實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以認(rèn)知模具的結(jié)構(gòu)、功能、成型工藝。由于模具產(chǎn)品種類多樣，不同產(chǎn)品所需的模具結(jié)構(gòu)功能各異，傳統(tǒng)模具實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過拆裝具有代表性的模具來完成教學(xué)。實(shí)物拆裝典型模具的優(yōu)點(diǎn)是直觀、形象，有利于增強(qiáng)感性認(rèn)知。但受場(chǎng)地、時(shí)間、模具種類、模具套數(shù)、拆裝難易程度等的限制，難以進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)模具設(shè)計(jì)、制造、成型工藝相關(guān)知識(shí)的熟練程度?；赨G開發(fā)的交互式模具虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開放性好、教學(xué)互動(dòng)性強(qiáng)，可以結(jié)合模具實(shí)物拆裝實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，對(duì)提高學(xué)生模具知識(shí)學(xué)習(xí)效率、掌握模具實(shí)際工程應(yīng)用能力都具有重要意義。

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