消失模鑄造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

余曉武, 范淑媛, 薛冰洋, 廖敦明

(華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074)

近年來,國內(nèi)眾多高校開設(shè)了消失模鑄造課程,大多采用課堂為主的教學(xué)模式,在課堂上講解消失模鑄造的原理、設(shè)備、工藝、特點(diǎn)[1-3]。但這種模式在實(shí)際教學(xué)中缺乏實(shí)物演示,使學(xué)生較難理解且感覺枯燥乏味。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí),因場(chǎng)地有限、設(shè)備種類多、材料損耗多、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、安全隱患多、看不到鑄件成形過程,消失模鑄造實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往達(dá)不到預(yù)期效果[4]。虛擬仿真教學(xué)為學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)、自主實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐提供了新手段、開放平臺(tái)和優(yōu)質(zhì)資源[5]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)重要特點(diǎn)是沉浸性,即虛擬場(chǎng)景與真實(shí)環(huán)境十分相近,使人有身臨其境的感受[6]。運(yùn)用場(chǎng)景仿真技術(shù)可以構(gòu)建逼真的場(chǎng)景[7],較好地還原實(shí)際情況,使虛擬實(shí)驗(yàn)具有良好的沉浸性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)很好的人機(jī)交互,通過用戶界面(user interface,UI),可以進(jìn)行鼠標(biāo)點(diǎn)擊/懸浮、拖動(dòng)物體、人物移動(dòng)、視角轉(zhuǎn)換等。

針對(duì)消失模鑄造教學(xué)中存在的問題,利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和Unity3D虛擬引擎,開發(fā)了一套消失模鑄造虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),可以解決設(shè)備不足、實(shí)驗(yàn)觀察困難等問題[8],沒有實(shí)驗(yàn)操作的安全隱患,縮減實(shí)驗(yàn)操作所需時(shí)間,使學(xué)生進(jìn)行完整的消失模鑄造實(shí)驗(yàn),提高消失模鑄造實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量[9]。

1 系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

以華中科技大學(xué)材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的消失模鑄造實(shí)驗(yàn)環(huán)境為原型,進(jìn)行消失模鑄造虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的場(chǎng)景設(shè)計(jì),包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)環(huán)境等。根據(jù)教學(xué)目的不同,將虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)劃分為演示、認(rèn)知、操作和考核等4個(gè)模塊,由系統(tǒng)界面控制用戶登錄和用戶切換操作。功能模塊和系統(tǒng)界面構(gòu)成系統(tǒng)框架如圖1所示,所有模塊和界面均在Unity3D平臺(tái)上開發(fā)。

圖1 系統(tǒng)框架圖

1.2 功能模塊設(shè)計(jì)

1.2.1 演示模塊

演示模塊的功能是演示和講解消失模鑄造工藝流程,目的在于使學(xué)生直觀學(xué)習(xí)完整的消失模鑄造工藝知識(shí),并為理論教學(xué)提供范例。作為講解消失模鑄造理論和工藝的模塊,演示模塊是核心,是首先開發(fā)的模塊,也是開發(fā)認(rèn)知模塊、操作模塊和考核模塊的基礎(chǔ)。演示模塊的內(nèi)容包括泡沫珠粒的準(zhǔn)備、預(yù)發(fā)泡、熱化、發(fā)泡成型、鑄件清理等工藝過程[10],可進(jìn)行自動(dòng)播放、暫停/開始、加速/減速等操作。

1.2.2 認(rèn)知模塊

認(rèn)知模塊主要是展示消失模鑄造的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)設(shè)備。在觀看演示模塊的實(shí)驗(yàn)過程演示后,可以通過認(rèn)知模塊對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)設(shè)備有更清晰的認(rèn)知,熟悉消失模鑄造的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備在場(chǎng)景中的位置,學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的名稱、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、作用,熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作方法和注意事項(xiàng)等。教師也可以利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備模型進(jìn)行講解,實(shí)現(xiàn)位置移動(dòng)、視角轉(zhuǎn)換、設(shè)備選擇、文字介紹、場(chǎng)景漫游等演示功能。

1.2.3 操作模塊

操作模塊提供了消失模鑄造實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的機(jī)會(huì)。理論與實(shí)踐相結(jié)合,能使學(xué)生更好地理解和掌握消失模鑄造成形工藝和過程。在學(xué)習(xí)了理論知識(shí)、完成了設(shè)備和場(chǎng)景的認(rèn)知后,需要學(xué)生親自動(dòng)手進(jìn)行消失模鑄造實(shí)驗(yàn)操作,以更好地掌握消失模鑄造工藝和操作的理論知識(shí)和實(shí)踐技能。同演示模塊一樣,操作模塊設(shè)計(jì)有泡沫塑料準(zhǔn)備、泡沫預(yù)發(fā)熟化、發(fā)泡成型、開模取樣、澆注系統(tǒng)制作、配料涂料、填砂造型、澆注與凝固、開箱落砂和鑄件清理等10個(gè)場(chǎng)景模塊。操作模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 操作模塊設(shè)計(jì)

1.2.4 考核模塊

考核模塊用于檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)消失模鑄造中重要知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。在經(jīng)過觀看演示、認(rèn)知學(xué)習(xí)和操作實(shí)踐后,對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核,以檢測(cè)其學(xué)習(xí)效果,同時(shí)也可以驗(yàn)證消失模鑄造虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的教學(xué)效果。考核模塊設(shè)計(jì)包括內(nèi)容設(shè)計(jì)(預(yù)發(fā)泡設(shè)計(jì))和交互設(shè)計(jì)(視角轉(zhuǎn)動(dòng)、鼠標(biāo)點(diǎn)擊/懸浮、自由拆裝等)。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 演示模塊

演示模塊的功能包括自動(dòng)播放、視角轉(zhuǎn)換和用戶界面。自動(dòng)播放功能包括視角自動(dòng)切換、流程動(dòng)作自動(dòng)播放、提示文字自動(dòng)加載變化和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的呈現(xiàn),按消失模鑄造順序自動(dòng)加載播放。視角轉(zhuǎn)換功能是通過鼠標(biāo)變換視角,以方便用戶觀看。用戶界面功能包括場(chǎng)景提示、切換場(chǎng)景、內(nèi)容提示、暫?；蜷_始、加速或減速和返回首頁等功能,通過用戶界面和鼠標(biāo)點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景名稱提示、場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)、每步動(dòng)作內(nèi)容說明、暫?；蜷_始實(shí)驗(yàn)演示、改變演示速度以及退出演示模塊、返回主界面。

用戶功能主要用Unity3D的UGUI系統(tǒng)和代碼實(shí)現(xiàn),演示模塊界面如圖3所示。

2.2 認(rèn)知模塊

認(rèn)知模塊基于真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)。認(rèn)知模塊的界面設(shè)計(jì)包括設(shè)備選擇、文字介紹和返回首頁3部分。認(rèn)知設(shè)備部分有相應(yīng)的按鈕,通過點(diǎn)擊按鈕可以快速將視角切換到相應(yīng)設(shè)備的正前方；文字介紹部分可以在屏幕移動(dòng)或隱藏,對(duì)鼠標(biāo)所指向的設(shè)備進(jìn)行介紹；返回首頁UI用于退出認(rèn)知模塊并返回主界面。

圖3 演示模塊界面

認(rèn)知模塊有一項(xiàng)重要功能是場(chǎng)景漫游。場(chǎng)景漫游包括位置移動(dòng)和視角轉(zhuǎn)換。位置移動(dòng)設(shè)計(jì)為鍵盤操作,使用鍵盤上的方向鍵或者WASD鍵控制人物前后左右移動(dòng)。視角轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)為鼠標(biāo)操作,主要包括視角的轉(zhuǎn)動(dòng)和人物高度的調(diào)整,通過場(chǎng)景漫游可以查看不同設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。認(rèn)知模塊部分虛擬設(shè)備瀏覽界面如圖4所示。

2.3 操作模塊

操作模塊的功能包括UI界面功能、視角轉(zhuǎn)動(dòng)功能、鼠標(biāo)點(diǎn)擊觸發(fā)功能、鼠標(biāo)懸浮觸發(fā)功能和鼠標(biāo)拖動(dòng)物體功能等。

圖4 虛擬實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

“UI界面”功能主要是對(duì)Scene模塊當(dāng)前操作步驟的文字提示(該提示可以移動(dòng)和隱藏),標(biāo)記已完成的每一步操作,通過點(diǎn)擊Scene模塊按鈕在10個(gè)Scene模塊間快速切換或重新加載。

“視角轉(zhuǎn)換”功能主要設(shè)計(jì)為鼠標(biāo)操作,以便變換到更好的視角進(jìn)行操作。一些操作步驟直接采用鼠標(biāo)點(diǎn)擊觸發(fā)功能進(jìn)行操作。所有可以進(jìn)行操作的物體,使用鼠標(biāo)懸浮觸發(fā)功能顯示懸浮層,使用鼠標(biāo)停留進(jìn)行高亮顯示,以便提示具體操作的物體或零部件。

“鼠標(biāo)拖動(dòng)物體”功能便于拖動(dòng)部分物體進(jìn)行觀察,增加操作多樣性。操作模塊界面如圖5所示。

圖5 操作模塊界面

2.4 考核模塊

開模取樣是消失模鑄造過程中的一個(gè)關(guān)鍵操作,能夠加深學(xué)生對(duì)模具的認(rèn)識(shí),是本專業(yè)經(jīng)常開展的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)課。考核模塊以開模取樣為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì),通過進(jìn)行不帶任何文字提示的實(shí)驗(yàn)操作來考核學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的情況。在進(jìn)行考核時(shí),后臺(tái)自動(dòng)判斷操作正確與否并計(jì)分; 考核結(jié)束后,系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算成績(jī),生成考核報(bào)告并存儲(chǔ)在系統(tǒng)中?？己四K界面如圖6所示。

圖6 考核模塊界面

3 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用

采用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法,讓每一個(gè)學(xué)生都能親身體驗(yàn)消失模鑄造的工藝流程,通過消失模虛擬仿真實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)動(dòng)手能力和解決問題的能力。

(1) 通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)演示,幫助學(xué)生快速了解消失模鑄造的工藝流程。通過泡沫預(yù)發(fā)、發(fā)泡成型、金屬液充型等原理視頻播放,直觀地向?qū)W生演示完整的消失模鑄造過程。在實(shí)驗(yàn)演示過程中,學(xué)生還可以借助鼠標(biāo)轉(zhuǎn)換視角,可任意方向、近距離查看細(xì)節(jié),也可以自由控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。

(2) 在實(shí)驗(yàn)操作模式下,學(xué)生可以沉浸式體驗(yàn)消失模鑄造的操作過程。在實(shí)驗(yàn)過程中,學(xué)生手動(dòng)拆裝模具、設(shè)置設(shè)備參數(shù)、控制開關(guān),并且通過設(shè)置導(dǎo)航選單、彈窗等功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過人機(jī)交互虛擬操作體驗(yàn),可以加深學(xué)生對(duì)消失模鑄造實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知和理解。

(3) 通過真實(shí)環(huán)境的分組實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以實(shí)際動(dòng)手操作現(xiàn)有的消失模設(shè)備,包括三維振動(dòng)臺(tái)、負(fù)壓系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)、干燥箱等。

(4) 在虛擬系統(tǒng)中進(jìn)行虛擬考核,檢查學(xué)生對(duì)掌握消失模鑄造工藝和設(shè)備的情況。學(xué)生和教師共同參與,降低實(shí)驗(yàn)考核的成本。

消失模鑄造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)涵蓋消失模鑄造的全部工藝過程和大多數(shù)工藝設(shè)備,有效地消除了設(shè)備、場(chǎng)地等硬件限制對(duì)消失模鑄造實(shí)驗(yàn)教學(xué)的影響,避免了高成本、高能耗和安全隱患,讓學(xué)生直觀理解消失模鑄造成形的全部過程,能有效促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)知和進(jìn)一步的創(chuàng)新活動(dòng)。虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方式讓學(xué)生對(duì)消失模鑄造工藝流程理解更加深入,提高了學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的積極性,深受廣大學(xué)生的歡迎。

4 結(jié)語

開發(fā)的消失模鑄造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)場(chǎng)景逼真,基于鼠標(biāo)和鍵盤的操作簡(jiǎn)單多樣,可以很好地輔助教師課堂教學(xué)和學(xué)生課前課后自學(xué)。該系統(tǒng)已用于華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的消失模鑄造實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,提供了一種新的教學(xué)手段和教學(xué)方式,不僅解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教育存在的教學(xué)成本高、實(shí)踐機(jī)會(huì)少和存在安全隱患等問題,還提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自學(xué)能力,有效提高了教學(xué)質(zhì)量。