基于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的注塑模具結(jié)構(gòu)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)開發(fā)

李玉勝 董保香 袁光明

摘要：針對(duì)模具方向注塑模具相關(guān)課程教學(xué)中出現(xiàn)的模具結(jié)構(gòu)認(rèn)知問題，提出基于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的模具結(jié)構(gòu)認(rèn)知虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案，給出以UG與IdeaVR軟件為平臺(tái)的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建方法，開發(fā)集教、學(xué)、考、練多種功能于一體的注塑模具結(jié)構(gòu)認(rèn)知虛擬實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過一年的實(shí)踐應(yīng)用，效果顯著。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；注塑模具；IdeaVR；UG

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）28-0273-02

一、引言

一般情況下，認(rèn)知注塑模具結(jié)構(gòu)有兩種途徑：一是上課時(shí)教師利用文字、二維掛圖、PPT課件、多媒體動(dòng)畫、視頻等方式介紹模具結(jié)構(gòu)；二是通過實(shí)物拆裝實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生了解注塑模具的結(jié)構(gòu)、組成及各部分的作用。模具實(shí)驗(yàn)教學(xué)是模具課程教學(xué)中的一個(gè)重要教學(xué)環(huán)節(jié)，通過模具實(shí)驗(yàn)教學(xué)來認(rèn)知模具的結(jié)構(gòu)、功能。一般在實(shí)驗(yàn)室中做實(shí)物拆裝實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室提供了多套相同或者不同種類的模具及相應(yīng)裝拆工具，讓學(xué)生做裝拆實(shí)驗(yàn)，以達(dá)到結(jié)構(gòu)認(rèn)知的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，但?shí)驗(yàn)設(shè)備工具的種類及數(shù)量往往難以滿足模具多樣性的要求，無法跟上時(shí)代科技發(fā)展，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)認(rèn)知效果不盡如人意。上述特點(diǎn)已經(jīng)成為制約教學(xué)質(zhì)量提高的重要因素。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的研究得到廣泛關(guān)注，并在實(shí)際中應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的有益完善和良好補(bǔ)充，是高等院校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的重要手段。

二、注塑模具結(jié)構(gòu)認(rèn)知問題

我院材料成型及控制工程專業(yè)模具方向，要求學(xué)生掌握注塑模具設(shè)計(jì)的基本理論和技術(shù)，熟悉模具設(shè)計(jì)和制造的基本技術(shù)，包括設(shè)計(jì)、分析方法和加工技術(shù)；熟悉塑料成型的基本理論和技術(shù)；掌握塑料模具工藝及其模具設(shè)計(jì)的基本理論和技術(shù)；熟悉常用塑料成型設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)。為此，我們開設(shè)了模具制造工藝、模具設(shè)計(jì)制造高端技術(shù)、模具制造CAM、塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)等課程。這些課程涵蓋模具的設(shè)計(jì)、制造、分析等全生命周期，其核心是掌握常用的注塑模具結(jié)構(gòu)和相關(guān)理論。但傳統(tǒng)的教材及授課所用課件，都是采用二維方式來表達(dá)模具結(jié)構(gòu)。這種二維表達(dá)方法，存在很多問題，如圖片不清晰而難以區(qū)分相鄰零件，結(jié)構(gòu)表達(dá)不清等，導(dǎo)致學(xué)生很難掌握模具結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確細(xì)節(jié)。在講授模具設(shè)計(jì)制造高端技術(shù)時(shí)，其核心是UG的MoldWizard模塊，該模塊幾乎涵蓋模具設(shè)計(jì)的各個(gè)細(xì)節(jié)，需要學(xué)生對(duì)非常具體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性選擇與定量賦予各種參數(shù)。這種細(xì)節(jié)的具體化與理論的高度概括性之間相矛盾，因?yàn)閷W(xué)生的理論知識(shí)學(xué)習(xí)無法涵蓋模具結(jié)構(gòu)的所有細(xì)節(jié)。同時(shí)，學(xué)生面臨很多外界誘惑，特別是手機(jī)等終端，外界的誘惑與上課的枯燥無味之間，學(xué)生很容易選擇玩手機(jī)。因此，采用能吸引學(xué)生注意力的先進(jìn)教學(xué)手段，非常有必要，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是很好的選擇。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的組成

我院投資140萬元構(gòu)建了沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室。虛擬現(xiàn)實(shí)軟件采用可支持多人異地協(xié)同的虛擬現(xiàn)實(shí)教育平臺(tái)IdeaVR，硬件是I-Wall樣式的長4.5米、高2.5米、小間距、3D大屏幕LED顯示系統(tǒng)，采用6個(gè)攝像頭組成光學(xué)位置跟蹤系統(tǒng)跟蹤操作人員的位置與手柄，配備40副3D眼鏡，一次容納40名學(xué)生做實(shí)驗(yàn)。實(shí)際開設(shè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，為保障實(shí)驗(yàn)效果，每批10人次。

四、注塑模具虛擬實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景方法

1.首先利用UG軟件在MoldWizard模塊下完成模具的設(shè)計(jì)，包括模架、型芯型腔、澆注流道系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、頂出機(jī)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)、抽芯機(jī)構(gòu)、各種標(biāo)準(zhǔn)件等，完善各種細(xì)節(jié)，如為各種標(biāo)準(zhǔn)件、抽芯機(jī)構(gòu)建立腔體等。最終結(jié)果如圖1所示。

2.把模型導(dǎo)入IdeaVR虛擬現(xiàn)實(shí)軟件。導(dǎo)入有兩種方法：一種是UG中的模型首先保存為低版本的*.X_T、STEP、STL等中性文件，然后把這些中性文件導(dǎo)入IdeaVR；另一種方法是直接在IdeaVR中讀取UG8.0版本以下的文件，這要求IdeaVR是工業(yè)版，如果不是工業(yè)版，讀取時(shí)會(huì)提示沒有相應(yīng)插件。

3.在虛擬現(xiàn)實(shí)軟件IdeaVR中，建立實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景，創(chuàng)建光源，賦予模具各組成零件以材質(zhì)，導(dǎo)入課件PPT，設(shè)置考題等；運(yùn)用“動(dòng)畫編輯器”與“交互編輯器”建立模具結(jié)構(gòu)的自動(dòng)爆炸圖，添加標(biāo)注。最終效果如圖2所示。

4.構(gòu)建好虛擬實(shí)驗(yàn)室后，在主控端IdeaVR軟件的“VR設(shè)置”菜單中啟動(dòng)渲染端，在LED大屏幕中實(shí)現(xiàn)沉浸式虛擬環(huán)境。

五、注塑模具虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的功能

學(xué)生頭戴有跟蹤球的3D眼鏡，可以看到極具真實(shí)感的三維立體模型，利用操作手柄實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室中的漫游、模型拆裝、動(dòng)畫方式的模具結(jié)構(gòu)展示等功能，實(shí)現(xiàn)注塑模具結(jié)構(gòu)認(rèn)知的目的。學(xué)生做的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為兩個(gè)方面：一是在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，采用裝配序列及爆炸圖的方式自動(dòng)展示模具結(jié)構(gòu)；二是在沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，利用3D眼鏡與操縱手柄手動(dòng)拆裝模具、各零部件，通過漫游等方式各角度觀察結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。這些方式使學(xué)生掌握模具各部分的結(jié)構(gòu)，了解模具的工作原理。

六、沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室的好處

1.實(shí)現(xiàn)資源共享性。通過IdeaVR軟件的發(fā)布功能，將制作好的虛擬現(xiàn)實(shí)注塑模具結(jié)構(gòu)發(fā)布為EXE可執(zhí)行文件，能夠適配PC、HTC Vive以及Oculus等顯示設(shè)備。學(xué)生在任何終端都可做實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)突破時(shí)空限制，通過云存儲(chǔ)，方便地獲得及發(fā)布大量的信息資源，實(shí)現(xiàn)資源共享。

2.擴(kuò)展性好。虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室中，可隨時(shí)添加不同種類、不同結(jié)構(gòu)的模具。我們每年把優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)放入虛擬環(huán)境，供在校生參考借鑒。不同制件、各種類型的模具，適用于不同基礎(chǔ)的學(xué)生學(xué)習(xí)。

3.具有良好的交互性與近乎現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境為學(xué)生提供了最貼近現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感，可使學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室中與模具結(jié)構(gòu)交互，有身臨其境的感覺。

4.模具種類更新快、成本低。購買實(shí)物設(shè)備投資大，維護(hù)困難，成本高，浪費(fèi)人力，購買眾多的實(shí)物模型，是不太現(xiàn)實(shí)的。但注塑模具技術(shù)的發(fā)展速度很快，學(xué)生實(shí)驗(yàn)中采用的模具更新較慢。虛擬實(shí)驗(yàn)室中，只需要把模具的三維模型導(dǎo)入IdeaVR并定制腳本就可，成本低，不需要任何場(chǎng)地，降低了管理成本，不需要考慮模具的磨損及損壞。

5.實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性小?，F(xiàn)實(shí)中，考慮實(shí)驗(yàn)時(shí)人員的安全性，大型模具難以操作，一般選擇拆裝尺寸小、重量輕的模具，而在虛擬實(shí)驗(yàn)中無須考慮模具的尺寸與重量。

6.有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。在模擬實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生可以自主研究模具結(jié)構(gòu)，有利于發(fā)展學(xué)生的思維能力和空間想象力。學(xué)生加深對(duì)注塑工作原理、模具結(jié)構(gòu)的理解，開闊了眼界，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。

七、結(jié)束語

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室形式新穎，模具結(jié)構(gòu)認(rèn)知表達(dá)方式生動(dòng)，能很好地吸引學(xué)生的注意力，促進(jìn)學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的深入理解，增強(qiáng)對(duì)模具結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)識(shí)，提高實(shí)際動(dòng)手能力，對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新精神有積極的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)：

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