基于Virtools的模具拆裝教學(xué)虛擬實(shí)訓(xùn)室的研究與開發(fā)

彭紅蓮，趙礦軍

（1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院；2.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，福建 漳州363000）

隨著我國制造業(yè)技術(shù)以及實(shí)踐水平的不斷提高，我國的模具行業(yè)也逐漸得到了充分的發(fā)展，這就使得模具制造開發(fā)成為衡量我國制造水平高低的一個(gè)關(guān)鍵標(biāo)志，并且相關(guān)技術(shù)也會(huì)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、狀態(tài)以及壽命產(chǎn)生極大的影響，一定程度上有利于提升相關(guān)行業(yè)的創(chuàng)新開發(fā)能力［1］．在模具的生產(chǎn)制造過程中，實(shí)訓(xùn)拆裝教學(xué)是最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它會(huì)模擬出真實(shí)的拆裝環(huán)境，并且?guī)椭鷮W(xué)生更好地將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐操作，使其進(jìn)一步了解整個(gè)模具制造的過程，對(duì)于模具生產(chǎn)的質(zhì)量和效率也是一種提升［2］．傳統(tǒng)的模具拆裝教學(xué)實(shí)訓(xùn)通常是在課上完成的，雖然可以與理論知識(shí)建立一定的關(guān)聯(lián)性，但是由于實(shí)訓(xùn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)耗材以及教學(xué)團(tuán)隊(duì)的影響，學(xué)生的實(shí)踐能力沒有充分地發(fā)揮出來另外，傳統(tǒng)的模具拆裝教學(xué)實(shí)訓(xùn)室的構(gòu)建一定程度上也會(huì)受到經(jīng)費(fèi)的局限，無法購買一些較為先進(jìn)的設(shè)備，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容也因此無法得到及時(shí)更新，導(dǎo)致教學(xué)質(zhì)量難以保障．

Virtools實(shí)質(zhì)上是一種具有整合性的處理軟件，通常被應(yīng)用于2D、3D等行業(yè)的模型和圖形的制作上，取得了較好的實(shí)際應(yīng)用效果．除此之外，Virtools也是一套擁有著極為豐富互動(dòng)行為的虛擬環(huán)境模擬編輯器，它可以在較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之下，依據(jù)真實(shí)的數(shù)據(jù)信息，編織成虛擬的實(shí)踐環(huán)境，更好地幫助使用者完成產(chǎn)品的制造與修改．所以，Virtools技術(shù)也時(shí)常被應(yīng)用于網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)及多媒體、計(jì)算機(jī)游戲、建筑設(shè)計(jì)、交互式電視、教育訓(xùn)練以及仿真產(chǎn)品的展示等［3］．基于Virtools的模具拆裝教學(xué)虛擬實(shí)訓(xùn)室的研究與開發(fā)，在Virtools技術(shù)的真實(shí)輔助下，可以建立更加真實(shí)、完整、全面的教學(xué)實(shí)訓(xùn)室，另外，模具拆裝實(shí)踐的相關(guān)功能也會(huì)得到一定的創(chuàng)新與調(diào)整．真實(shí)的教學(xué)模擬也可以使得學(xué)生更加快速、精準(zhǔn)地掌握實(shí)踐的技巧，更容易將理論知識(shí)與實(shí)踐操作相結(jié)合，進(jìn)而提升自身的綜合實(shí)踐能力．對(duì)于學(xué)校來說，擴(kuò)大教學(xué)的范圍，打破傳統(tǒng)教學(xué)模式的限制，大幅度提高教學(xué)質(zhì)量和效率，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)模具拆裝實(shí)訓(xùn)的虛擬化和數(shù)字化．

1 模具拆裝教學(xué)虛擬實(shí)訓(xùn)室的設(shè)計(jì)思路分析

在進(jìn)行模具拆裝教學(xué)虛擬實(shí)訓(xùn)室的設(shè)計(jì)之前，需要制定相關(guān)的設(shè)計(jì)思路，并形成有效的建設(shè)方案．模具拆裝教學(xué)虛擬實(shí)訓(xùn)室主要包括以下幾個(gè)區(qū)域，分別為拆裝零件管理、裝配結(jié)構(gòu)以及功能模塊等部分．首先是拆裝零件管理，通常情況下，學(xué)生在進(jìn)行模具的拆裝訓(xùn)練時(shí)，會(huì)留下大量的分擔(dān)零件，如果系統(tǒng)不進(jìn)行處理，時(shí)間久了，很容易造成實(shí)訓(xùn)室的運(yùn)行的困難，造成安全隱患，另外，還會(huì)間接影響虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)境的創(chuàng)建．所以，對(duì)于這部分，需要依據(jù)零件的種類，做出相對(duì)應(yīng)的分類與整合；其次是裝配結(jié)構(gòu)的建立，實(shí)訓(xùn)室需要制定統(tǒng)一的裝配結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)必須具備高效、快速等優(yōu)勢(shì)特征，同時(shí)較為簡化，便于學(xué)生更快地上手操作，提升其綜合實(shí)踐水平；最后是功能模塊區(qū)域，這部分是模具拆裝虛擬實(shí)訓(xùn)室的關(guān)鍵組成部分，主要分為4個(gè)模塊，如圖1所示．

圖1 模具拆裝教學(xué)虛擬實(shí)訓(xùn)室結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖1，進(jìn)行以下實(shí)訓(xùn)室建設(shè)思路分析．其一是模具知識(shí)模塊，這部分主要是對(duì)于模具拆裝的一些理論知識(shí)進(jìn)行總結(jié)，并且對(duì)實(shí)訓(xùn)室的設(shè)計(jì)要點(diǎn)做出記錄，幫助學(xué)生深化實(shí)訓(xùn)操作的細(xì)節(jié)，同時(shí)對(duì)于遺忘的知識(shí)也是一種補(bǔ)充［4］；其二是模具的結(jié)構(gòu)模塊，這部分模塊是對(duì)多種澆注結(jié)構(gòu)、成形零件以及側(cè)向分型等操作方法進(jìn)行管控處理的一種典型的結(jié)構(gòu)；其三是對(duì)模具仿真模塊的設(shè)計(jì)，仿真模塊主要是對(duì)模具制造過程中所涉及的開模、熔煉、注塑、冷卻、頂出脫模等進(jìn)行仿真測試，以此來驗(yàn)證實(shí)訓(xùn)室相對(duì)應(yīng)的性能效果和應(yīng)用價(jià)值；最后，是實(shí)訓(xùn)室中模具的拆裝模塊，這部分以上三部分具有一定的關(guān)聯(lián)性，需要一一展示各部分零件的名稱、性能以及使用方式，配合效果相對(duì)較強(qiáng)，是對(duì)拆裝作出管控的區(qū)域．

2 Virtools技術(shù)下模具拆裝教學(xué)虛擬實(shí)訓(xùn)室的開發(fā)

2.1 模具拆裝虛擬實(shí)訓(xùn)場景編輯

在進(jìn)行實(shí)訓(xùn)室的研究與開發(fā)之前，需要進(jìn)行基礎(chǔ)性的虛擬模具拆裝教學(xué)場景的設(shè)計(jì)與編輯．通常情況下，實(shí)訓(xùn)教學(xué)場景編輯需要考慮三維虛擬實(shí)驗(yàn)室是否具有一定的真實(shí)性和可操作性，這主要是因?yàn)楸旧碓谶M(jìn)行模具拆裝的實(shí)訓(xùn)過程中，就需要通過較為真實(shí)的訓(xùn)練場景來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)幫助其更好地掌握實(shí)操技術(shù)，使學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)踐知識(shí)更為緊密地聯(lián)系在一起，更容易形成系統(tǒng)性和全面性的知識(shí)結(jié)構(gòu)［5］．虛擬實(shí)訓(xùn)場景的編輯還需要計(jì)算場景的切換反轉(zhuǎn)比值，具體公式如下：

其中，G為切換反轉(zhuǎn)比值，f為映射指標(biāo)，β為仿真結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)比值．將實(shí)際的切換反轉(zhuǎn)比值作為場景編輯的切換標(biāo)準(zhǔn)，在合理的范圍之內(nèi)建立相對(duì)應(yīng)的置換范圍，使使用者更加清晰、全面地掌握操作流程．完成之后，依據(jù)反轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置場景的交互指標(biāo)參數(shù)值，如表1所示．

表1 場景編輯交互指標(biāo)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)表

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行場景編輯的交互指標(biāo)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置.完成之后，將學(xué)校日常教學(xué)的模具拆裝規(guī)則以及固定結(jié)構(gòu)在相對(duì)應(yīng)的場景中進(jìn)行設(shè)定，并依據(jù)計(jì)算出來的切換反轉(zhuǎn)比值安排對(duì)應(yīng)的場景切換，以此來完成模具拆裝虛擬實(shí)訓(xùn)場景編輯．

2.2 數(shù)據(jù)庫以及交互腳本設(shè)計(jì)

在完成模具拆裝虛擬實(shí)訓(xùn)場景的編輯之后，需要進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫以及交互腳本的設(shè)計(jì)．對(duì)于數(shù)據(jù)庫，在拆裝教學(xué)虛擬實(shí)訓(xùn)的過程中，數(shù)據(jù)庫實(shí)際上是較為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，主要是對(duì)實(shí)訓(xùn)的數(shù)據(jù)信息以及相關(guān)的運(yùn)行操作結(jié)構(gòu)進(jìn)行管控和處理的，在教學(xué)的過程中，學(xué)生可以依據(jù)數(shù)據(jù)庫的提示，進(jìn)行模具的拆裝與裝配，不僅如此，學(xué)生在面對(duì)較為復(fù)雜的問題時(shí)，數(shù)據(jù)庫還可以適當(dāng)給予一定的引導(dǎo)，幫助學(xué)生更加快速地掌握相關(guān)的拆卸技巧，完成從理論知識(shí)到實(shí)踐操作的過渡.將日常的模具結(jié)構(gòu)、相關(guān)數(shù)據(jù)以及規(guī)則等錄入到實(shí)訓(xùn)室之中，在管控區(qū)域形成一個(gè)較為完整拆裝建模，編寫相對(duì)應(yīng)的操作指令，并添加在數(shù)據(jù)庫之中完成建設(shè)［6］．在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)進(jìn)行交互腳本的設(shè)計(jì)，利用Virtools軟件中的BuildingBlocks功能建立對(duì)應(yīng)的交互模塊，并在場景編輯中實(shí)現(xiàn)交互功能．腳本采用流程圖的方式編寫，相對(duì)較為簡單，快捷，結(jié)構(gòu)清晰．腳本的格式設(shè)置如表2所示．

表2 腳本格式設(shè)置表

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行腳本格式的轉(zhuǎn)換設(shè)置．添加三維實(shí)操模式，并將其與腳本格式相互融合，形成符合數(shù)據(jù)庫運(yùn)行的新的腳本．

2.3 Virtools中Boolean運(yùn)算構(gòu)建實(shí)訓(xùn)室模型

在完成數(shù)據(jù)庫以及交互腳本的設(shè)計(jì)之后，利用Virtools技術(shù)中Boolean運(yùn)算矩陣來構(gòu)建相對(duì)應(yīng)的實(shí)訓(xùn)室模型．模型的開發(fā)主要包括以下幾個(gè)階段，分別為建模、交互制作以及發(fā)布．其實(shí)，Virtools本身是不具有三維建模功能的，但是由于最近幾年三維技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，使其允許外來插件的結(jié)合，這也就進(jìn)一步提升了Virtools自身的性能．將日常的拆裝教學(xué)數(shù)據(jù)匯總整合，添加在Virtools軟件之中，采用3dsmax建模技術(shù)，將數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入Virtools中完成交互式拆裝的基礎(chǔ)建模結(jié)構(gòu)創(chuàng)建．初期所建立的實(shí)訓(xùn)室模型僅僅是一個(gè)簡化的模型，如果要進(jìn)行高層級(jí)的應(yīng)用，需要添加實(shí)測數(shù)據(jù)，利用Boolean運(yùn)算建立限位矩陣核心值，具體公式如下：

其中：M表示限位矩陣核心值，A表示限位距離，w表示誤差距離．通過以上計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的限位矩陣核心值，將其作為實(shí)訓(xùn)室的極限值．在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)建限位矩陣，計(jì)算公式如下：

其中：I、O、T表示限位函數(shù)，r表示沖壓比值，e表示慣性函數(shù)，?表示交互控制百分比．通過以上計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的限位函數(shù)．將數(shù)值作為流動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定在建模之中，利用交互技術(shù)進(jìn)行圖形化的編程，使用模塊化的編程語言建立控制程序，完成虛擬實(shí)訓(xùn)室模型的建立［7］．

2.4 GetCell圖化實(shí)訓(xùn)單元實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)訓(xùn)室的開發(fā)

在完成Virtools中Boolean運(yùn)算構(gòu)建實(shí)訓(xùn)室模型之后，需要利用GetCell圖化實(shí)訓(xùn)單元技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)訓(xùn)室的開發(fā)．在建模之中創(chuàng)建虛擬實(shí)訓(xùn)模塊結(jié)構(gòu)，并通過文字和圖片的形式來深化拆裝教學(xué)的內(nèi)容．在合理的范圍之內(nèi)，通過操作來限制教學(xué)頁面的大小，但是在實(shí)際的教學(xué)過程中，模具的拆裝界面通常不能一次性呈現(xiàn)，需要翻頁來進(jìn)行切換，可以利用GetCell圖化技術(shù)將展示的頁面分割成相同大小的單元格，通過特殊的指令將單元格以此劃分、重組，在有限的界面之中，形成用戶需要的拆裝內(nèi)容，并以圖片或者視頻的模式展現(xiàn)出來［8］．計(jì)算二維幀綜合系數(shù)，計(jì)算公式如下：

其中：K表示二維幀綜合系數(shù)，c表示限制幀數(shù)百分比，δ表示誤差實(shí)測比．通過以上計(jì)算最終可以得出實(shí)際的二維幀綜合系數(shù)并進(jìn)行虛擬實(shí)訓(xùn)室運(yùn)行幀數(shù)陣列的設(shè)置，如表3所示．

表3 虛擬實(shí)訓(xùn)室運(yùn)行幀數(shù)陣列設(shè)置表

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行幀數(shù)陣列的設(shè)置，完成之后，構(gòu)建單元綜合結(jié)構(gòu)，最終完成虛擬實(shí)訓(xùn)室的開發(fā)．

3 實(shí)例分析

3.1 模具拆裝教學(xué)虛擬實(shí)訓(xùn)室應(yīng)用現(xiàn)狀簡述

我國的模具制造行業(yè)一直都處于較為領(lǐng)先的水平，這也使得我國的模具應(yīng)用現(xiàn)狀在不斷發(fā)展．模具拆裝教育虛擬實(shí)訓(xùn)室主要訓(xùn)練學(xué)生的模具實(shí)操技術(shù)，提升其綜合操作水平．但是，最終幾年，我國的實(shí)訓(xùn)室建設(shè)指標(biāo)卻一直處于較低的水平，日常的訓(xùn)練效果也受到了一定的局限，造成這種現(xiàn)狀的主要原因是部分學(xué)校對(duì)于實(shí)訓(xùn)的重視程度有所下降，所以相應(yīng)地投入到建設(shè)實(shí)訓(xùn)室的經(jīng)費(fèi)也就有所減少，這就導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)設(shè)備無法實(shí)時(shí)更新至最先進(jìn)的種類，同時(shí)也缺乏較為專業(yè)的教師團(tuán)隊(duì)對(duì)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)化、全面化、科學(xué)化的訓(xùn)練指導(dǎo)［9］．不僅如此，在虛擬實(shí)訓(xùn)室建設(shè)的過程中，部分學(xué)校會(huì)依照其他學(xué)校的結(jié)構(gòu)以及模式建設(shè)，不依據(jù)本校學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)進(jìn)度進(jìn)行建立，這在一定程度上也會(huì)影響最終的教學(xué)效果，很容易造成學(xué)生理論與實(shí)踐技術(shù)的脫節(jié)．

3.2 進(jìn)行模具拆裝實(shí)訓(xùn)室應(yīng)用分析

根據(jù)以上現(xiàn)狀簡述，進(jìn)行Virtools模具拆裝教學(xué)虛擬實(shí)訓(xùn)室的應(yīng)用研究分析．選取一項(xiàng)模具拆裝教學(xué)課程作為實(shí)例分析的研究對(duì)象，分別在不同的虛擬序列指標(biāo)中進(jìn)行測試分析，共分為5組，每一組都需要進(jìn)行獨(dú)立的測試，并得出相對(duì)應(yīng)的測試分析結(jié)果．首先，對(duì)當(dāng)前的模具拆裝虛擬實(shí)訓(xùn)室的功能菜單進(jìn)行演示，通過設(shè)置以及相關(guān)的指令做出平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、隱藏、調(diào)節(jié)透明度、查看知識(shí)和部件等實(shí)際操作．計(jì)算拆裝虛擬比例值，計(jì)算公式如下：

其中：表示拆裝虛擬比例值，d表示標(biāo)準(zhǔn)演示百分比，γ表示仿真計(jì)劃值．通過以上計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的拆裝虛擬比例值．依據(jù)比例進(jìn)行三維虛擬裝配演示以及學(xué)生自主的拆裝實(shí)驗(yàn)，查看拆裝演示模式，并建立相對(duì)應(yīng)的實(shí)訓(xùn)室序列，進(jìn)行仿真裝配和拆卸的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建．具體結(jié)構(gòu)如圖2所示．

圖2 仿真裝配和拆卸的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建示意圖

根據(jù)圖2中的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行實(shí)訓(xùn)室拆裝結(jié)構(gòu)的建立，按照自主實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，進(jìn)行裝配序列散開的零件的整合，將選中的零件相互裝配起來，完成仿真．根據(jù)以上方法，在不同的虛擬序列中，進(jìn)行多組測試分析，最終得出以下實(shí)例分析結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行分析討論．

3.3 分析結(jié)果探析

通過上述虛擬序列指標(biāo)測試，最終得出5組結(jié)果（表4）．

表4 虛擬序列指標(biāo)測試結(jié)果分析表

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)信息，可以得出以下結(jié)論：隨著虛擬序列區(qū)域的不斷變化，最終虛擬實(shí)訓(xùn)室所得出的實(shí)測負(fù)載結(jié)果隨之減小，這表明其開發(fā)的效果更佳，實(shí)訓(xùn)室的教學(xué)質(zhì)量和效率也有所提升，具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義．

4 結(jié)論

模具的生產(chǎn)與制造具有較為悠久的歷史，傳統(tǒng)的制造方式相對(duì)缺乏實(shí)踐，這也導(dǎo)致產(chǎn)品在完成后會(huì)存在一部分的問題以及缺陷，一定程度上會(huì)對(duì)實(shí)際應(yīng)用造成較大的影響［10］．因此，對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新調(diào)整是十分有必要的，也是制造業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的重要推動(dòng)力．Virtools技術(shù)可以在原本模具生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大其實(shí)踐訓(xùn)練范圍，增強(qiáng)產(chǎn)品的綜合性能以及質(zhì)量，使其在實(shí)際應(yīng)用的過程中與外部設(shè)備連接更為緊密，提升使用的效率．基于Virtools的模具拆裝教學(xué)虛擬實(shí)訓(xùn)室的研究與開發(fā)，能更好地幫助學(xué)生掌握理論與實(shí)踐的雙向技能，提高模具制造專業(yè)的綜合教學(xué)水平，使我國未來的制造技術(shù)更加均衡地發(fā)展，推動(dòng)我國模具技術(shù)邁入一個(gè)新的發(fā)展臺(tái)階．