疫情下基于虛擬仿真的注塑實訓(xùn)教學(xué)

江麗珍，黃凌森*，楊建榮，江 明

(1. 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣東 廣州 510800；2. 韶關(guān)市職業(yè)技能鑒定指導(dǎo)中心，廣東 韶關(guān) 512026)

0 引言

自2020年新冠疫情暴發(fā)以來，機(jī)械工程訓(xùn)練的教學(xué)活動面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1-2]。理論課紛紛轉(zhuǎn)為線上教學(xué)，但實訓(xùn)課由于其特殊性，需要通過操作機(jī)床，完成設(shè)備的應(yīng)用和專業(yè)基礎(chǔ)知識的驗證，課程以動手實踐為主[3]，教學(xué)活動必須在線下進(jìn)行。然而學(xué)生在實踐期間，由于機(jī)床數(shù)量的限制，實訓(xùn)操作過程需指導(dǎo)和相互配合，學(xué)生與老師之間、學(xué)生與學(xué)生之間接觸密切。疫情期間，為了減少人員聚集，實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容和方式亟需進(jìn)行改進(jìn)。為此，筆者所在學(xué)校的工程訓(xùn)練中心嘗試充分利用虛擬仿真技術(shù)開展機(jī)械制造工程訓(xùn)練。在保證學(xué)生保持安全距離的前提下，以虛擬仿真為主、實操為輔的教學(xué)模式開展實訓(xùn)。下面將疫情之后復(fù)學(xué)以來，注塑實訓(xùn)探索的教學(xué)模式總結(jié)如下。

1 教學(xué)規(guī)劃

近年來，隨著高校虛擬仿真實驗室的深入建設(shè)，注塑成型這類設(shè)備昂貴且現(xiàn)場操作難度系數(shù)大的傳統(tǒng)實訓(xùn)項目不斷引入虛擬仿真實驗技術(shù)，期望通過虛擬實驗代替危險的真實實踐，讓學(xué)生體驗設(shè)備的操作流程和方法。新冠疫情讓虛擬仿真實驗的作用凸顯[4-5]。學(xué)校規(guī)劃在注塑實訓(xùn)中引入CAE模流分析、注塑模拆裝仿真和注塑機(jī)操作仿真系統(tǒng)3種虛擬仿真軟件，結(jié)合傳統(tǒng)的注塑模拆裝測繪模塊開展教學(xué)，具體的教學(xué)內(nèi)容和安排如表1所示。

表1 注塑實訓(xùn)內(nèi)容規(guī)劃表

疫情時期，實訓(xùn)教學(xué)首先要保證學(xué)生不扎堆。注塑實訓(xùn)教學(xué)中模具拆裝測繪部分由于模具數(shù)量不足，無法容納平常實習(xí)的整組人數(shù)，故將測繪環(huán)節(jié)分為測量和繪制兩部分。同時將學(xué)生分為A、 B兩個小組，兩組學(xué)生的拆裝仿真和拆裝測量兩個環(huán)節(jié)交叉進(jìn)行，以減少現(xiàn)場測量模具的人數(shù)，保證一人一模，分散進(jìn)行。注塑實訓(xùn)的流程如圖1所示。

圖1 注塑實訓(xùn)流程

2 教學(xué)實施

為了構(gòu)建學(xué)生系統(tǒng)的注塑模知識體系，在短短2天時間內(nèi)通過智能軟件盡快掌握注塑模的工作原理、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析，能運用注塑機(jī)仿真操作系統(tǒng)和拆裝仿真軟件這些具有實時交互功能的VR虛擬技術(shù)，教學(xué)利用比靜態(tài)圖片和動態(tài)視頻更有代入場景效果的三維展示技術(shù)，將抽象難懂的知識直觀形象地展示。結(jié)合具體的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析實踐，引導(dǎo)學(xué)生投入典型的塑件成型效果分析優(yōu)化情景中，讓學(xué)生通過自身體驗形成模具工藝知識。

關(guān)于CAE模流分析的實訓(xùn)內(nèi)容，筆者在之前論文中[6]進(jìn)行了介紹，而模具拆裝和測繪則是傳統(tǒng)長期開展的實訓(xùn)內(nèi)容，林蒞蒞等[7]和陳璟等[8]在論文中都有研究，在此就不再展開闡述。本文主要闡述注塑機(jī)操作仿真和注塑模拆裝仿真新模塊的實訓(xùn)內(nèi)容。

2.1 注塑機(jī)操作仿真

塑料高溫熔化后注射進(jìn)入模具型腔，冷卻固化成塑料制件，這一過程均發(fā)生在注塑機(jī)和注塑模內(nèi)部，無法通過眼睛觀察了解，一直是教學(xué)的難點和重點。為此，實訓(xùn)通過注塑機(jī)操作仿真系統(tǒng)導(dǎo)入教學(xué)。注塑機(jī)操作仿真系統(tǒng)是一種可視化的教學(xué)工具，通過虛擬技術(shù)，構(gòu)建出三維的注塑機(jī)模型，按照真實的注塑過程完成場景式的虛擬注塑，學(xué)生能進(jìn)行整個注塑流程的操作，并獲得逼真的注塑效果，掌握常見的成型缺陷產(chǎn)生的原因和規(guī)避方法等工藝經(jīng)驗。

實訓(xùn)開始，先利用注塑機(jī)仿真操作系統(tǒng)導(dǎo)入注塑成型的工作原理和模具設(shè)計的流程。然后學(xué)生完成注塑機(jī)的仿真操作，如圖2所示。操作的第一步，通過電動葫蘆面板移動注塑模，將其安裝到注塑機(jī)上。這一步的操作由于場地的限制和操作的危險性，在實操中是無法給學(xué)生操作的，但仿真軟件卻能輕松完成。第二步，完成注塑模的調(diào)試，在安裝模具時，注塑機(jī)經(jīng)常會將模具鎖得太緊或太松，這時需要通過軟件的“調(diào)模厚”(模具受到擠壓的情況)或“調(diào)模薄”(模具合模后分型面還存在縫隙的情況)進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試完成后，第三步，在注塑機(jī)操作面板上進(jìn)行注塑成型： 切換為“手動”狀態(tài)，先“塑化”塑料，再“注射”塑料熔體，完成后“頂桿進(jìn)”將塑件頂出，頂出后“頂桿退”，最后合模，完成一次注塑周期。

圖2 注塑機(jī)操作仿真系統(tǒng)

在這一實訓(xùn)環(huán)節(jié)，要求每位學(xué)生在注塑機(jī)液晶面板中設(shè)置不同的工藝參數(shù)，注塑完成后獲得成品或次品的注塑效果。當(dāng)獲得次品時，系統(tǒng)將彈出“次品分析”對話框，學(xué)生借助該對話框，了解所獲次品的缺陷名稱、其產(chǎn)生的原因和改善措施，從而完成對應(yīng)的缺陷分析報告。通過這樣的訓(xùn)練，學(xué)生可獲得制件成型質(zhì)量分析和優(yōu)化的生產(chǎn)工藝經(jīng)驗。

2.2 注塑模拆裝仿真

注塑模重量都較重，學(xué)生拆裝時若不留神容易受傷。另外注塑模結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件多，在裝配過程中，經(jīng)常由于學(xué)生的操作失誤導(dǎo)致模具損壞，如果學(xué)生不留意各零件上面雕刻的記號，致使零件反裝，一方面將引起螺紋打滑，另一方面將導(dǎo)致零件卡死難以拆開，此時學(xué)生若強硬敲擊，部分細(xì)小零件容易被敲斷。而利用拆裝仿真軟件則能讓學(xué)生提前熟悉拆裝順序，減少危險性和破壞性。

在實訓(xùn)中，使用的是一款三維虛擬現(xiàn)實的模具教學(xué)仿真軟件。軟件中共有40套注塑模項目，學(xué)生可通過軟件的學(xué)習(xí)功能自主學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)功能共有工作原理(動畫呈現(xiàn))、零件部件[見圖3(a)]、裝配過程[見圖3(b)]和裝配圖4項展示。

(a) 零部件展示

(b) 裝配過程展示圖3 注塑模拆裝仿真軟件

對模具的拆裝步驟和順序有一定認(rèn)識之后，學(xué)生進(jìn)入虛擬拆裝訓(xùn)練，訓(xùn)練環(huán)節(jié)分為：

(1) 拆卸訓(xùn)練。

此項訓(xùn)練中，學(xué)生必須按照一定的順序進(jìn)行模具零件的拆卸，如果隨意拆卸將會違反軟件設(shè)置好的約束關(guān)系，系統(tǒng)會彈出“未拆卸零件： ***”的警告窗口。通過正確的拆卸訓(xùn)練，學(xué)生對模具的拆卸和裝配順序獲得正確的認(rèn)識。

(2) 裝配動畫制作訓(xùn)練。

拆卸完模具后，讓學(xué)生制作模具的裝配動畫。裝配時，從動模的B板開始，鏡頭設(shè)置時將其終止位置與標(biāo)準(zhǔn)位置的距離設(shè)為(0，0，0)，出現(xiàn)位置則可在Z軸賦予數(shù)值，讓其從某個位置平移到標(biāo)準(zhǔn)位置處。然后用同樣的方式按以下順序完成動模的裝配動畫： 動模仁通過緊固螺釘固定在B板上，導(dǎo)柱裝入B板。接著裝好頂出機(jī)構(gòu)，裝入B板。再將方鐵和動模座板裝上并用螺釘鎖緊。動模裝配完畢，開始制作定模的裝配動畫，裝配順序為： 從A板開始，將定模仁用螺釘緊固在A板上，導(dǎo)套裝入A板，再將A板與定模座板用螺釘鎖緊，最后裝入澆口套。動定模都裝配好之后，完成整個定模的平移鏡頭，將其終止位置設(shè)在(0，0，0)即可。至此完成整個裝配動畫的制作。

在拆裝仿真訓(xùn)練中，給每位學(xué)生布置了不同注塑模的拆裝作業(yè)，學(xué)生需要提交一份其負(fù)責(zé)模具的裝配動畫。經(jīng)過此項訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的裝配思路，提高學(xué)生拆裝模具的動手能力。利用計算機(jī)的三維模擬技術(shù)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)樂趣和自主學(xué)習(xí)能力。

3 考核標(biāo)準(zhǔn)

注塑實訓(xùn)由4個環(huán)節(jié)構(gòu)成，整個過程涉及的軟件和內(nèi)容較多，教師為了能客觀衡量每位學(xué)生，每個實訓(xùn)環(huán)節(jié)給每位學(xué)生布置的注塑?；蚬に噮?shù)條件各不相同。各個環(huán)節(jié)結(jié)束，學(xué)生都需要提交一份反映實訓(xùn)真實結(jié)果的作業(yè)。注塑機(jī)操作仿真系統(tǒng)使用不同的注塑模進(jìn)行注塑，調(diào)整參數(shù)后，提交一份對應(yīng)的缺陷分析報告；注塑模拆裝仿真軟件使用不同的注塑模進(jìn)行模擬拆裝，上交一份制作好的裝配動畫；模具拆裝、測繪環(huán)節(jié)分組錯開，使用不同的注塑模進(jìn)行測繪，提交一份手工繪制的注塑模裝配圖；Moldflow模流分析對塑件采用不同的工藝參數(shù)分析后，提交一份包含充填時間、鎖模力XY圖、達(dá)到頂出溫度時間和氣穴、熔接線等結(jié)果的分析報告。

為檢測學(xué)生對注塑模工作原理和結(jié)構(gòu)組成的掌握程度，實訓(xùn)結(jié)束后，學(xué)生通過超星學(xué)習(xí)通平臺完成習(xí)題報告，該平臺能即時獲得分?jǐn)?shù)，并可查看錯題解析。整個實訓(xùn)的考核標(biāo)準(zhǔn)和各環(huán)節(jié)所占分值如表2所示。

表2 實訓(xùn)的考核標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)語

疫情下，注塑實訓(xùn)以虛擬仿真技術(shù)為主，圍繞注塑機(jī)操作仿真系統(tǒng)、Moldflow模流分析軟件和注塑模拆裝仿真軟件展開教學(xué)，中間分組穿插現(xiàn)場拆裝測繪模具，解決了因受模具數(shù)量限制而無法容納太多學(xué)生的問題，保證疫情期間現(xiàn)場實訓(xùn)的安全性，同時可緩解學(xué)生長時間操作軟件產(chǎn)生的疲憊感。借助虛擬仿真技術(shù)，使抽象難懂的注塑模知識以三維場景效果直觀地向?qū)W生展示，讓每位學(xué)生都能投身到各自的實訓(xùn)操作中，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)樂趣和自主能動性。在認(rèn)識注塑機(jī)的操作、注塑模的結(jié)構(gòu)之后，通過CAE模流分析鞏固并驗證注塑效果，讓學(xué)生的注塑理論能得到真實反饋，達(dá)到注塑實訓(xùn)的目的。