(1.浙江工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,浙江 杭州 310014;2.杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州 311402;3.浙江大學(xué) 化工機(jī)械研究所,浙江 杭州 310058)
模具是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)裝備,隨著經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng),汽車、船舶、家用電器和醫(yī)療器械等領(lǐng)域快速發(fā)展,同時(shí)也極大促進(jìn)了模具工業(yè)的進(jìn)步[1]。模具工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵是“高質(zhì)量”,人才是模具產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心力量,因此模具工業(yè)的快速發(fā)展對(duì)相關(guān)從業(yè)人員的綜合素質(zhì)提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)[2]。目前,在模具行業(yè)的企業(yè)中十分缺少能夠熟練使用新設(shè)備、新技術(shù)和新工藝的專業(yè)人才[3-4]。因此,培養(yǎng)模具行業(yè)中高水平人才的重要性日益突出,各高校與職業(yè)院校模具專業(yè)學(xué)生群體的教育方式應(yīng)與模具行業(yè)發(fā)展的新需求相適應(yīng)。實(shí)踐教學(xué)是重要的教學(xué)環(huán)節(jié),在實(shí)踐教學(xué)的過(guò)程中不僅可以充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,而且可以使學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的理解更加深入,提高學(xué)生的動(dòng)手能力?;?dòng)式的實(shí)踐教學(xué)也是提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵[5]。隨著教學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展以及和模具專業(yè)相適應(yīng)的教學(xué)需求不斷提高,現(xiàn)有實(shí)體模型拆裝實(shí)踐的弊端日益突出,主要表現(xiàn)在:1) 教學(xué)成本過(guò)高;2) 實(shí)踐內(nèi)容和教學(xué)功能中存在一定的局限;3) 教學(xué)效果受多種條件約束;4) 教具種類有限,難以更新;5) 教學(xué)管理較為困難。
虛擬樣機(jī)技術(shù)是隨著當(dāng)今計(jì)算機(jī)領(lǐng)域快速發(fā)展而新興的一種計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù),該技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外工業(yè)設(shè)計(jì)與教育領(lǐng)域得到了一定程度的應(yīng)用[6-10]。虛擬裝配技術(shù)是虛擬樣機(jī)在整機(jī)裝配中的一種典型應(yīng)用。筆者針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)體模型拆裝教學(xué)實(shí)踐中存在的多種問(wèn)題,開(kāi)發(fā)出“模具虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)工場(chǎng)”教學(xué)平臺(tái),運(yùn)用計(jì)算機(jī)虛擬裝配技術(shù)進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)分析、模具拆卸組裝練習(xí)以及模具運(yùn)動(dòng)模擬,實(shí)現(xiàn)師生之間的交互式實(shí)踐教學(xué),以期為學(xué)生建立一個(gè)良好的模具知識(shí)學(xué)習(xí)平臺(tái)。
基于模具拆卸與裝配的實(shí)際教學(xué)需求,總體上可以確定所設(shè)計(jì)的教學(xué)平臺(tái)包含的主要內(nèi)容有:模具結(jié)構(gòu)的認(rèn)知、模具工況仿真模擬演示、模具拆裝仿真模擬演示、模具拆裝實(shí)訓(xùn)和模具拆裝實(shí)訓(xùn)結(jié)果量化考核,其內(nèi)容規(guī)劃如圖1所示。
圖1 虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)工場(chǎng)教學(xué)平臺(tái)的內(nèi)容規(guī)劃Fig.1 Content planning of virtual disassembly and assembly training workshop teaching platform
系統(tǒng)演示中模具運(yùn)動(dòng)的模擬包括:模具工況模擬仿真和模具拆裝模擬仿真。模具工況模擬仿真演示了模具動(dòng)模、定模和導(dǎo)柱等部分的運(yùn)動(dòng)情況;模具拆裝模擬仿真主要是在學(xué)習(xí)模具的拆卸與組裝時(shí)為學(xué)生提供相應(yīng)的指導(dǎo)。
教學(xué)平臺(tái)從模具種類的角度對(duì)模具的模型庫(kù)進(jìn)行橫向擴(kuò)展,進(jìn)一步豐富了模具課程教學(xué)的教育資源,所擴(kuò)展的模型庫(kù)包含沖壓模具、注塑模具、鍛造模具和壓鑄模具4個(gè)部分。每個(gè)種類的模具都是由簡(jiǎn)單的模具結(jié)構(gòu)模型和結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的模具實(shí)例模型組成,其模型用于模具結(jié)構(gòu)的認(rèn)知學(xué)習(xí)。
虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)中所需的功能可以概括為以下5部分的內(nèi)容:模具結(jié)構(gòu)觀察、模具仿真演示控制、模具拆裝實(shí)訓(xùn)、實(shí)訓(xùn)考核及相關(guān)功能系統(tǒng)參數(shù)配置。將模具虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)工場(chǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行整合,然后再將其功能進(jìn)一步細(xì)化,設(shè)計(jì)出完整的軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能。
模具結(jié)構(gòu)觀察工具的作用是使學(xué)生在模具零部件組成的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中進(jìn)一步加深對(duì)模具結(jié)構(gòu)的理解,并且通過(guò)索引多種類型模具的相關(guān)理論知識(shí),使學(xué)生對(duì)不同種類模具的零件組成都有準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。模具結(jié)構(gòu)觀察工具的功能組成主要包括:模具輔助觀察工具(如控制模具零件顯示與隱藏的視圖切換工具,模具零件的平移、旋轉(zhuǎn)和縮放等動(dòng)態(tài)操作的多視角觀察工具)、模具零部件理論知識(shí)的索引查找、選擇切換不同的視圖顯示模式(例如切換顯示模具的真實(shí)外觀、模具模型多色彩外觀等)。
筆者設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)中包含的模擬仿真演示的內(nèi)容主要可分為兩個(gè)部分:工況模擬仿真與拆裝過(guò)程模擬仿真。模具模擬仿真演示可以使學(xué)生更直觀地觀察模具拆裝的具體過(guò)程與步驟,從而進(jìn)一步掌握模具拆裝操作的相關(guān)知識(shí)。此外,受訓(xùn)人員能夠應(yīng)用拆裝模擬仿真演示控制工具控制演示進(jìn)行的過(guò)程,從而方便觀察模具動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。
模具的虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)模塊是筆者設(shè)計(jì)的教學(xué)平臺(tái)的核心組成部分。模具虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)功能部分所實(shí)現(xiàn)的具體效果是:用戶使用鼠標(biāo)選取需要操作的模具零件進(jìn)行拆卸和組裝操作,該系統(tǒng)平臺(tái)可以為用戶在拆卸和組裝模具的過(guò)程中提供建議和幫助,從而引導(dǎo)用戶實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的模具拆裝步驟;除此之外,結(jié)合相關(guān)功能的系統(tǒng)參數(shù)配置,可以將模具拆卸工具的選用練習(xí)添加到模具虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)過(guò)程中,從而提高用戶在模具虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)中的操作難度。
該平臺(tái)應(yīng)用網(wǎng)狀拆裝序列模型,從而解決開(kāi)發(fā)需要的序列規(guī)劃問(wèn)題。完成網(wǎng)狀拆裝序列模型首先要得到正確的網(wǎng)狀拆裝序列圖,對(duì)網(wǎng)狀拆裝序列圖的遍歷過(guò)程即為拆裝次序的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。確定用戶的選擇意圖與判斷用戶所選的節(jié)點(diǎn)是否滿足可操作條件是拆裝次序?qū)崿F(xiàn)過(guò)程中的兩個(gè)要點(diǎn)。虛擬拆裝操作具體的實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。
圖2 虛擬拆裝操作流程圖Fig.2 Flow chart of virtual disassembly and assembly operations
平臺(tái)提供實(shí)訓(xùn)智能考核功能,智能考核功能可以記錄用戶在模具虛擬拆裝過(guò)程中的每個(gè)操作步驟,并判斷用戶操作步驟和相應(yīng)拆裝工具選擇的正確性。實(shí)訓(xùn)智能考核功能要求用戶在開(kāi)始拆裝實(shí)訓(xùn)之前輸入姓名和相應(yīng)學(xué)號(hào),以此為基礎(chǔ)記錄實(shí)訓(xùn)考核評(píng)估結(jié)果。通過(guò)分析智能考核功能所要滿足的效果需求,確定智能考核應(yīng)對(duì)用戶虛擬拆裝模具的過(guò)程作出評(píng)估,并且以打分的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶虛擬拆裝模具過(guò)程的量化考核,科學(xué)記錄和輸出用戶成績(jī)。
系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)配置主要用于自定義設(shè)置模具拆裝操作情況評(píng)估考核、拆裝工具選用情況考察等功能的參數(shù),方便教師在實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)中按照需求選擇是否將分?jǐn)?shù)輸入到考核系統(tǒng)中,是否考察模具相關(guān)理論知識(shí),是否保存操作步驟以及是否設(shè)置實(shí)訓(xùn)過(guò)程中錯(cuò)誤操作次數(shù)上限等。
通過(guò)對(duì)軟件平臺(tái)系統(tǒng)功能的詳細(xì)設(shè)計(jì),總體上建立了虛擬模具拆裝實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的框架結(jié)構(gòu),系統(tǒng)基本框架如圖3所示,其總體是由數(shù)據(jù)使用管理與數(shù)據(jù)層構(gòu)成。數(shù)據(jù)使用管理是系統(tǒng)的主要內(nèi)容,數(shù)據(jù)使用管理直接面向用戶;數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)的基礎(chǔ),為系統(tǒng)數(shù)據(jù)的調(diào)用與管理提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ),用戶可以通過(guò)數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)選擇和調(diào)用資源。
圖3 系統(tǒng)基本框架Fig.3 System basic framework
使用法國(guó)達(dá)索公司的Virtools軟件作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái),Virtools軟件作為一套整合軟件,可將二維圖形、三維模型等數(shù)據(jù)文件進(jìn)行整合[11];選用 UG NX 軟件對(duì)平臺(tái)中所需要的模具數(shù)字模型進(jìn)行快速、準(zhǔn)確建模;選用 3D-MAX軟件制作處理模具數(shù)字零部件、標(biāo)準(zhǔn)件等模型的外觀與動(dòng)畫(huà)。使用STL文件格式用于所選用軟件之間的文件數(shù)據(jù)傳輸。
STL模型是將物體輪廓外形的幾何模型使用三角形集合表現(xiàn),同時(shí)STL模型能夠記錄物體的空間位置信息。所錄入的信息可以很大程度上化簡(jiǎn)模型的重組過(guò)程,有利于系統(tǒng)平臺(tái)后期功能的開(kāi)發(fā)。
基于所設(shè)計(jì)的平臺(tái)系統(tǒng)功能與基本框架并結(jié)合已開(kāi)發(fā)技術(shù)平臺(tái),總體上確立教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的技術(shù)路線,系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基本實(shí)施流程如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基本實(shí)施流程Fig.4 Basic implementation process of system development
系統(tǒng)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)主要可以分為4部分:
1) 前期準(zhǔn)備與技術(shù)分析。從模具專業(yè)課程的教學(xué)特點(diǎn)出發(fā),分析在模具拆裝實(shí)訓(xùn)中的實(shí)際教學(xué)需求,基于實(shí)際教學(xué)需要與用戶需求,進(jìn)行軟件平臺(tái)相關(guān)功能的開(kāi)發(fā)以及平臺(tái)內(nèi)實(shí)訓(xùn)資源的內(nèi)容規(guī)劃。通過(guò)運(yùn)用系統(tǒng)的相關(guān)開(kāi)發(fā)平臺(tái),分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的難點(diǎn)問(wèn)題,并進(jìn)一步規(guī)劃系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的前期準(zhǔn)備工作。
2) 數(shù)字模型的三維實(shí)體建模。Virtools軟件平臺(tái)的內(nèi)置環(huán)境中沒(méi)有數(shù)字模型的三維實(shí)體模型創(chuàng)建功能,需要使用第三方實(shí)體建模軟件對(duì)模具相關(guān)零部件的數(shù)字模型進(jìn)行建模[12]。本虛擬實(shí)訓(xùn)工場(chǎng)平臺(tái)選用 UG NX 軟件對(duì)模具數(shù)字模型進(jìn)行三維建模,再使用3D-MAX軟件對(duì)新建的模具數(shù)字模型進(jìn)行視覺(jué)外觀的渲染與細(xì)節(jié)的處理。UG NX軟件在模具的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)中得到廣泛的應(yīng)用,是現(xiàn)今模具領(lǐng)域中主要使用的三維設(shè)計(jì)軟件[13]。UG NX軟件中可以選擇調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的模具模架庫(kù),有利于相關(guān)零部件的高效設(shè)計(jì)建模。3D-MAX軟件也是被廣泛使用的三維建模軟件,主要用在影視制作、產(chǎn)品樣式與外型的設(shè)計(jì)等方面。模具相關(guān)零部件的建模選用UG NX軟件,之后再由3D-MAX軟件進(jìn)行模具數(shù)字模型的外觀處理與渲染。選用多軟件組合的設(shè)計(jì)路線搭配主要是為了結(jié)合不同軟件的特點(diǎn),利用各軟件的優(yōu)勢(shì),使三維模具零部件數(shù)模的創(chuàng)建與設(shè)計(jì)過(guò)程達(dá)到最優(yōu)化。
3) 系統(tǒng)平臺(tái)功能的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)。在結(jié)束模型渲染環(huán)節(jié)所選數(shù)據(jù)的預(yù)處理之后,將模具的數(shù)模通過(guò)插件輸出保存為CMO或NMO格式的數(shù)據(jù)文件,完成3D-MAX和 Virtools文件的對(duì)接與整合操作。輸入的模具數(shù)字模型用作平臺(tái)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層進(jìn)行儲(chǔ)存,之后使用Virtools軟件并通過(guò)調(diào)用其儲(chǔ)存數(shù)據(jù)完成后期平臺(tái)系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與調(diào)整測(cè)試。Virtools軟件應(yīng)用的是模塊化的編程方式,并提供了大量的互動(dòng)行為模塊,只需要經(jīng)過(guò)合適的搭配套用與連接設(shè)定,即可實(shí)現(xiàn)快速編程,開(kāi)發(fā)出復(fù)雜的交互式應(yīng)用程序。模具數(shù)模文件數(shù)據(jù)的調(diào)用與其優(yōu)化處理是軟件平臺(tái)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié),關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行速度和穩(wěn)定性。
4) 虛擬軟件的發(fā)布。在Virtools軟件中可選擇html與exe兩種文件格式進(jìn)行產(chǎn)品的發(fā)布。筆者選用exe文件格式將所整合打包后的虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)工場(chǎng)教學(xué)平臺(tái)軟件發(fā)布。
模具虛擬拆裝功能是所設(shè)計(jì)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的核心功能,其功能實(shí)現(xiàn)的思路流程如圖5所示。基于平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與規(guī)劃,應(yīng)用網(wǎng)狀拆裝序列模型作為實(shí)現(xiàn)模具虛擬拆裝功能的理論基礎(chǔ),之后運(yùn)用軟件編程開(kāi)發(fā)出實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)平臺(tái)內(nèi)模具虛擬拆裝功能。
圖5 實(shí)現(xiàn)虛擬拆裝功能的思路流程Fig.5 The thought process of achieving the virtual disassembly function
筆者設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的平臺(tái)系統(tǒng)基本操作流程如圖6所示。該系統(tǒng)使用數(shù)字模具模型作為載體,并通過(guò)使用配套設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)功能在模具教學(xué)中實(shí)現(xiàn)交互操作,所設(shè)計(jì)的模具零部件組成認(rèn)知功能與虛擬拆裝教學(xué)功能,在模具實(shí)訓(xùn)過(guò)程中滿足教學(xué)需求。
圖6 基本操作流程圖Fig.6 Basic operation flow chart
筆者設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)在模具教學(xué)中的具體交互過(guò)程可以進(jìn)一步分解為如下功能流程: 1) 用戶啟動(dòng)虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)工場(chǎng)教學(xué)平臺(tái),調(diào)入在接下來(lái)實(shí)訓(xùn)過(guò)程中所要使用的模具數(shù)字模型;2) 運(yùn)用模具觀察工具、模具相關(guān)理論知識(shí)索引查找和模具視圖顯示切換等功能,實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)模具總體結(jié)構(gòu)和模具零部件的深入觀察認(rèn)知;3) 在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中,學(xué)生使用外接設(shè)備操作模具的數(shù)字模型從而進(jìn)行虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié);4) 系統(tǒng)在后臺(tái)中儲(chǔ)存學(xué)生模具拆卸與裝配操作步驟,并將其存至數(shù)據(jù)表格,再對(duì)學(xué)生的每個(gè)操作步驟進(jìn)行量化打分,實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的實(shí)訓(xùn)考核;5) 教師通過(guò)設(shè)置平臺(tái)中所需功能的相關(guān)參數(shù),進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)調(diào)整模具拆卸與裝配難易程度、設(shè)置實(shí)訓(xùn)考核模塊的啟用與關(guān)閉以及選擇性導(dǎo)出學(xué)生的實(shí)訓(xùn)考核分?jǐn)?shù)等功能。
前述的整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)功能可以滿足模具拆裝實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容的需求。此部分將以減速器蓋的壓鑄模具虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)為例,具體說(shuō)明模具虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)工場(chǎng)教學(xué)平臺(tái)在實(shí)際教學(xué)中應(yīng)用的效果。
減速器蓋壓鑄模具的具體結(jié)構(gòu)組成中包含多種零部件,如頂桿、推板、導(dǎo)套、導(dǎo)柱和澆口套等。通過(guò)分析整個(gè)減速器蓋壓鑄模具中零部件的拆裝關(guān)系,對(duì)應(yīng)創(chuàng)建出拆卸與裝配的序列圖。模具拆裝過(guò)程不只是簡(jiǎn)單的倒序關(guān)系,必須具體分析各個(gè)類型模具相應(yīng)的拆裝關(guān)系,以確定規(guī)范正確的模具拆卸與裝配序列。
模具虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)工場(chǎng)平臺(tái)拆卸操作過(guò)程頁(yè)面如圖7所示,通過(guò)程序所實(shí)現(xiàn)的拆裝數(shù)據(jù)的運(yùn)算,在壓鑄的數(shù)字模型上實(shí)現(xiàn)虛擬拆卸與裝配操作功能。
圖7 拆卸操作過(guò)程頁(yè)面Fig.7 Disassembly operation process page
正確選擇使用模具拆卸與組裝工具是模具拆裝實(shí)訓(xùn)中重要的教學(xué)內(nèi)容。模具的拆卸與組裝工具具有多樣性,包含套筒扳手、鋼絲繩、螺釘旋具、管子鉗、銅錘、銅棒、鉗子和撬棒等工具。在模具拆裝時(shí),學(xué)生通過(guò)分析各種類型的模具結(jié)構(gòu)零件以選取對(duì)應(yīng)的模具拆卸與組裝工具。工具選取頁(yè)面如圖8所示,基于壓鑄模具在實(shí)際的模具拆卸與組裝階段所選用工具的具體使用情況,將拆卸與組裝過(guò)程中所使用工具的信息相對(duì)應(yīng)地添加到模具拆卸表與裝配表的工具欄中,在系統(tǒng)平臺(tái)中判斷所選模具拆卸工具是否準(zhǔn)確。
圖8 工具選取頁(yè)面Fig.8 Tool selection page
在總體實(shí)現(xiàn)壓鑄模具虛擬拆裝過(guò)程中所需的系統(tǒng)功能后,學(xué)生可使用鼠標(biāo)選擇模具的數(shù)字模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)模具的虛擬拆卸與裝配實(shí)訓(xùn)。本例中壓鑄模具在經(jīng)過(guò)虛擬拆卸過(guò)程后所達(dá)到的效果如圖9所示。
圖9 模具拆卸效果圖Fig.9 Mold disassembly renderings
針對(duì)在傳統(tǒng)模具實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中存在的多種約束,利用虛擬裝配技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出模具虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)工場(chǎng)教學(xué)平臺(tái),運(yùn)用虛擬模具的仿真與交互式操作,實(shí)現(xiàn)模具拆裝教學(xué)實(shí)訓(xùn)。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的智能考核
功能,可以對(duì)學(xué)生實(shí)訓(xùn)中模具拆卸與組裝的具體步驟進(jìn)行量化考核,實(shí)現(xiàn)模具拆裝實(shí)訓(xùn)與考核的一體化。模具虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)工場(chǎng)教學(xué)平臺(tái)已被應(yīng)用于部分高職院校,教學(xué)效果明顯,不僅有效了打破傳統(tǒng)實(shí)物模具教學(xué)設(shè)施中存在的各種局限,而且激發(fā)了學(xué)生對(duì)模具專業(yè)課程知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣。
本文得到了浙江工業(yè)大學(xué)重點(diǎn)教改項(xiàng)目(JG201804)的資助。