交互式模具虛擬實驗系統的開發

李建新， 午麗娟， 王曉梅

（上海電機學院 機械學院，上海200245）

0 引 言

隨著國家經濟結構的調整和一系列政策的實施，中國制造正在朝中國智造轉變。作為培養應用技術型人才的本科院校，在專業設置、培養方案、實驗教學模式等方面應積極創新改革以適應企業技術革新、產業升級對應用技術型人才的需求。模具課程作為材料成型與控制本科專業的骨干課程，是理論與實踐有機結合的綜合應用課程。模具實驗教學是模具課程教學中一個重要的教學環節。通過模具實驗教學可以認知模具的結構、功能、成型工藝。由于模具產品種類多樣，不同產品所需的模具結構功能各異，模具結構認知一般通過拆裝具有代表性的模具來完成。實物拆裝典型模具的優點是直觀、形象，可增加感性認知。但大多模具實驗室受場地、時間、模具種類、拆裝難易程度等的限制，同時供拆裝實驗用的模具的安全管理、維護、更新比較困難，難以進一步提升學生對模具設計、制造、成型工藝相關知識的熟練掌握。為此，提出了開發交互式模具虛擬實驗系統的構想。基于UG軟件，開發一套方便學生學習、教學互動性強的交互式模具虛擬實驗系統。可以結合模具實物拆裝實驗，提高實驗教學效果，對提高學生對模具知識的學習效率、掌握模具實際工程應用能力都具有重要意義。

1 交互式模具虛擬實驗系統開發思路

構建交互式模具虛擬實驗系統，主要包括模具結構功能演示、模具虛擬拆裝實訓、模具虛擬運動仿真、模具虛擬實驗評價4個功能模塊。另開發相應工具箱輔助實現上述4個功能模塊。現就這4個主要功能模塊開發思路進行介紹。

1.1 模具結構功能演示

按照模具的分類方法，通過模具虛擬實驗系統了解冷沖壓模具和塑料模具典型模具系統的組成部分，以及模具工作原理及成型工藝，同時提供標準部件。如冷沖壓級進模系統的送料機構、卸料機構，注塑模具中的澆口等。利用UG平臺提供諸如設置透明度、縮放、旋轉、平移、隱藏部件、顯示部件、剖面顯示等觀察工具。

1.2 模具虛擬拆裝實訓

模具虛擬拆裝實訓是交互式模具虛擬實驗系統的核心部分，模塊主要包括：1）標準的模具裝配演示，通過播放裝配過程動畫配以必要的文字說明，觀察裝配完好的模具，熟悉模具零部件的裝配順序。同時通過對模具的旋轉、放大觀察、驗證相關理論知識。2）實現模具自主拆裝實訓，模具拆裝可以采用從上到下的柱狀式拆裝，也可以采用從內到外的功能樹式拆裝。裝配開發的思路是，利用模塊爆破功能把整體模具數字化模型中所有的零部件拆開，散落在四周，學生按自己的裝配設計依次點擊圖中零部件。系統判斷選擇對錯，同時提示下一步備選零部件。裝配結束后，系統提示“裝配結束”。拆裝過程與裝配流程相反，在拆裝的過程中提供拆裝工具庫，加強拆裝工具的熟練使用。系統會及時提示拆裝部件位置是否準確到位，交互式提醒學生拆裝錯誤信息。

1.3 模具虛擬運動仿真

啟動UG6.0,進入交互式模具虛擬實驗系統，打開三維模具文件，利用UG仿真工具箱，輸入相關運動參數后，進行模具仿真過程。在仿真過程中，學生可以在仿真停止或暫停狀態下，點擊系統幫助工具知識索引文件，查詢相關機構的知識。以冷沖模為例，仿真初始狀態為上下模分離狀態，仿真開始后，上模與下模閉合，經過送料、壓料、成型、卸件，回到原始狀態，完成一個沖壓進程。仿真過程可以實現仿真連續進行或單步仿真，同時仿真停止狀態下，利用系統幫助工具查詢模具結構和相關知識。

1.4 模具虛擬實驗評價

建立交互式模具虛擬實驗系統，是基于模具設計、制造、裝配、維護的項目驅動理念。通過模擬模具工業真實環境，可以更好地實現模具專業理論知識和實踐動手能力的銜接。教師通過模具虛擬實驗評價模塊，可以了解學生對模具結構、功能、制造工藝、材料成型過程知識的認知水平，從而做出科學合理的評價。

2 交互式模具虛擬實驗系統實現方法

交互式模具虛擬實驗系統基于UG6.0三維軟件系統，利用UG二次開發工具以及Visual B 6.0。通過模具數字化建模、功能工具開發、模具數據庫構建，完成交互式模具模擬實驗系統。模具數據庫采用參數化設計，可以通過不同參數輸入，構建典型的模具實例，學生通過系統拆裝演示、自主拆裝、運動仿真、結構認知以及模具數字模型旋轉、縮放、平移、透明、隱藏、剖面觀察工具，并結合對應真實模具拆裝可以實現模具虛實教學最理想的教學效果。

2.1 模具結構功能演示

典型模具結構分析演示和相關知識點的文字敘述是模具結構演示模塊要實現的主要功能，其實現需要事先在模塊后臺做好數據庫準備，根據模具機構的功能分類，在UG下，點擊模具結構樹狀結構分布圖，每一個結構通過鏈接模式進入到EXCEL模式，通過EXCEL表格查閱模具結構名稱、功能以及制造工藝。EXCEL表格的文件名是模具結構部件名稱和組件在裝配狀態下零件序列號的組合信息，供模具結構演示中查詢相關信息使用。

2.2 模具虛擬拆裝實訓模塊

模具虛擬拆裝實訓模塊包括兩個部分：1）標準的模具裝配演示，教師在UG裝配環境下，演示標準模具裝配效果圖、模具零部件爆炸效果圖，同時展示標準模具數模的零部件層次樹狀結構圖，讓學生熟悉正確的模具零部件裝配順序。2）模具自主拆裝實訓，由于UG爆炸圖功能有限，無法滿足自主拆裝所需要的功能要求，需要自主開發存函數支持零部件拆裝時移動箭頭指示動能，以此為基礎完成自主拆卸與裝配。在自定義部件移動箭頭的過程中，需要更新裝配體裝配狀態，需要關閉文件再按照原始狀態重新打開。

模具自主裝配過程要比自主拆卸的順序判斷過程復雜，需要在軟件后臺做必要的技術處理。按照正確的裝配順序在模具所有零部件文件名后綴中加以體現零部件的裝配優先權。如果后綴中是A，則表示該零部件是需要第一個裝配的。若裝配正確，系統會提示裝配正常，提示下一步操作，同時顯示下一步裝配零部件。若裝配順序錯誤，則系統彈出裝配錯誤提示框。需要重新選擇正確裝配零部件。

為了更清楚地看到裝配過程和裝配零部件間的尺寸配合關系，自主裝配過程采用定位、移動、貼合三步，每步之間均有時間間隔，零部件裝配到位后，高亮顯示配合部分，學生可以判斷裝配是否準確。全部裝配完成后，系統會提示模具裝配結束。

2.3 虛擬運動仿真模塊

虛擬運動仿真模塊的實現主要利用UG軟件現有的運動仿真模塊來進行，利用宏拓展運動仿真模塊的功能。點擊運動仿真實驗模塊，系統切換到運動仿真操作界面，點擊該模塊相關工具條，輸入模具運動參數，保存后點擊完成，然后點擊播放按鈕，模具開始仿真模具運動。在運動過程中，通過點擊暫停按鈕，借助模具模型的旋轉、隱藏、透明度設置可以觀察模具系統內外部結構和零部件的運動和彼此的裝配情況。

3 交互式模具虛擬拆裝實驗系統應用

圖1所示為開發交互式模具虛擬拆裝實驗系統拆裝演示，在系統虛擬拆裝模塊下進行。通過點擊模型爆破圖標，將所選模具模型依序爆破分解。學生借此可以觀察模具系統零部件之間的配合關系。

圖1 模具虛擬拆裝演示

圖2所示為所開發系統自主拆裝模塊自主裝配圖，點擊自主安裝菜單選項，系統自動更新為零部件散落狀態，學生按照合理裝配序列依次點擊選中的零部件模型進行裝配，在系統裝配零部件提示下，自我判斷所選的零部件是否最優。

圖3所示為模具運動仿真圖，在運動仿真操作界面，點擊播放按鈕，模具開始運動，注意觀察運動期間模具系統零部件相對運動時彼此之間的約束關系。

圖2 模具自主裝配圖

圖3 模具運動仿真圖

4結 論

模具實驗教學是模具課程教學中的一個重要的教學環節。通過模具實驗教學可以認知模具的結構、功能、成型工藝。由于模具產品種類多樣，不同產品所需的模具結構功能各異，傳統模具實驗教學通過拆裝具有代表性的模具來完成教學。實物拆裝典型模具的優點是直觀、形象，有利于增強感性認知。但受場地、時間、模具種類、模具套數、拆裝難易程度等的限制，難以進一步提高學生對模具設計、制造、成型工藝相關知識的熟練程度。基于UG開發的交互式模具虛擬實驗系統開放性好、教學互動性強，可以結合模具實物拆裝實驗，提高實驗教學效果，對提高學生模具知識學習效率、掌握模具實際工程應用能力都具有重要意義。

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