可交互冷沖模具模型在移動終端的實現

時虹+吳劍平+鄧銳

摘 要：全國各高等院校模具教學中，由于受到模具模型、機床、實訓場地等條件的限制，教學難度相應增大，教學效果受到影響。隨著虛擬現實技術和智能移動通訊設備的快速發展，開發具有現代高教特色的教學資源，是高等院校改進教學的必要手段。文章通過探討運用三維建模軟件及虛擬現實軟件構建虛擬冷沖模具并應用于智能手機的方法，實現虛擬模具的交互控制。

關鍵詞：模具；虛擬現實；移動終端；智能手機

中圖分類號：TP315 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2945（2017）22-0038-02

引言

隨著我國模具工業的發展，企業對模具一線人才的要求越來越高，因此，以社會需求為目標，為國家培養更多的高技能應用型技術人才，提升模具教學水平已成為當前重要任務。

根據國內外對模具工業的發展前景，結合我國模具教學的特點，按照教學規律運用虛擬現實（VR）技術或增強現實（AR）技術創建虛擬模具空間，實現數據模型的可視化和實時交互功能，通過現代信息化教學手段，將難教、難懂、難學的模具設計與制造專業的教學，變得更輕松，愉快。

1 冷沖模具工業現狀及教學思考

1.1 冷沖模具工業現狀

冷沖模是模具的重要組成部分，占我國模具制造總量的40%左右。冷沖模是指在常溫下將材料通過沖壓設備加工成沖件的一種工藝設備，沖壓設備一般為壓力機，加工材料多為金屬鈑金件。冷沖壓與其他加工方法相比，具有許多優點，如沖件產品基本無需再加工，且質量穩定，互換性好，生產效率高，適合于大批量生產。

現階段，中國模具制造技術水平相對較低，與德國、美國、日本等發達國家相比還存在較大差距。中國模具加工企業因研發低端模具設備產品過多，造成市場供過于求，為解決產能過剩問題，又打起價格戰，造成了市場的混亂。截止2016年數據顯示，中國高端模具加工設備占市場高端模具總需求不足40%，市場技術競爭力缺乏。

中國的模具企業必須從國家模具市場的需求出發，及時調整戰略布局，才能在市場上更加健康有效地發展。

1.2 冷沖模具教學思考

冷沖模具課程是模具專業一門重要的專業必修課程，其教學任務對冷沖模基本理論知識要求較高，對各種冷沖壓典型模具的結構要求理解，對冷沖模具工作原理能進行分析，對冷沖模具在國民經濟中的應用要充分了解。因此，傳統的理論課教學不能滿足教學要求，必須在教學方式、教學任務、教學考核上做較大改進，即充分利用實訓室設備、互聯網資源、虛擬現實技術、移動終端設備等輔助資源改進教學。虛擬現實技術與移動終端設備的有機結合將大幅提高模具專業的教學效果。

2 冷沖模三維模型的建立

2.1 CAM設計軟件創建模型

冷沖模CAM設計軟件很多，如UG、CREO、CATIA、SOLIDWORKS等，本文采用UG9.0作為冷沖模具開發工具，主要應用的是UG軟件的零件建模、裝配建模以及級進模向導設計等模塊，冷沖模的設計過程如下。

（1）搜集資料，包括產品圖紙、樣品、設計任務書和參考圖樣等。（2）沖壓工藝性分析，確定合理的沖壓工藝方案。

圖1為UG軟件設計的沖模產品三維模型，材料為普通碳素結構鋼Q235。沖壓成型后產品尺寸為：長75mm、寬35mm、厚1mm，沖壓精度等級要求為IT10。從產品結構看，零件沖壓加工比較容易，可利用倒裝式復合模成型。

（3）模架CAM設計。圖2為設計完成的模架效果圖，模架總體尺寸為：長210mm、寬163mm、高158mm。其中圖3為設計完成的落料凹模效果圖。

2.2 數據模型的轉換

虛擬環境的數據模型需應用3DMAX等三維動畫軟件將模型導出到虛擬現實（如UNITY）軟件中，而應用UG建立的模型不能直接導入到3DMAX中，這就需要進行模型數據交換。

（1）數據交換。打開UG設計的模架裝配體，逐一將各個零件導出為STL格式，設置好顯示精度后，全部導入到3DMAX軟件中。當零件較復雜時，上述STL格式模型導入到3DMAX中可能會出現局部三角面片陰影，影響視覺效果，如圖4所示的上模座側邊陰影。雖然通過面片修復可以解決問題，但過程復雜。下面提供一種快速的解決辦法。安裝Rhino（犀牛）軟件，在UG導出上模座模型時選擇導出STP格式的模型數據，然后把數據導入到Rhino軟件中，不需要做任何設置，直接在Rhino軟件中導出為3DS數據。3DS格式是3DMAX的系統格式，導入到3DMAX中的效果如圖5所示，從圖中可以看出各面片顯示質量完好。（2）優化模型數據。導入到3DMAX中的模型需要優化，以減小數據體積。上述的上模座模型導入3DMAX后模型面數為2634個面片，優化模型的方法如下。先將上模座模型轉化為“可編輯多邊形”類型，再點擊石墨工具“Graphite”，選擇“四邊形化全部”命令，即可完成模型的優化。優化后的模型面數為1502個，優化效果顯著。

2.3 制作模架的展開及工作動畫

本例中需要在3DMAX中制作兩個動畫，即模架展開動畫和冷沖壓動畫，模架展開動畫是為了展示模架各零件結構，冷沖壓動畫是為了演示冷沖壓工作過程。動畫制作完成后，將模型導出為FBX格式文件。

3 建立虛擬環境

3.1 PC端虛擬環境的實現

虛擬現實（簡稱VR）是指利用電腦圖形技術模擬產生的三維虛擬空間[1]。虛擬現實開發軟件較多，如Unity、Virtools、VRP等，本例以Unity3D軟件作為發布PC和Android平臺的開發軟件。Unity3D是由丹麥Unity Technologies公司開發的一款跨平臺的游戲開發工具，其功能十分強大。實現PC端虛擬環境的步驟如下。

（1）導入冷沖模FBX模型。在Unity3D中導入上一步輸出的FBX模型，然后將模型的2個屬性參數設置為：模型縮放因子設置為原始比例“1”；動畫類型設置為繼承“Legacy”。設置完成后即可在場景中編輯冷沖模FBX模型。模型編輯的內容包括：FBX模型軸心應放置于世界坐標系原點；添加主攝影機；添加必要的場景燈光；添加空游戲物體作為FBX模型的父物體對象；模型中所有零件添加Shaders高光材質等等。（2）編寫腳本程序。本例模具包含落料模、沖孔模、彎曲模、拉深模等四種沖壓模具，每種模具需要一個獨立的場景，因此需要編寫場景切換的腳本程序。然后添加動畫控制、隱藏零件、透明零件等腳本程序，由于篇幅較大，在此不再贅述。（3）發布PC執行程序。在Unity3D中選擇PC平臺發布設置，調整好參數后即可發布。由于發布后的模型數據完全符合設計尺寸要求，因此觀察的視覺效果非常好。

3.2 移動終端虛擬現實的實現

移動終端是指可以在移動中使用的計算機設備，其移動性主要體現在移動通信能力和便攜化體積。廣義上講包括智能手機、筆記本電腦、POS機、車載電腦等。但是通常情況下是指智能手機和平板電腦。隨著網絡技術的寬帶化以及集成電路的快速發展，移動終端已經擁有了強大的數據處理能力。移動終端正在從簡單的通話工具演變為綜合信息處理平臺。

本例的冷沖模發布Android平臺需要添加必要的腳本，如屏幕設置、觸屏等腳本。發布后獲得一個APK文件，將該文件發布到學校的課程教學網站上，再二維掃碼到智能手機端即可應用。該系統中可實現觸屏滾動、縮放、播放動畫等功能，點擊按鈕后可在四種模具之間切換，以便學習各種模具的結構特征、工作過程等知識。操作界面簡潔友好，符合手機屏幕小的特點。

4 結束語

智能手機作為現代移動通訊設備，功能越來越強大，但屏幕偏小的特點，決定了其在應用程序上難以超越PC平臺。雖然虛擬現實技術在移動終端的應用尚處初級階段，但其在教學中發揮的作用是顯而易見的，可以預見，隨著教學改革的不斷深入，移動教學必將成為中國高職教育不可缺少的重要組成部分。

參考文獻：

[1]王月蓉.淺談虛擬現實技術在教學中的應用[J].無線互聯科技，2013（11）：233-234.