注塑虛擬仿真實驗系統的設計與開發

李海豐 劉才遠

（湖北汽車工業學院 材料科學與工程學院，湖北 十堰442002）

1 概述

相比于傳統的線下注塑實驗，虛擬的注塑仿真實驗可以充分發揮安全性高、經濟性及用戶體驗好的特點[1]。虛擬注塑機在PC 端上對實體的注塑機進行仿真，能有效的模仿真實注塑機的操作[2]。由于在PC 端上進行操作，不受場地、時間、人員的限制，對于高校實驗教學而言，屬于完全的“線上”運行，體現了現代化教學的優點。本文使用Solid-works 和UG 三維建模軟件，借助Unity 3D 游戲開發引擎，完成了注塑虛擬仿真實驗系統（1.0）的設計與開發，以期提高實驗教學效果。

2 系統開發流程

2.1 系統架構

考慮到本仿真系統主要面向我校高分子材料科學與工程專業學生進行演示實驗，教學目標是要求學生認識并掌握注塑工藝的過程、設備（含模具）的主要結構。因此仿真系統的設計應包含注塑工藝過程演示和設備演示兩個模塊。Unity 3D 是一款互動內容創作軟件，可作為銜接虛擬產品和真實產品之間的橋梁[3]。基于此，借助Unity 3D 的實時渲染技術，以Mono Develop 為程序編輯平臺、C#為編程語言來實現注塑虛擬仿真實驗系統的開發，其開發過程均在Unity 3D 上完成。系統的架構如圖1 所示。

圖1 注塑虛擬仿真實驗系統的架構

2.2 模型準備

2.2.1 注塑機三維模型建立

注塑機是一種機電一體化很強的機械設備，主要由注塑系統、鎖模系統、液壓系統、加熱冷卻系統、電氣控制系統、加料裝置和機身等組成。各種注塑機在成型時的運動狀態可能不完全相同，但其基本過程是相似的[4]。仿真系統的開發首要的建立仿真對象的模型，Solid-works 是一款在Windows 上開發三維CAD軟件，因其“全動感”界面和強大的特征建立能力在機械設計領域廣泛運用。基于此，使用Solid-works 三維建模技術建立注塑機的三維模型，主要包括注射結構、鎖模結構、開合模液壓結構、加料機構和機身等。系統開發目前處于低版本階段，因此暫且考慮設備的運動仿真，對電器控制系統進行簡化設計，建立的注塑機整體結構和內部結構模型如圖2 所示。

圖2 注塑機結構模型

2.2.2 零件模具三維模型建立

UG（Unigraphics NX）是一個交互式CAD/CAM 系統，可輕松實現各種復雜實體及造型的建構，在模具設計行業廣泛應用。基于UG 強大的模具開發插件，運用UG 三維建模技術建立模具的三維模型，主要包括成型零件、澆注系統、導向機構、頂出裝置、冷卻加熱系統和排氣系統等[5]。

3 系統的設計

3.1 工藝仿真的設計

考慮到學生初次接觸注塑成型，所學知識暫時停留在書本理論階段，為便于學生理解、認識，工藝過程的仿真按照注塑過程的五個階段設計了對應的五個子系統，同時還加上了取件和零件外觀展示，這樣既方便學生認識了解注塑件外觀質量及缺陷，也為后續版本的升級擴展（如注塑工藝有限元分析、質量缺陷改進等）提供了接口。所有的仿真過程都基于系統主界面的注塑機虛擬模型上進行，操作者可以通過控制UI 來進行仿真實驗，工藝過程仿真系統如圖3 所示。

圖3 工藝仿真系統

3.2 設備仿真的設計

設備（含模具）的演示是整個仿真實驗的難點，涉及到材料（特性）、工藝（成型原理）、設備（工作原理）三方面因素。對此，設計了注塑機結構演示、模具結構演示兩個子系統（圖4），其中后者加載有模具拆裝的實訓視頻，方便學生觀看學習了解，以有效的幫助學生更好的認識注塑機和模具的結構和運動過程。

圖4 設備仿真系統

3.3 基于Unity 3D 引擎的虛擬仿真系統設計

本系統軟件主體為注塑機的三維模型，注塑機的控制UI 分別為：UI1（注塑機演示）、UI2（模具演示）、UI3（工藝演示）、UI4（退出按鈕）、UI5（合模按鈕）、UI6（注塑成型按鈕）、UI7（開模按鈕）、UI8（頂出控制按鈕）、UI9（取件按鈕）、UI10（順時針旋轉按鈕）、UI11（停止旋轉按鈕）、UI12（逆時針旋轉按鈕）。其中注塑機的控制UI 都獨立于注塑機之外，便于學生對實驗中的設備、模具、工藝選擇性操作。開發的仿真系統界面如圖5 所示。

圖5 仿真系統界面

4 結論

虛擬仿真實驗系統的設計與開發是高校實驗教學改革的一個發展方向，其意義不僅僅是教學效果的提升，更關系到教學理念、教學方式乃至人才培養的變革，特別是在2020 年“新冠”疫情的影響下更甚。利用傳統的三維軟件建模，結合Unity 3D開發引擎，設計開發的注塑虛擬仿真實驗系統真實度高、沉浸感強，不僅解決了線下教學“人、財、物”的問題，更激發了學生的學習動機，是高校“虛實結合”、“線上線下混合式教學”教學手段的重要體現。本仿真系統目前只是低階版本，后續仍需要對注塑材質分析選擇、流動性分析、質量缺陷改進、人機交互、教學考核評價、實驗思考題等模塊設計完善，以最終實現“功能齊全、效果顯著、持續升級”的建設目標。