模具虛擬拆裝實訓平臺開發及其在教學中的應用

(1.浙江工業大學 材料科學與工程學院，浙江 杭州 310014；2.杭州科技職業技術學院，浙江 杭州 311402；3.浙江大學 化工機械研究所，浙江 杭州 310058)

模具是工業生產的基礎裝備，隨著經濟的高速增長，汽車、船舶、家用電器和醫療器械等領域快速發展，同時也極大促進了模具工業的進步[1]。模具工業領域發展的關鍵是“高質量”，人才是模具產業高質量發展的核心力量，因此模具工業的快速發展對相關從業人員的綜合素質提出了更高的標準[2]。目前，在模具行業的企業中十分缺少能夠熟練使用新設備、新技術和新工藝的專業人才[3-4]。因此，培養模具行業中高水平人才的重要性日益突出，各高校與職業院校模具專業學生群體的教育方式應與模具行業發展的新需求相適應。實踐教學是重要的教學環節，在實踐教學的過程中不僅可以充分激發學生的學習興趣，而且可以使學生對相關理論知識的理解更加深入，提高學生的動手能力。互動式的實踐教學也是提高教學質量的關鍵[5]。隨著教學技術的飛速發展以及和模具專業相適應的教學需求不斷提高，現有實體模型拆裝實踐的弊端日益突出，主要表現在：1) 教學成本過高；2) 實踐內容和教學功能中存在一定的局限；3) 教學效果受多種條件約束；4) 教具種類有限，難以更新；5) 教學管理較為困難。

虛擬樣機技術是隨著當今計算機領域快速發展而新興的一種計算機輔助工程技術，該技術已經在國內外工業設計與教育領域得到了一定程度的應用[6-10]。虛擬裝配技術是虛擬樣機在整機裝配中的一種典型應用。筆者針對傳統實體模型拆裝教學實踐中存在的多種問題，開發出“模具虛擬拆裝實訓工場”教學平臺，運用計算機虛擬裝配技術進行模具結構分析、模具拆卸組裝練習以及模具運動模擬，實現師生之間的交互式實踐教學，以期為學生建立一個良好的模具知識學習平臺。

1 模具虛擬拆裝實訓工場教學平臺的內容規劃

基于模具拆卸與裝配的實際教學需求，總體上可以確定所設計的教學平臺包含的主要內容有：模具結構的認知、模具工況仿真模擬演示、模具拆裝仿真模擬演示、模具拆裝實訓和模具拆裝實訓結果量化考核，其內容規劃如圖1所示。

圖1 虛擬拆裝實訓工場教學平臺的內容規劃Fig.1 Content planning of virtual disassembly and assembly training workshop teaching platform

系統演示中模具運動的模擬包括：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模、定模和導柱等部分的運動情況；模具拆裝模擬仿真主要是在學習模具的拆卸與組裝時為學生提供相應的指導。

教學平臺從模具種類的角度對模具的模型庫進行橫向擴展，進一步豐富了模具課程教學的教育資源，所擴展的模型庫包含沖壓模具、注塑模具、鍛造模具和壓鑄模具4個部分。每個種類的模具都是由簡單的模具結構模型和結構更為復雜的模具實例模型組成，其模型用于模具結構的認知學習。

2 虛擬拆裝實訓工場平臺功能模塊

虛擬拆裝實訓中所需的功能可以概括為以下5部分的內容：模具結構觀察、模具仿真演示控制、模具拆裝實訓、實訓考核及相關功能系統參數配置。將模具虛擬拆裝實訓工場系統實現的功能進行整合，然后再將其功能進一步細化，設計出完整的軟件系統實現功能。

2.1 結構觀察工具

模具結構觀察工具的作用是使學生在模具零部件組成的學習環節中進一步加深對模具結構的理解，并且通過索引多種類型模具的相關理論知識，使學生對不同種類模具的零件組成都有準確的認識。模具結構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、旋轉和縮放等動態操作的多視角觀察工具)、模具零部件理論知識的索引查找、選擇切換不同的視圖顯示模式(例如切換顯示模具的真實外觀、模具模型多色彩外觀等)。

2.2 拆裝仿真演示控制

筆者設計開發的教學平臺系統中包含的模擬仿真演示的內容主要可分為兩個部分：工況模擬仿真與拆裝過程模擬仿真。模具模擬仿真演示可以使學生更直觀地觀察模具拆裝的具體過程與步驟，從而進一步掌握模具拆裝操作的相關知識。此外，受訓人員能夠應用拆裝模擬仿真演示控制工具控制演示進行的過程，從而方便觀察模具動態運動過程。

2.3 模具虛擬拆裝操作

模具的虛擬拆裝實訓模塊是筆者設計的教學平臺的核心組成部分。模具虛擬拆裝實訓功能部分所實現的具體效果是：用戶使用鼠標選取需要操作的模具零件進行拆卸和組裝操作，該系統平臺可以為用戶在拆卸和組裝模具的過程中提供建議和幫助，從而引導用戶實現最優的模具拆裝步驟；除此之外，結合相關功能的系統參數配置，可以將模具拆卸工具的選用練習添加到模具虛擬拆裝實訓過程中，從而提高用戶在模具虛擬拆裝實訓中的操作難度。

該平臺應用網狀拆裝序列模型，從而解決開發需要的序列規劃問題。完成網狀拆裝序列模型首先要得到正確的網狀拆裝序列圖，對網狀拆裝序列圖的遍歷過程即為拆裝次序的實現過程。確定用戶的選擇意圖與判斷用戶所選的節點是否滿足可操作條件是拆裝次序實現過程中的兩個要點。虛擬拆裝操作具體的實現流程如圖2所示。

圖2 虛擬拆裝操作流程圖Fig.2 Flow chart of virtual disassembly and assembly operations

2.4 拆裝實訓成績考核功能

平臺提供實訓智能考核功能，智能考核功能可以記錄用戶在模具虛擬拆裝過程中的每個操作步驟，并判斷用戶操作步驟和相應拆裝工具選擇的正確性。實訓智能考核功能要求用戶在開始拆裝實訓之前輸入姓名和相應學號，以此為基礎記錄實訓考核評估結果。通過分析智能考核功能所要滿足的效果需求，確定智能考核應對用戶虛擬拆裝模具的過程作出評估，并且以打分的方式實現對用戶虛擬拆裝模具過程的量化考核，科學記錄和輸出用戶成績。

2.5 系統相關參數配置

系統相關參數配置主要用于自定義設置模具拆裝操作情況評估考核、拆裝工具選用情況考察等功能的參數，方便教師在實訓教學環節中按照需求選擇是否將分數輸入到考核系統中，是否考察模具相關理論知識，是否保存操作步驟以及是否設置實訓過程中錯誤操作次數上限等。

3 模具虛擬拆裝實訓工場平臺的構建與開發

3.1 總體框架構建

通過對軟件平臺系統功能的詳細設計，總體上建立了虛擬模具拆裝實訓教學平臺的框架結構，系統基本框架如圖3所示，其總體是由數據使用管理與數據層構成。數據使用管理是系統的主要內容，數據使用管理直接面向用戶；數據層是系統的基礎，為系統數據的調用與管理提供了數據基礎，用戶可以通過數據層實現選擇和調用資源。

圖3 系統基本框架Fig.3 System basic framework

3.2 開發技術路線

使用法國達索公司的Virtools軟件作為系統開發平臺，Virtools軟件作為一套整合軟件，可將二維圖形、三維模型等數據文件進行整合[11]；選用 UG NX 軟件對平臺中所需要的模具數字模型進行快速、準確建模；選用 3D-MAX軟件制作處理模具數字零部件、標準件等模型的外觀與動畫。使用STL文件格式用于所選用軟件之間的文件數據傳輸。

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，同時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模型的重組過程，有利于系統平臺后期功能的開發。

基于所設計的平臺系統功能與基本框架并結合已開發技術平臺，總體上確立教學平臺系統設計開發的技術路線，系統開發基本實施流程如圖4所示。

圖4 系統開發基本實施流程Fig.4 Basic implementation process of system development

系統平臺的開發實現主要可以分為4部分：

1) 前期準備與技術分析。從模具專業課程的教學特點出發，分析在模具拆裝實訓中的實際教學需求，基于實際教學需要與用戶需求，進行軟件平臺相關功能的開發以及平臺內實訓資源的內容規劃。通過運用系統的相關開發平臺，分析系統設計開發中的難點問題，并進一步規劃系統軟件開發的前期準備工作。

2) 數字模型的三維實體建模。Virtools軟件平臺的內置環境中沒有數字模型的三維實體模型創建功能，需要使用第三方實體建模軟件對模具相關零部件的數字模型進行建模[12]。本虛擬實訓工場平臺選用 UG NX 軟件對模具數字模型進行三維建模，再使用3D-MAX軟件對新建的模具數字模型進行視覺外觀的渲染與細節的處理。UG NX軟件在模具的設計與開發中得到廣泛的應用，是現今模具領域中主要使用的三維設計軟件[13]。UG NX軟件中可以選擇調用標準的模具模架庫，有利于相關零部件的高效設計建模。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、產品樣式與外型的設計等方面。模具相關零部件的建模選用UG NX軟件，之后再由3D-MAX軟件進行模具數字模型的外觀處理與渲染。選用多軟件組合的設計路線搭配主要是為了結合不同軟件的特點，利用各軟件的優勢，使三維模具零部件數模的創建與設計過程達到最優化。

3) 系統平臺功能的開發與實現。在結束模型渲染環節所選數據的預處理之后，將模具的數模通過插件輸出保存為CMO或NMO格式的數據文件，完成3D-MAX和 Virtools文件的對接與整合操作。輸入的模具數字模型用作平臺系統的數據層進行儲存，之后使用Virtools軟件并通過調用其儲存數據完成后期平臺系統功能的設計開發與調整測試。Virtools軟件應用的是模塊化的編程方式，并提供了大量的互動行為模塊，只需要經過合適的搭配套用與連接設定，即可實現快速編程，開發出復雜的交互式應用程序。模具數模文件數據的調用與其優化處理是軟件平臺系統的重要環節，關系到系統運行速度和穩定性。

4) 虛擬軟件的發布。在Virtools軟件中可選擇html與exe兩種文件格式進行產品的發布。筆者選用exe文件格式將所整合打包后的虛擬拆裝實訓工場教學平臺軟件發布。

3.3 模具虛擬拆裝的實現思路

模具虛擬拆裝功能是所設計虛擬實訓平臺的核心功能，其功能實現的思路流程如圖5所示。基于平臺的開發與規劃，應用網狀拆裝序列模型作為實現模具虛擬拆裝功能的理論基礎，之后運用軟件編程開發出實訓系統平臺內模具虛擬拆裝功能。

圖5 實現虛擬拆裝功能的思路流程Fig.5 The thought process of achieving the virtual disassembly function

4 模具虛擬拆裝實訓工場平臺的基本操作流程

筆者設計開發的平臺系統基本操作流程如圖6所示。該系統使用數字模具模型作為載體，并通過使用配套設計開發的系統功能在模具教學中實現交互操作，所設計的模具零部件組成認知功能與虛擬拆裝教學功能，在模具實訓過程中滿足教學需求。

圖6 基本操作流程圖Fig.6 Basic operation flow chart

筆者設計開發的系統在模具教學中的具體交互過程可以進一步分解為如下功能流程： 1) 用戶啟動虛擬拆裝實訓工場教學平臺，調入在接下來實訓過程中所要使用的模具數字模型；2) 運用模具觀察工具、模具相關理論知識索引查找和模具視圖顯示切換等功能，實現學生對模具總體結構和模具零部件的深入觀察認知；3) 在實訓過程中，學生使用外接設備操作模具的數字模型從而進行虛擬拆裝實訓環節；4) 系統在后臺中儲存學生模具拆卸與裝配操作步驟，并將其存至數據表格，再對學生的每個操作步驟進行量化打分，實現對學生的實訓考核；5) 教師通過設置平臺中所需功能的相關參數，進一步實現調整模具拆卸與裝配難易程度、設置實訓考核模塊的啟用與關閉以及選擇性導出學生的實訓考核分數等功能。

5 模具虛擬拆裝實訓工場平臺應用實例

前述的整個系統平臺功能可以滿足模具拆裝實訓教學內容的需求。此部分將以減速器蓋的壓鑄模具虛擬拆裝實訓為例，具體說明模具虛擬拆裝實訓工場教學平臺在實際教學中應用的效果。

減速器蓋壓鑄模具的具體結構組成中包含多種零部件，如頂桿、推板、導套、導柱和澆口套等。通過分析整個減速器蓋壓鑄模具中零部件的拆裝關系，對應創建出拆卸與裝配的序列圖。模具拆裝過程不只是簡單的倒序關系，必須具體分析各個類型模具相應的拆裝關系，以確定規范正確的模具拆卸與裝配序列。

5.1 拆卸操作過程頁面

模具虛擬拆裝實訓工場平臺拆卸操作過程頁面如圖7所示，通過程序所實現的拆裝數據的運算，在壓鑄的數字模型上實現虛擬拆卸與裝配操作功能。

圖7 拆卸操作過程頁面Fig.7 Disassembly operation process page

5.2 模具拆裝工具選用功能

正確選擇使用模具拆卸與組裝工具是模具拆裝實訓中重要的教學內容。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，學生通過分析各種類型的模具結構零件以選取對應的模具拆卸與組裝工具。工具選取頁面如圖8所示，基于壓鑄模具在實際的模具拆卸與組裝階段所選用工具的具體使用情況，將拆卸與組裝過程中所使用工具的信息相對應地添加到模具拆卸表與裝配表的工具欄中，在系統平臺中判斷所選模具拆卸工具是否準確。

圖8 工具選取頁面Fig.8 Tool selection page

5.3 模具拆卸過程

在總體實現壓鑄模具虛擬拆裝過程中所需的系統功能后，學生可使用鼠標選擇模具的數字模型，實現對模具的虛擬拆卸與裝配實訓。本例中壓鑄模具在經過虛擬拆卸過程后所達到的效果如圖9所示。

圖9 模具拆卸效果圖Fig.9 Mold disassembly renderings

6 結 論

針對在傳統模具實踐教學過程中存在的多種約束，利用虛擬裝配技術設計開發出模具虛擬拆裝實訓工場教學平臺，運用虛擬模具的仿真與交互式操作，實現模具拆裝教學實訓。設計開發的智能考核

功能，可以對學生實訓中模具拆卸與組裝的具體步驟進行量化考核，實現模具拆裝實訓與考核的一體化。模具虛擬拆裝實訓工場教學平臺已被應用于部分高職院校，教學效果明顯，不僅有效了打破傳統實物模具教學設施中存在的各種局限，而且激發了學生對模具專業課程知識的學習興趣。

本文得到了浙江工業大學重點教改項目(JG201804)的資助。