本文摘要：摘要:主要闡述一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)一套完整的虛擬現(xiàn)實(shí)模具教學(xué)系統(tǒng)。教學(xué)系統(tǒng)為模具裝配與調(diào)試定制，完全按照模具裝配過(guò)程工況以及操作需求設(shè)計(jì)，同時(shí)保證使用過(guò)程的友好與穩(wěn)定。構(gòu)建了整套大型覆蓋件模具裝配與調(diào)試數(shù)據(jù)庫(kù)。使用者在操作的過(guò)程中基于虛擬
摘要:主要闡述一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)一套完整的虛擬現(xiàn)實(shí)模具教學(xué)系統(tǒng)。教學(xué)系統(tǒng)為模具裝配與調(diào)試定制，完全按照模具裝配過(guò)程工況以及操作需求設(shè)計(jì)，同時(shí)保證使用過(guò)程的友好與穩(wěn)定。構(gòu)建了整套大型覆蓋件模具裝配與調(diào)試數(shù)據(jù)庫(kù)。使用者在操作的過(guò)程中基于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，高效而又準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)理念，徹底擺脫有理念而無(wú)法快速在常規(guī)軟件中實(shí)現(xiàn)的難題。如果此系統(tǒng)應(yīng)用于高職高專的教學(xué)中，學(xué)生能快速獲取相關(guān)知識(shí)，增加學(xué)生參與興趣，從根本上解決模具教學(xué)的枯燥性。
關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實(shí),模具裝配,模具教學(xué),汽車模具
0引言
模具為制造之母，對(duì)振興中國(guó)制造業(yè)有著至關(guān)重要的作用。在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)，精品模具的發(fā)展主要在歐美以及日本，而國(guó)內(nèi)的發(fā)展則處在初級(jí)階段。在最近10年，隨著CAD(ComputerAidedDesign)與CAE(ComputerAidedEngineering)的普及，國(guó)內(nèi)也進(jìn)入了發(fā)展的快車道[1]，出現(xiàn)了大批優(yōu)秀模具企業(yè)。但是要制造精品模具，還需要更多的投入。CAD與CAE在模具制造中的應(yīng)用也進(jìn)入白熱化。
尋找新的發(fā)展動(dòng)力勢(shì)在必行[2]。當(dāng)前行業(yè)內(nèi)的研究重點(diǎn)主要在智能化與可視化，主要體現(xiàn)在模具工藝設(shè)計(jì)智能化與模具結(jié)構(gòu)裝配、調(diào)試虛擬可視化。美國(guó)華盛頓州立大學(xué)VRCIMA實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一個(gè)在線虛擬的裝配環(huán)境，相關(guān)工作者運(yùn)用這一系統(tǒng)可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期將裝配、拆卸過(guò)程中存在的問(wèn)題考慮進(jìn)去，減少了裝配設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題[3]。
意大利Bologna大學(xué)研發(fā)了關(guān)于CAD的虛擬裝配規(guī)劃與驗(yàn)證系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以用來(lái)評(píng)價(jià)混合樣機(jī)的裝配可行性、裝配技術(shù)以及裝配參數(shù)，而且其插入待裝配元器件的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，完成復(fù)雜裝配流程[4]。國(guó)內(nèi)也做過(guò)類似研究，其中國(guó)家CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)工程技術(shù)研究中心基于三維簡(jiǎn)易模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，其開(kāi)發(fā)了模擬裝配的支持系統(tǒng)，此系統(tǒng)考慮部分設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)[5]。
南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院采用混合虛擬技術(shù)對(duì)飛機(jī)零件裝配過(guò)程中的大量信息進(jìn)行統(tǒng)一和集中管理，減少了裝配誤差并縮短了裝配時(shí)間[6]。國(guó)外研究都相對(duì)寬泛，對(duì)于具體行業(yè)的應(yīng)用沒(méi)有深入，國(guó)內(nèi)的研究以及應(yīng)用主要集中在航空航天等前端制造業(yè)，而對(duì)于龐大經(jīng)濟(jì)體量的汽車模具則少有涉及。本文專注于汽車模具，充分考慮模具公差、間隙、強(qiáng)度、安全等方面，建立實(shí)體數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了裝配與拆分的虛擬數(shù)字化。
1)模具職業(yè)教育。
職業(yè)教育旨在讓受教育者獲得某種職業(yè)或生產(chǎn)勞動(dòng)所需要的職業(yè)知識(shí)、技能，基于基礎(chǔ)工作需求，強(qiáng)調(diào)動(dòng)手能力，職業(yè)教育主要強(qiáng)調(diào)精準(zhǔn)與專業(yè)。同時(shí)，職業(yè)教育一般只有一年的強(qiáng)化學(xué)習(xí)，以實(shí)戰(zhàn)為導(dǎo)向，強(qiáng)化訓(xùn)練符合社會(huì)企業(yè)需求的專業(yè)人才，以利用有限時(shí)間達(dá)到最佳效果[7]。
其中模具教學(xué)從設(shè)計(jì)到制造調(diào)試，涉及諸多知識(shí)。模具設(shè)計(jì)從點(diǎn)線面出發(fā)，構(gòu)造可制造實(shí)體，并且實(shí)現(xiàn)工藝需求，知識(shí)范疇包括公差、裝配、設(shè)備接口、安全等方面。按照沖壓模具設(shè)計(jì)過(guò)程，首先按照工藝需求分成3個(gè)部分:拉延、分離(沖孔與修邊)、二次成形(翻邊與整形)，再在此基礎(chǔ)上逐漸細(xì)分，最終著眼于點(diǎn)、線、面。特征與部件的裝配過(guò)程所涉及的工具操作有標(biāo)準(zhǔn)流程，而部件在UG3D模具設(shè)計(jì)過(guò)程中完成。
當(dāng)前教學(xué)正常狀態(tài)在模具車間完成，但是受限于學(xué)生的安全意識(shí)的限制，大多數(shù)具有危險(xiǎn)性的操作被取消了。所以模具職業(yè)教育的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝配貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程，安全與設(shè)備的限制是短板。受制于安全考慮與空間限制，學(xué)生在實(shí)訓(xùn)的過(guò)程中很難快速成長(zhǎng)。高校也做過(guò)大量嘗試，其中計(jì)算機(jī)專業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在職業(yè)教育中成為創(chuàng)新熱點(diǎn)[8]。
2)虛擬現(xiàn)實(shí)。
增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)新技術(shù)也稱基于工程師編制的數(shù)字環(huán)境，其依托于數(shù)字環(huán)境，擬合實(shí)際狀態(tài)產(chǎn)生虛擬的多維狀態(tài)，為用戶提供友好的交互界面與所需專業(yè)內(nèi)容，讓使用者能夠產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。當(dāng)前5G普及成為大勢(shì)所趨，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也得到強(qiáng)大的推動(dòng)。由于職業(yè)教育的特殊性，5G與虛擬技術(shù)的結(jié)合，讓職業(yè)教育的發(fā)展更高效。
其強(qiáng)調(diào)的是虛擬環(huán)境帶給受眾強(qiáng)烈的沉浸感，從而達(dá)到受眾能在類同于日常生活的狀態(tài)與虛擬世界中的對(duì)象進(jìn)行交互，并提供一個(gè)虛擬的場(chǎng)景來(lái)滿足觀察者在現(xiàn)實(shí)生活中難以實(shí)現(xiàn)的工況與真實(shí)世界之間的聯(lián)系，有相對(duì)較低的硬件要求，同時(shí)由于用戶與真實(shí)世界的聯(lián)系仍然存在，人機(jī)交互方式也就顯得更加自然[9-12]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)的研究與探討，首先在游戲領(lǐng)域廣泛推廣�；谄湟�(guī)避了空間限制，現(xiàn)擴(kuò)展到制造與教育行業(yè)。
1數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建
在模具的三大主要工藝上，模具多分成多工序來(lái)完成，其每一工序又需要一套完整的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)功能性需求。在本文中，將每一工序所需要的零件歸類，主要有24類。非標(biāo)零件在此24項(xiàng)基本零件的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展。職業(yè)教育中，培養(yǎng)目標(biāo)更趨向于實(shí)用性。學(xué)生對(duì)于模具所延伸以及涉及專業(yè)、標(biāo)準(zhǔn)都需要系統(tǒng)掌握。模型也需要關(guān)注其完整性與專業(yè)性。本系統(tǒng)包含的所有模型都是基于在產(chǎn)項(xiàng)目繪制，完全按照實(shí)際生產(chǎn)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求制作。
在本數(shù)據(jù)庫(kù)中，基本元件都是直接調(diào)用，而其調(diào)用規(guī)則都是嵌套于系統(tǒng)后臺(tái)。主數(shù)據(jù)包括底座、壓料板以及上模本體，附帶功能性器件為白色實(shí)體。如果需要擴(kuò)充，可以在平臺(tái)接口直接導(dǎo)入MISUMI(日本三住公司)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)文件，通過(guò)簡(jiǎn)單設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)更新。
在本體型面上各種顏色，形象具體地現(xiàn)實(shí)表征了加工以及配合公差，方便教學(xué)時(shí)講解，力求教學(xué)的全面性。在模型的建立過(guò)程中，添加了機(jī)床接口參數(shù)設(shè)置。電器件以及壓機(jī)、傳感器設(shè)置在數(shù)據(jù)庫(kù)中直接調(diào)用。同時(shí)添加安全相關(guān)設(shè)置，如起重棒、安全限位、安全側(cè)銷、安全平臺(tái)、運(yùn)輸連接板、起吊螺釘?shù)萚13-16]。教學(xué)過(guò)程中可以根據(jù)教材標(biāo)準(zhǔn)逐一分解，同時(shí)配合虛擬視圖展開(kāi)教學(xué)。
2系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)
依托C#為基礎(chǔ)，采用Windows7操作系統(tǒng)，利用Unity3D作為主要開(kāi)發(fā)工具[17]，使用的插件有ToolKit2D、NGUI等。完成開(kāi)發(fā)環(huán)境和項(xiàng)目搭建后，在本系統(tǒng)的項(xiàng)目中輸入待測(cè)驗(yàn)的待測(cè)量，在各項(xiàng)數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)庫(kù))文件中保持待檢測(cè)與應(yīng)用的數(shù)據(jù)，包括圖像與視頻[18]。
由于教學(xué)使用，關(guān)鍵因素在裝配關(guān)系以及模具結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)認(rèn)知上，所有使用到的模型以及場(chǎng)景都使用UG建模。減少實(shí)體場(chǎng)景識(shí)別，以及目標(biāo)識(shí)別的不清晰與不及時(shí)的缺陷，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。其真實(shí)世界所需場(chǎng)景都使用UG建模實(shí)現(xiàn)。直接導(dǎo)入到系統(tǒng)背景，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別。根據(jù)實(shí)際職業(yè)教育的知識(shí)點(diǎn)需求，將模具設(shè)計(jì)與裝配的數(shù)據(jù)信息按教學(xué)中設(shè)計(jì)進(jìn)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為坐標(biāo)與視圖基礎(chǔ)知識(shí)、基礎(chǔ)元素、裝配體、表達(dá)語(yǔ)言、標(biāo)準(zhǔn)件、非標(biāo)件爆炸圖以及完整組裝圖共6個(gè)部分，與線上其他教學(xué)資源相對(duì)應(yīng)，以增加模型庫(kù)的用戶相關(guān)度。
其為組建完成后的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，完全可以滿足教師、學(xué)生的交互。在模型庫(kù)中全部實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字模型，立體顯示模具每個(gè)方位的狀態(tài)。元件的外形與功能、名稱都完美展現(xiàn)，使用者可以自由展示與操作，再輔助以教師講解，以及視頻補(bǔ)充說(shuō)明，降低教學(xué)的枯燥性。
使用者理解更透徹、直接。教師或者學(xué)生打開(kāi)平臺(tái)主界面可以按照教學(xué)的章節(jié)需求逐步學(xué)習(xí)，同時(shí)集合的裝配庫(kù)自由選擇。按照元件的功能需求直觀地調(diào)用與瀏覽。考慮教學(xué)的實(shí)用性，該平臺(tái)主要為PC版。
虛擬現(xiàn)實(shí)交互模型平臺(tái)的制作方案主要開(kāi)發(fā)流程如下:1)使用3DMAX渲染軟件對(duì)模型進(jìn)行視覺(jué)處理，模型為模具設(shè)計(jì)商用軟件UG制作，以.prt格式保存。2)將處理后的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D平臺(tái)，同時(shí)為開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行PC端模型系統(tǒng)制作，配置開(kāi)發(fā)平臺(tái)。3)選用HiAR作為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)包制作AR、HiAR以REST和API形式提供云端圖像識(shí)別服務(wù)，支持規(guī)模的圖庫(kù)處理，同時(shí)進(jìn)行后臺(tái)管理工具內(nèi)容的編輯與管理，通過(guò)C#編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)交互程序。4)采用Unity3D平臺(tái)將資源打包上傳到服務(wù)器，使得平臺(tái)內(nèi)資源均為服務(wù)器加載[19-23]。其包含復(fù)雜模具結(jié)構(gòu)所有零件。同時(shí)，零件個(gè)體可以在平臺(tái)中根據(jù)教學(xué)中給定的標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)與裝配。
3模具教學(xué)推薦
有了平臺(tái)與3D數(shù)據(jù)模型，從情景的創(chuàng)建、學(xué)生自主學(xué)習(xí)，再結(jié)合大量的虛擬練習(xí)，課后進(jìn)入實(shí)訓(xùn)車間，嫻熟操作，大幅度降低新手操作的危險(xiǎn)系數(shù)。同時(shí)寓教于樂(lè)，學(xué)生積極性得到大幅度提升。
4結(jié)束語(yǔ)
模具業(yè)內(nèi)當(dāng)前以及未來(lái)的趨勢(shì)是從二維繪圖發(fā)展到三維，而CAE軟件的蓬勃發(fā)展，促使在過(guò)去的10年，模具設(shè)計(jì)行業(yè)進(jìn)入發(fā)展的快車道。當(dāng)前計(jì)算機(jī)軟件與硬件的發(fā)展勢(shì)必促使模具設(shè)計(jì)與教學(xué)迎來(lái)新的創(chuàng)新點(diǎn)，虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)成為發(fā)展的主力軍，特別是在職業(yè)化教育中，其從根本上解決了空間、資金、安全等問(wèn)題。
本文主要有以下成果:1)基于三維UG設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建一整套完整汽車大型覆蓋件模具設(shè)計(jì)與調(diào)試模型庫(kù)，充分考慮了操作與教學(xué)的開(kāi)放性。2)基于Unity3D平臺(tái)，將數(shù)據(jù)庫(kù)與虛擬現(xiàn)實(shí)聯(lián)系起來(lái)，完成可視化平臺(tái)。此平臺(tái)除了滿足教學(xué)所用外，還對(duì)于工程設(shè)計(jì)有參考作用。其強(qiáng)大的裝配模塊，包括所有大型覆蓋件零部件，可直接調(diào)用，并可按照實(shí)際加工、裝配、調(diào)試公差實(shí)現(xiàn)微調(diào)整。3)基于此平臺(tái)，探討教師與學(xué)生使用策略。從教學(xué)內(nèi)容、活動(dòng)、方法以及學(xué)生活動(dòng)4個(gè)環(huán)節(jié)按照情景創(chuàng)建、自主學(xué)習(xí)、虛擬練習(xí)、實(shí)際練習(xí)、更新5個(gè)維度展開(kāi)討論�？勺鳛橥扑]方案，教師按照實(shí)際工況安排。
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科學(xué)技術(shù)論文范文：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可視化計(jì)算應(yīng)用
摘 要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一項(xiàng)集成性極高的高新信息技術(shù)，本文通過(guò)對(duì)VR技術(shù)的討論分析了VR技術(shù)土木工程中的應(yīng)用，指出VR技術(shù)必將在土木工程中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
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