本文摘要：摘要:主要闡述一種虛擬現(xiàn)實技術(shù)，設(shè)計一套完整的虛擬現(xiàn)實模具教學系統(tǒng)。教學系統(tǒng)為模具裝配與調(diào)試定制，完全按照模具裝配過程工況以及操作需求設(shè)計，同時保證使用過程的友好與穩(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。使用者在操作的過程中基于虛擬
摘要:主要闡述一種虛擬現(xiàn)實技術(shù)，設(shè)計一套完整的虛擬現(xiàn)實模具教學系統(tǒng)。教學系統(tǒng)為模具裝配與調(diào)試定制，完全按照模具裝配過程工況以及操作需求設(shè)計，同時保證使用過程的友好與穩(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。使用者在操作的過程中基于虛擬現(xiàn)實環(huán)境，高效而又準確地實現(xiàn)設(shè)計理念，徹底擺脫有理念而無法快速在常規(guī)軟件中實現(xiàn)的難題。如果此系統(tǒng)應(yīng)用于高職高專的教學中，學生能快速獲取相關(guān)知識，增加學生參與興趣，從根本上解決模具教學的枯燥性。
關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實,模具裝配,模具教學,汽車模具
0引言
模具為制造之母，對振興中國制造業(yè)有著至關(guān)重要的作用。在過去的半個世紀，精品模具的發(fā)展主要在歐美以及日本，而國內(nèi)的發(fā)展則處在初級階段。在最近10年，隨著CAD(ComputerAidedDesign)與CAE(ComputerAidedEngineering)的普及，國內(nèi)也進入了發(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)用也進入白熱化。
尋找新的發(fā)展動力勢在必行[2]。當前行業(yè)內(nèi)的研究重點主要在智能化與可視化，主要體現(xiàn)在模具工藝設(shè)計智能化與模具結(jié)構(gòu)裝配、調(diào)試虛擬可視化。美國華盛頓州立大學VRCIMA實驗室開發(fā)了一個在線虛擬的裝配環(huán)境，相關(guān)工作者運用這一系統(tǒng)可以在產(chǎn)品設(shè)計初期將裝配、拆卸過程中存在的問題考慮進去，減少了裝配設(shè)計過程中出現(xiàn)的問題[3]。
意大利Bologna大學研發(fā)了關(guān)于CAD的虛擬裝配規(guī)劃與驗證系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以用來評價混合樣機的裝配可行性、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)計標準，完成復雜裝配流程[4]。國內(nèi)也做過類似研究，其中國家CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)工程技術(shù)研究中心基于三維簡易模具結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，其開發(fā)了模擬裝配的支持系統(tǒng)，此系統(tǒng)考慮部分設(shè)計的標準[5]。
南京航空航天大學機電學院采用混合虛擬技術(shù)對飛機零件裝配過程中的大量信息進行統(tǒng)一和集中管理，減少了裝配誤差并縮短了裝配時間[6]。國外研究都相對寬泛，對于具體行業(yè)的應(yīng)用沒有深入，國內(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)，而對于龐大經(jīng)濟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、強度、安全等方面，建立實體數(shù)據(jù)庫，實現(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)勞動所需要的職業(yè)知識、技能，基于基礎(chǔ)工作需求，強調(diào)動手能力，職業(yè)教育主要強調(diào)精準與專業(yè)。同時，職業(yè)教育一般只有一年的強化學習，以實戰(zhàn)為導向，強化訓練符合社會企業(yè)需求的專業(yè)人才，以利用有限時間達到最佳效果[7]。
其中模具教學從設(shè)計到制造調(diào)試，涉及諸多知識。模具設(shè)計從點線面出發(fā)，構(gòu)造可制造實體，并且實現(xiàn)工藝需求，知識范疇包括公差、裝配、設(shè)備接口、安全等方面。按照沖壓模具設(shè)計過程，首先按照工藝需求分成3個部分:拉延、分離(沖孔與修邊)、二次成形(翻邊與整形)，再在此基礎(chǔ)上逐漸細分，最終著眼于點、線、面。特征與部件的裝配過程所涉及的工具操作有標準流程，而部件在UG3D模具設(shè)計過程中完成。
當前教學正常狀態(tài)在模具車間完成，但是受限于學生的安全意識的限制，大多數(shù)具有危險性的操作被取消了。所以模具職業(yè)教育的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計與裝配貫穿于整個教學過程，安全與設(shè)備的限制是短板。受制于安全考慮與空間限制，學生在實訓的過程中很難快速成長。高校也做過大量嘗試，其中計算機專業(yè)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在職業(yè)教育中成為創(chuàng)新熱點[8]。
2)虛擬現(xiàn)實。
增強虛擬現(xiàn)實新技術(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。當前5G普及成為大勢所趨，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也得到強大的推動。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。
其強調(diào)的是虛擬環(huán)境帶給受眾強烈的沉浸感，從而達到受眾能在類同于日常生活的狀態(tài)與虛擬世界中的對象進行交互，并提供一個虛擬的場景來滿足觀察者在現(xiàn)實生活中難以實現(xiàn)的工況與真實世界之間的聯(lián)系，有相對較低的硬件要求，同時由于用戶與真實世界的聯(lián)系仍然存在，人機交互方式也就顯得更加自然[9-12]。經(jīng)過長時間以來的研究與探討，首先在游戲領(lǐng)域廣泛推廣�；谄湟�(guī)避了空間限制，現(xiàn)擴展到制造與教育行業(yè)。
1數(shù)據(jù)庫構(gòu)建
在模具的三大主要工藝上，模具多分成多工序來完成，其每一工序又需要一套完整的結(jié)構(gòu)來實現(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。非標零件在此24項基本零件的基礎(chǔ)上進行擴展。職業(yè)教育中，培養(yǎng)目標更趨向于實用性。學生對于模具所延伸以及涉及專業(yè)、標準都需要系統(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)項目繪制，完全按照實際生產(chǎn)、國際標準的要求制作。
在本數(shù)據(jù)庫中，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。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體。如果需要擴充，可以在平臺接口直接導入MISUMI(日本三住公司)標準庫文件，通過簡單設(shè)置即可實現(xiàn)更新。
在本體型面上各種顏色，形象具體地現(xiàn)實表征了加工以及配合公差，方便教學時講解，力求教學的全面性。在模型的建立過程中，添加了機床接口參數(shù)設(shè)置。電器件以及壓機、傳感器設(shè)置在數(shù)據(jù)庫中直接調(diào)用。同時添加安全相關(guān)設(shè)置，如起重棒、安全限位、安全側(cè)銷、安全平臺、運輸連接板、起吊螺釘?shù)萚13-16]。教學過程中可以根據(jù)教材標準逐一分解，同時配合虛擬視圖展開教學。
2系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)
依托C#為基礎(chǔ)，采用Windows7操作系統(tǒng)，利用Unity3D作為主要開發(fā)工具[17]，使用的插件有ToolKit2D、NGUI等。完成開發(fā)環(huán)境和項目搭建后，在本系統(tǒng)的項目中輸入待測驗的待測量，在各項數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)庫)文件中保持待檢測與應(yīng)用的數(shù)據(jù)，包括圖像與視頻[18]。
由于教學使用，關(guān)鍵因素在裝配關(guān)系以及模具結(jié)構(gòu)與設(shè)計的基礎(chǔ)認知上，所有使用到的模型以及場景都使用UG建模。減少實體場景識別，以及目標識別的不清晰與不及時的缺陷，提高系統(tǒng)運行效率。其真實世界所需場景都使用UG建模實現(xiàn)。直接導入到系統(tǒng)背景，無需現(xiàn)場識別。根據(jù)實際職業(yè)教育的知識點需求，將模具設(shè)計與裝配的數(shù)據(jù)信息按教學中設(shè)計進度進行設(shè)計，分為坐標與視圖基礎(chǔ)知識、基礎(chǔ)元素、裝配體、表達語言、標準件、非標件爆炸圖以及完整組裝圖共6個部分，與線上其他教學資源相對應(yīng)，以增加模型庫的用戶相關(guān)度。
其為組建完成后的虛擬現(xiàn)實平臺，完全可以滿足教師、學生的交互。在模型庫中全部實現(xiàn)三維數(shù)字模型，立體顯示模具每個方位的狀態(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，以及視頻補充說明，降低教學的枯燥性。
使用者理解更透徹、直接。教師或者學生打開平臺主界面可以按照教學的章節(jié)需求逐步學習，同時集合的裝配庫自由選擇。按照元件的功能需求直觀地調(diào)用與瀏覽。考慮教學的實用性，該平臺主要為PC版。
虛擬現(xiàn)實交互模型平臺的制作方案主要開發(fā)流程如下:1)使用3DMAX渲染軟件對模型進行視覺處理，模型為模具設(shè)計商用軟件UG制作，以.prt格式保存。2)將處理后的模型導入Unity3D平臺，同時為開發(fā)平臺進行PC端模型系統(tǒng)制作，配置開發(fā)平臺。3)選用HiAR作為增強現(xiàn)實開發(fā)包制作AR、HiAR以REST和API形式提供云端圖像識別服務(wù)，支持規(guī)模的圖庫處理，同時進行后臺管理工具內(nèi)容的編輯與管理，通過C#編寫實現(xiàn)交互程序。4)采用Unity3D平臺將資源打包上傳到服務(wù)器，使得平臺內(nèi)資源均為服務(wù)器加載[19-23]。其包含復雜模具結(jié)構(gòu)所有零件。同時，零件個體可以在平臺中根據(jù)教學中給定的標準移動與裝配。
3模具教學推薦
有了平臺與3D數(shù)據(jù)模型，從情景的創(chuàng)建、學生自主學習，再結(jié)合大量的虛擬練習，課后進入實訓車間，嫻熟操作，大幅度降低新手操作的危險系數(shù)。同時寓教于樂，學生積極性得到大幅度提升。
4結(jié)束語
模具業(yè)內(nèi)當前以及未來的趨勢是從二維繪圖發(fā)展到三維，而CAE軟件的蓬勃發(fā)展，促使在過去的10年，模具設(shè)計行業(yè)進入發(fā)展的快車道。當前計算機軟件與硬件的發(fā)展勢必促使模具設(shè)計與教學迎來新的創(chuàng)新點，虛擬設(shè)計技術(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、安全等問題。
本文主要有以下成果:1)基于三維UG設(shè)計軟件構(gòu)建一整套完整汽車大型覆蓋件模具設(shè)計與調(diào)試模型庫，充分考慮了操作與教學的開放性。2)基于Unity3D平臺，將數(shù)據(jù)庫與虛擬現(xiàn)實聯(lián)系起來，完成可視化平臺。此平臺除了滿足教學所用外，還對于工程設(shè)計有參考作用。其強大的裝配模塊，包括所有大型覆蓋件零部件，可直接調(diào)用，并可按照實際加工、裝配、調(diào)試公差實現(xiàn)微調(diào)整。3)基于此平臺，探討教師與學生使用策略。從教學內(nèi)容、活動、方法以及學生活動4個環(huán)節(jié)按照情景創(chuàng)建、自主學習、虛擬練習、實際練習、更新5個維度展開討論。可作為推薦方案，教師按照實際工況安排。
參考文獻:
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科學技術(shù)論文范文：虛擬現(xiàn)實技術(shù)可視化計算應(yīng)用
摘 要：虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一項集成性極高的高新信息技術(shù)，本文通過對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)揮越來越重要的作用。
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