姚曉晨

摘要：針對(duì)技工院校模具設(shè)計(jì)與制造專(zhuān)業(yè)教學(xué)中存在的問(wèn)題，引入了創(chuàng)新的教學(xué)模式，提出了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的模具專(zhuān)業(yè)教學(xué)策略。本文通過(guò)分析虛擬現(xiàn)實(shí)在技工院校模具專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用意義，構(gòu)建了基于Unity3D的注塑模設(shè)計(jì)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。以“項(xiàng)目教學(xué)法”為引領(lǐng)，實(shí)現(xiàn)“理實(shí)一體”的教學(xué)模式，在技工院校模具專(zhuān)業(yè)教學(xué)中起到良好的輔助作用。

關(guān)鍵詞：注塑模設(shè)計(jì)；虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)；Unity3D

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）11-0174-02

隨著科技的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)構(gòu)建三維逼真的虛擬環(huán)境，以人的參與為核心，形成人機(jī)互動(dòng)的高技術(shù)模擬系統(tǒng)[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)憑借其三維空間表現(xiàn)能力和人機(jī)交互式的操作環(huán)境而給人帶來(lái)良好的用戶(hù)體驗(yàn)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在教育教學(xué)中。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在技工院校模具專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的意義

模具設(shè)計(jì)與制造專(zhuān)業(yè)是各技工院校的傳統(tǒng)專(zhuān)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)技工院校的模具設(shè)計(jì)與制造專(zhuān)業(yè)的教學(xué)目的是培養(yǎng)掌握模具設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)理論和現(xiàn)代模具制造技術(shù)、從事模具設(shè)計(jì)與制造、模具裝配、模具調(diào)試和維護(hù)以及生產(chǎn)管理的高級(jí)技術(shù)、技能型人才。但隨著技工院校的生源質(zhì)量下降，學(xué)生綜合素質(zhì)偏低，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性不高，自我管理、自我約束的能力較差。在模具教學(xué)中，老師仍然是按照傳統(tǒng)的教學(xué)方法去灌輸知識(shí)而不是學(xué)生自己積極地學(xué)習(xí)，學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性得不到提高，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力得不到培養(yǎng)，創(chuàng)新能力也無(wú)法發(fā)掘，傳統(tǒng)教學(xué)模式已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代教學(xué)要求?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在注塑模設(shè)計(jì)課程中建立虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，構(gòu)建真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，將理論與實(shí)踐充分融合，有利于教師把握課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，將精力更多集中在學(xué)生能力發(fā)展方面，而學(xué)生也能深入了解注塑模具典型零件及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，模具的拆卸和組裝步驟等，可以激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和積極探索的能力。

本文基于技工學(xué)校模具專(zhuān)業(yè)的教學(xué)現(xiàn)狀，建立一套合適的教學(xué)系統(tǒng)，利用虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)注塑模具設(shè)計(jì)課程的仿真模擬教學(xué)和訓(xùn)練。分析注塑模設(shè)計(jì)課程大綱和教學(xué)目標(biāo)，以“項(xiàng)目教學(xué)法”為指導(dǎo)，整合注塑模設(shè)計(jì)教學(xué)的資源，通過(guò)現(xiàn)代化的教育手段和方法，把抽象、零散的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的、有條理的、形象的、一體化的綜合感性認(rèn)識(shí)并加以鞏固實(shí)踐。合理設(shè)置系統(tǒng)各功能模塊，克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的弊端，符合技工院校學(xué)生的思維特點(diǎn)和教育規(guī)律，對(duì)提高教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐操作技能具有積極作用[2]。為模具專(zhuān)業(yè)的教學(xué)提供了強(qiáng)有力的支持，為廣大師生提供了一個(gè)良好的學(xué)習(xí)平臺(tái)。它還縮小了生產(chǎn)實(shí)際與課程體系之間的差距，為解決當(dāng)前模具行業(yè)人才的供求矛盾提供了一種途徑。既滿(mǎn)足了當(dāng)代模具教學(xué)的需求，又符合教育改革方向。

2 Unity3D項(xiàng)目開(kāi)發(fā)流程

Unity3D是由Unity Technologies開(kāi)發(fā)的多平臺(tái)集成游戲開(kāi)發(fā)工具，可輕松創(chuàng)建三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫(huà)等互動(dòng)內(nèi)容，是一個(gè)全面整合的專(zhuān)業(yè)游戲引擎。

運(yùn)用Unity3D 進(jìn)行虛擬仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，需遵從軟件工程的思想進(jìn)行開(kāi)發(fā)流程設(shè)計(jì)，從項(xiàng)目需求分析入手，設(shè)計(jì)系統(tǒng)各模塊實(shí)現(xiàn)的功能。項(xiàng)目開(kāi)發(fā)流程如圖1所示：第一步根據(jù)系統(tǒng)需求分析建立每個(gè)模塊流程腳本文檔，用于指導(dǎo)模塊開(kāi)發(fā)；第二步根據(jù)項(xiàng)目具體需求進(jìn)行場(chǎng)景模型的采樣、貼圖以及其他素材準(zhǔn)備；第三步通過(guò)3ds Max完成相關(guān)場(chǎng)景、模型及其紋理、過(guò)程動(dòng)畫(huà)；第四步是創(chuàng)建Unity3D項(xiàng)目，導(dǎo)入3ds Max 相關(guān)模型，并調(diào)整燈光與材質(zhì)；第五步是根據(jù)流程腳本和功能需求實(shí)現(xiàn)模型交互程序?qū)崿F(xiàn)；第六步進(jìn)行項(xiàng)目發(fā)布。

3 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于Unity3D的注塑模設(shè)計(jì)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)主要針對(duì)學(xué)生終端用戶(hù)，根據(jù)注塑模設(shè)計(jì)教學(xué)思路和過(guò)程，以模具零件、模具結(jié)構(gòu)以及典型模具為教學(xué)切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)三個(gè)系統(tǒng)核心模塊，即典型零件與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、拆裝設(shè)計(jì)和模流分析。

典型零件與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室主要致力于解決學(xué)生從注塑模零件、結(jié)構(gòu)認(rèn)知到設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)問(wèn)題，把項(xiàng)目教學(xué)方法整合到教學(xué)中，并根據(jù)過(guò)程將注塑模設(shè)計(jì)分為十個(gè)項(xiàng)目：即塑件零件的工藝性分析、成型設(shè)備的選擇與工藝、注塑模具分型設(shè)計(jì)、澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)、成型零件設(shè)計(jì)、模架設(shè)計(jì)、調(diào)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)、推出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、側(cè)向分型抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及工程圖繪制與材料選擇。教師用戶(hù)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，可以根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，每個(gè)項(xiàng)目都配備了相關(guān)知識(shí)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，同時(shí)在模型庫(kù)里搭載了相應(yīng)的模型。在教學(xué)時(shí)，教學(xué)系統(tǒng)可用于旋轉(zhuǎn)和縮放模型，引導(dǎo)學(xué)生分析結(jié)構(gòu)特征，增強(qiáng)教學(xué)直觀性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

拆裝設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室主要包括兩大模塊：首先，通過(guò)自動(dòng)拆裝來(lái)觀察模具零部件的拆卸和組裝過(guò)程；二是通過(guò)用戶(hù)選擇工具進(jìn)行手動(dòng)交互拆卸和裝配。當(dāng)學(xué)生使用該系統(tǒng)進(jìn)行交互拆裝時(shí)，必須要最大程度地模仿實(shí)際工作場(chǎng)景，以確保按照正確的順序執(zhí)行，不能有次序混亂、顛倒拆裝、選擇錯(cuò)誤等不符合實(shí)際拆裝情況的現(xiàn)象出現(xiàn)[3]。學(xué)生用戶(hù)進(jìn)入虛擬裝配實(shí)驗(yàn)室后，可以選擇要進(jìn)入自動(dòng)拆裝演示模塊還是手動(dòng)交互拆裝模塊。自動(dòng)拆裝演示是根據(jù)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的裝配序列，播放拆卸和裝配的過(guò)程。手動(dòng)交互拆裝是用戶(hù)自主交互完成拆裝過(guò)程。在該過(guò)程中，用戶(hù)依次選擇工具和拆裝對(duì)象，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)用戶(hù)的拆裝順序是否正確，若出現(xiàn)錯(cuò)誤，系統(tǒng)會(huì)跳出錯(cuò)誤提醒對(duì)話(huà)框來(lái)糾正用戶(hù)。

模流分析實(shí)驗(yàn)室主要是利用Moldflow軟件對(duì)塑件指定材料與和工藝實(shí)現(xiàn)其注射成型仿真并分析其結(jié)果的可能性。進(jìn)行澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并執(zhí)行流動(dòng)分析，例如注塑過(guò)程的充填、流動(dòng)、冷卻和翹曲等。從而驗(yàn)證模具布局是否合理，注塑工藝參數(shù)設(shè)計(jì)是否合適，并建立正交試驗(yàn)以?xún)?yōu)化對(duì)成型結(jié)果，得出影響注射成型結(jié)果如翹曲、氣穴、熔接痕等的影響因素。可視化技術(shù)可以直觀的觀察注射時(shí)塑料熔體的成型及缺陷產(chǎn)生的過(guò)程，將理論與實(shí)際結(jié)合起來(lái)，有利于初學(xué)者更加真實(shí)的了解注塑模具工作過(guò)程。對(duì)于學(xué)生用戶(hù)而言主要是通過(guò)系統(tǒng)中導(dǎo)入的模流分析動(dòng)畫(huà)理會(huì)注塑成型過(guò)程，從而理解模具工作原理，認(rèn)識(shí)模流分析報(bào)告，初步形成對(duì)方案可行性評(píng)估的理念。

通過(guò)構(gòu)建注塑模設(shè)計(jì)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)輔助實(shí)際教學(xué)，教師能夠輕松把握上課環(huán)節(jié)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)學(xué)習(xí)“情境”，將“項(xiàng)目教學(xué)法”的關(guān)鍵步驟：“協(xié)作”和“交流”貫穿于整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、交流協(xié)商，解決問(wèn)題，最終形成知識(shí)建構(gòu)。學(xué)生則可以通過(guò)自由縮放觀察模具零件、拆裝模具、觀看視頻，輕松了解模具零部件結(jié)構(gòu)及工作原理，加強(qiáng)對(duì)理論和實(shí)踐知識(shí)的掌握，從而掌握一般注塑模的設(shè)計(jì)方法。虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)作為教學(xué)輔助手段，極大地增強(qiáng)了師生互動(dòng)，激活了課堂氛圍。同時(shí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力也可以大大地提高。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

在注塑模設(shè)計(jì)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，關(guān)鍵技術(shù)有模型建立及優(yōu)化、動(dòng)畫(huà)制作、界面設(shè)計(jì)及可視化編程等。根據(jù)注塑模具的特點(diǎn)，選取典型模具模型，采用專(zhuān)業(yè)的三維建模軟件SolidWorks進(jìn)行建模，運(yùn)用SolidWorks的插件IMOLD完成注塑模設(shè)計(jì)。導(dǎo)入3ds Max中進(jìn)行模型優(yōu)化和動(dòng)畫(huà)制作。在Unity 3D中使用UGUI插件進(jìn)行交互界面設(shè)計(jì)，并使用playMaker插件進(jìn)行可視化編程，完成交互功能。

5 結(jié)語(yǔ)

利用Unity 3D開(kāi)發(fā)注塑模設(shè)計(jì)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，仿真度高、沉浸感強(qiáng)。它可以極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，解決實(shí)際教學(xué)中的模具損耗和操作安全等諸多問(wèn)題，促進(jìn)了模具專(zhuān)業(yè)教學(xué)的改革，順應(yīng)了現(xiàn)代化教學(xué)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郄賽， 丁斌. 基于Unity3D的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在科普活動(dòng)中的應(yīng)用[J]. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用， 2012（6）：25-27.

[2] 趙燕. 職業(yè)院校模具專(zhuān)業(yè)虛擬與現(xiàn)實(shí)一體化項(xiàng)目課程建設(shè)[J]. 模具工業(yè)，2014，40（5）：69-73.

[3] 吳緯緯. 模具結(jié)構(gòu)認(rèn)知虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 浙江大學(xué)， 2009.

【通聯(lián)編輯：光文玲】