李建新， 午麗娟， 王曉梅

（上海電機學院 機械學院，上海200245）

0 引 言

隨著國家經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的調(diào)整和一系列政策的實施，中國制造正在朝中國智造轉(zhuǎn)變。作為培養(yǎng)應用技術(shù)型人才的本科院校，在專業(yè)設置、培養(yǎng)方案、實驗教學模式等方面應積極創(chuàng)新改革以適應企業(yè)技術(shù)革新、產(chǎn)業(yè)升級對應用技術(shù)型人才的需求。模具課程作為材料成型與控制本科專業(yè)的骨干課程，是理論與實踐有機結(jié)合的綜合應用課程。模具實驗教學是模具課程教學中一個重要的教學環(huán)節(jié)。通過模具實驗教學可以認知模具的結(jié)構(gòu)、功能、成型工藝。由于模具產(chǎn)品種類多樣，不同產(chǎn)品所需的模具結(jié)構(gòu)功能各異，模具結(jié)構(gòu)認知一般通過拆裝具有代表性的模具來完成。實物拆裝典型模具的優(yōu)點是直觀、形象，可增加感性認知。但大多模具實驗室受場地、時間、模具種類、拆裝難易程度等的限制，同時供拆裝實驗用的模具的安全管理、維護、更新比較困難，難以進一步提升學生對模具設計、制造、成型工藝相關(guān)知識的熟練掌握。為此，提出了開發(fā)交互式模具虛擬實驗系統(tǒng)的構(gòu)想。基于UG軟件，開發(fā)一套方便學生學習、教學互動性強的交互式模具虛擬實驗系統(tǒng)?？梢越Y(jié)合模具實物拆裝實驗，提高實驗教學效果，對提高學生對模具知識的學習效率、掌握模具實際工程應用能力都具有重要意義。

1 交互式模具虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)思路

構(gòu)建交互式模具虛擬實驗系統(tǒng)，主要包括模具結(jié)構(gòu)功能演示、模具虛擬拆裝實訓、模具虛擬運動仿真、模具虛擬實驗評價4個功能模塊。另開發(fā)相應工具箱輔助實現(xiàn)上述4個功能模塊。現(xiàn)就這4個主要功能模塊開發(fā)思路進行介紹。

1.1 模具結(jié)構(gòu)功能演示

按照模具的分類方法，通過模具虛擬實驗系統(tǒng)了解冷沖壓模具和塑料模具典型模具系統(tǒng)的組成部分，以及模具工作原理及成型工藝，同時提供標準部件。如冷沖壓級進模系統(tǒng)的送料機構(gòu)、卸料機構(gòu)，注塑模具中的澆口等。利用UG平臺提供諸如設置透明度、縮放、旋轉(zhuǎn)、平移、隱藏部件、顯示部件、剖面顯示等觀察工具。

1.2 模具虛擬拆裝實訓

模具虛擬拆裝實訓是交互式模具虛擬實驗系統(tǒng)的核心部分，模塊主要包括：1）標準的模具裝配演示，通過播放裝配過程動畫配以必要的文字說明，觀察裝配完好的模具，熟悉模具零部件的裝配順序。同時通過對模具的旋轉(zhuǎn)、放大觀察、驗證相關(guān)理論知識。2）實現(xiàn)模具自主拆裝實訓，模具拆裝可以采用從上到下的柱狀式拆裝，也可以采用從內(nèi)到外的功能樹式拆裝。裝配開發(fā)的思路是，利用模塊爆破功能把整體模具數(shù)字化模型中所有的零部件拆開，散落在四周，學生按自己的裝配設計依次點擊圖中零部件。系統(tǒng)判斷選擇對錯，同時提示下一步備選零部件。裝配結(jié)束后，系統(tǒng)提示“裝配結(jié)束”。拆裝過程與裝配流程相反，在拆裝的過程中提供拆裝工具庫，加強拆裝工具的熟練使用。系統(tǒng)會及時提示拆裝部件位置是否準確到位，交互式提醒學生拆裝錯誤信息。

1.3 模具虛擬運動仿真

啟動UG6.0,進入交互式模具虛擬實驗系統(tǒng)，打開三維模具文件，利用UG仿真工具箱，輸入相關(guān)運動參數(shù)后，進行模具仿真過程。在仿真過程中，學生可以在仿真停止或暫停狀態(tài)下，點擊系統(tǒng)幫助工具知識索引文件，查詢相關(guān)機構(gòu)的知識。以冷沖模為例，仿真初始狀態(tài)為上下模分離狀態(tài)，仿真開始后，上模與下模閉合，經(jīng)過送料、壓料、成型、卸件，回到原始狀態(tài)，完成一個沖壓進程。仿真過程可以實現(xiàn)仿真連續(xù)進行或單步仿真，同時仿真停止狀態(tài)下，利用系統(tǒng)幫助工具查詢模具結(jié)構(gòu)和相關(guān)知識。

1.4 模具虛擬實驗評價

建立交互式模具虛擬實驗系統(tǒng)，是基于模具設計、制造、裝配、維護的項目驅(qū)動理念。通過模擬模具工業(yè)真實環(huán)境，可以更好地實現(xiàn)模具專業(yè)理論知識和實踐動手能力的銜接。教師通過模具虛擬實驗評價模塊，可以了解學生對模具結(jié)構(gòu)、功能、制造工藝、材料成型過程知識的認知水平，從而做出科學合理的評價。

2 交互式模具虛擬實驗系統(tǒng)實現(xiàn)方法

交互式模具虛擬實驗系統(tǒng)基于UG6.0三維軟件系統(tǒng)，利用UG二次開發(fā)工具以及Visual B 6.0。通過模具數(shù)字化建模、功能工具開發(fā)、模具數(shù)據(jù)庫構(gòu)建，完成交互式模具模擬實驗系統(tǒng)。模具數(shù)據(jù)庫采用參數(shù)化設計，可以通過不同參數(shù)輸入，構(gòu)建典型的模具實例，學生通過系統(tǒng)拆裝演示、自主拆裝、運動仿真、結(jié)構(gòu)認知以及模具數(shù)字模型旋轉(zhuǎn)、縮放、平移、透明、隱藏、剖面觀察工具，并結(jié)合對應真實模具拆裝可以實現(xiàn)模具虛實教學最理想的教學效果。

2.1 模具結(jié)構(gòu)功能演示

典型模具結(jié)構(gòu)分析演示和相關(guān)知識點的文字敘述是模具結(jié)構(gòu)演示模塊要實現(xiàn)的主要功能，其實現(xiàn)需要事先在模塊后臺做好數(shù)據(jù)庫準備，根據(jù)模具機構(gòu)的功能分類，在UG下，點擊模具結(jié)構(gòu)樹狀結(jié)構(gòu)分布圖，每一個結(jié)構(gòu)通過鏈接模式進入到EXCEL模式，通過EXCEL表格查閱模具結(jié)構(gòu)名稱、功能以及制造工藝。EXCEL表格的文件名是模具結(jié)構(gòu)部件名稱和組件在裝配狀態(tài)下零件序列號的組合信息，供模具結(jié)構(gòu)演示中查詢相關(guān)信息使用。

2.2 模具虛擬拆裝實訓模塊

模具虛擬拆裝實訓模塊包括兩個部分：1）標準的模具裝配演示，教師在UG裝配環(huán)境下，演示標準模具裝配效果圖、模具零部件爆炸效果圖，同時展示標準模具數(shù)模的零部件層次樹狀結(jié)構(gòu)圖，讓學生熟悉正確的模具零部件裝配順序。2）模具自主拆裝實訓，由于UG爆炸圖功能有限，無法滿足自主拆裝所需要的功能要求，需要自主開發(fā)存函數(shù)支持零部件拆裝時移動箭頭指示動能，以此為基礎完成自主拆卸與裝配。在自定義部件移動箭頭的過程中，需要更新裝配體裝配狀態(tài)，需要關(guān)閉文件再按照原始狀態(tài)重新打開。

模具自主裝配過程要比自主拆卸的順序判斷過程復雜，需要在軟件后臺做必要的技術(shù)處理。按照正確的裝配順序在模具所有零部件文件名后綴中加以體現(xiàn)零部件的裝配優(yōu)先權(quán)。如果后綴中是A，則表示該零部件是需要第一個裝配的。若裝配正確，系統(tǒng)會提示裝配正常，提示下一步操作，同時顯示下一步裝配零部件。若裝配順序錯誤，則系統(tǒng)彈出裝配錯誤提示框。需要重新選擇正確裝配零部件。

為了更清楚地看到裝配過程和裝配零部件間的尺寸配合關(guān)系，自主裝配過程采用定位、移動、貼合三步，每步之間均有時間間隔，零部件裝配到位后，高亮顯示配合部分，學生可以判斷裝配是否準確。全部裝配完成后，系統(tǒng)會提示模具裝配結(jié)束。

2.3 虛擬運動仿真模塊

虛擬運動仿真模塊的實現(xiàn)主要利用UG軟件現(xiàn)有的運動仿真模塊來進行，利用宏拓展運動仿真模塊的功能。點擊運動仿真實驗模塊，系統(tǒng)切換到運動仿真操作界面，點擊該模塊相關(guān)工具條，輸入模具運動參數(shù)，保存后點擊完成，然后點擊播放按鈕，模具開始仿真模具運動。在運動過程中，通過點擊暫停按鈕，借助模具模型的旋轉(zhuǎn)、隱藏、透明度設置可以觀察模具系統(tǒng)內(nèi)外部結(jié)構(gòu)和零部件的運動和彼此的裝配情況。

3 交互式模具虛擬拆裝實驗系統(tǒng)應用

圖1所示為開發(fā)交互式模具虛擬拆裝實驗系統(tǒng)拆裝演示，在系統(tǒng)虛擬拆裝模塊下進行。通過點擊模型爆破圖標，將所選模具模型依序爆破分解。學生借此可以觀察模具系統(tǒng)零部件之間的配合關(guān)系。

圖1 模具虛擬拆裝演示

圖2所示為所開發(fā)系統(tǒng)自主拆裝模塊自主裝配圖，點擊自主安裝菜單選項，系統(tǒng)自動更新為零部件散落狀態(tài)，學生按照合理裝配序列依次點擊選中的零部件模型進行裝配，在系統(tǒng)裝配零部件提示下，自我判斷所選的零部件是否最優(yōu)。

圖3所示為模具運動仿真圖，在運動仿真操作界面，點擊播放按鈕，模具開始運動，注意觀察運動期間模具系統(tǒng)零部件相對運動時彼此之間的約束關(guān)系。

圖2 模具自主裝配圖

圖3 模具運動仿真圖

4結(jié) 論

模具實驗教學是模具課程教學中的一個重要的教學環(huán)節(jié)。通過模具實驗教學可以認知模具的結(jié)構(gòu)、功能、成型工藝。由于模具產(chǎn)品種類多樣，不同產(chǎn)品所需的模具結(jié)構(gòu)功能各異，傳統(tǒng)模具實驗教學通過拆裝具有代表性的模具來完成教學。實物拆裝典型模具的優(yōu)點是直觀、形象，有利于增強感性認知。但受場地、時間、模具種類、模具套數(shù)、拆裝難易程度等的限制，難以進一步提高學生對模具設計、制造、成型工藝相關(guān)知識的熟練程度。基于UG開發(fā)的交互式模具虛擬實驗系統(tǒng)開放性好、教學互動性強，可以結(jié)合模具實物拆裝實驗，提高實驗教學效果，對提高學生模具知識學習效率、掌握模具實際工程應用能力都具有重要意義。

［1］ 趙悅，單巖.模具虛擬實驗室的研究與開發(fā) ［J］.輕工機械，2011，29（6）：91-94.

［2］ 王海根，楊友東，劉福慶.模具虛擬拆裝系統(tǒng)在模具教學中的應用［J］.模具工業(yè)，2011，37（8）：1-4.

［3］ 付宏生.模具虛擬制造技術(shù)運用于教學的研究［J］.模具工業(yè)，2008，34（12）：3-6.

［4］ 馮桂珍，池建斌.模具虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)［J］.河北省科學院學報，2011，28（2）：21-25.

［5］ 劉念聰.冷沖壓模具虛擬實驗室的構(gòu)建［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2008（12）：121-122.

［6］ 劉有成.基于UG6.0制作塑料模具虛擬裝配過程動畫［J］.機械工程師，2009（11）：111-112.