李海豐 劉才遠(yuǎn)

（湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 十堰442002）

1 概述

相比于傳統(tǒng)的線下注塑實(shí)驗(yàn)，虛擬的注塑仿真實(shí)驗(yàn)可以充分發(fā)揮安全性高、經(jīng)濟(jì)性及用戶體驗(yàn)好的特點(diǎn)[1]。虛擬注塑機(jī)在PC 端上對(duì)實(shí)體的注塑機(jī)進(jìn)行仿真，能有效的模仿真實(shí)注塑機(jī)的操作[2]。由于在PC 端上進(jìn)行操作，不受場(chǎng)地、時(shí)間、人員的限制，對(duì)于高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言，屬于完全的“線上”運(yùn)行，體現(xiàn)了現(xiàn)代化教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)。本文使用Solid-works 和UG 三維建模軟件，借助Unity 3D 游戲開(kāi)發(fā)引擎，完成了注塑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（1.0）的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，以期提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

考慮到本仿真系統(tǒng)主要面向我校高分子材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，教學(xué)目標(biāo)是要求學(xué)生認(rèn)識(shí)并掌握注塑工藝的過(guò)程、設(shè)備（含模具）的主要結(jié)構(gòu)。因此仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)包含注塑工藝過(guò)程演示和設(shè)備演示兩個(gè)模塊。Unity 3D 是一款互動(dòng)內(nèi)容創(chuàng)作軟件，可作為銜接虛擬產(chǎn)品和真實(shí)產(chǎn)品之間的橋梁[3]。基于此，借助Unity 3D 的實(shí)時(shí)渲染技術(shù)，以Mono Develop 為程序編輯平臺(tái)、C#為編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)注塑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，其開(kāi)發(fā)過(guò)程均在Unity 3D 上完成。系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 注塑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的架構(gòu)

2.2 模型準(zhǔn)備

2.2.1 注塑機(jī)三維模型建立

注塑機(jī)是一種機(jī)電一體化很強(qiáng)的機(jī)械設(shè)備，主要由注塑系統(tǒng)、鎖模系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、加熱冷卻系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、加料裝置和機(jī)身等組成。各種注塑機(jī)在成型時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可能不完全相同，但其基本過(guò)程是相似的[4]。仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)首要的建立仿真對(duì)象的模型，Solid-works 是一款在Windows 上開(kāi)發(fā)三維CAD軟件，因其“全動(dòng)感”界面和強(qiáng)大的特征建立能力在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域廣泛運(yùn)用。基于此，使用Solid-works 三維建模技術(shù)建立注塑機(jī)的三維模型，主要包括注射結(jié)構(gòu)、鎖模結(jié)構(gòu)、開(kāi)合模液壓結(jié)構(gòu)、加料機(jī)構(gòu)和機(jī)身等。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)目前處于低版本階段，因此暫且考慮設(shè)備的運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)電器控制系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，建立的注塑機(jī)整體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型如圖2 所示。

圖2 注塑機(jī)結(jié)構(gòu)模型

2.2.2 零件模具三維模型建立

UG（Unigraphics NX）是一個(gè)交互式CAD/CAM 系統(tǒng)，可輕松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)體及造型的建構(gòu)，在模具設(shè)計(jì)行業(yè)廣泛應(yīng)用。基于UG 強(qiáng)大的模具開(kāi)發(fā)插件，運(yùn)用UG 三維建模技術(shù)建立模具的三維模型，主要包括成型零件、澆注系統(tǒng)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、頂出裝置、冷卻加熱系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)等[5]。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 工藝仿真的設(shè)計(jì)

考慮到學(xué)生初次接觸注塑成型，所學(xué)知識(shí)暫時(shí)停留在書(shū)本理論階段，為便于學(xué)生理解、認(rèn)識(shí)，工藝過(guò)程的仿真按照注塑過(guò)程的五個(gè)階段設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的五個(gè)子系統(tǒng)，同時(shí)還加上了取件和零件外觀展示，這樣既方便學(xué)生認(rèn)識(shí)了解注塑件外觀質(zhì)量及缺陷，也為后續(xù)版本的升級(jí)擴(kuò)展（如注塑工藝有限元分析、質(zhì)量缺陷改進(jìn)等）提供了接口。所有的仿真過(guò)程都基于系統(tǒng)主界面的注塑機(jī)虛擬模型上進(jìn)行，操作者可以通過(guò)控制UI 來(lái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，工藝過(guò)程仿真系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 工藝仿真系統(tǒng)

3.2 設(shè)備仿真的設(shè)計(jì)

設(shè)備（含模具）的演示是整個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)，涉及到材料（特性）、工藝（成型原理）、設(shè)備（工作原理）三方面因素。對(duì)此，設(shè)計(jì)了注塑機(jī)結(jié)構(gòu)演示、模具結(jié)構(gòu)演示兩個(gè)子系統(tǒng)（圖4），其中后者加載有模具拆裝的實(shí)訓(xùn)視頻，方便學(xué)生觀看學(xué)習(xí)了解，以有效的幫助學(xué)生更好的認(rèn)識(shí)注塑機(jī)和模具的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

圖4 設(shè)備仿真系統(tǒng)

3.3 基于Unity 3D 引擎的虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件主體為注塑機(jī)的三維模型，注塑機(jī)的控制UI 分別為：UI1（注塑機(jī)演示）、UI2（模具演示）、UI3（工藝演示）、UI4（退出按鈕）、UI5（合模按鈕）、UI6（注塑成型按鈕）、UI7（開(kāi)模按鈕）、UI8（頂出控制按鈕）、UI9（取件按鈕）、UI10（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)按鈕）、UI11（停止旋轉(zhuǎn)按鈕）、UI12（逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)按鈕）。其中注塑機(jī)的控制UI 都獨(dú)立于注塑機(jī)之外，便于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)中的設(shè)備、模具、工藝選擇性操作。開(kāi)發(fā)的仿真系統(tǒng)界面如圖5 所示。

圖5 仿真系統(tǒng)界面

4 結(jié)論

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一個(gè)發(fā)展方向，其意義不僅僅是教學(xué)效果的提升，更關(guān)系到教學(xué)理念、教學(xué)方式乃至人才培養(yǎng)的變革，特別是在2020 年“新冠”疫情的影響下更甚。利用傳統(tǒng)的三維軟件建模，結(jié)合Unity 3D開(kāi)發(fā)引擎，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的注塑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)真實(shí)度高、沉浸感強(qiáng)，不僅解決了線下教學(xué)“人、財(cái)、物”的問(wèn)題，更激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，是高?！疤搶?shí)結(jié)合”、“線上線下混合式教學(xué)”教學(xué)手段的重要體現(xiàn)。本仿真系統(tǒng)目前只是低階版本，后續(xù)仍需要對(duì)注塑材質(zhì)分析選擇、流動(dòng)性分析、質(zhì)量缺陷改進(jìn)、人機(jī)交互、教學(xué)考核評(píng)價(jià)、實(shí)驗(yàn)思考題等模塊設(shè)計(jì)完善，以最終實(shí)現(xiàn)“功能齊全、效果顯著、持續(xù)升級(jí)”的建設(shè)目標(biāo)。