可交互冷沖模具模型在移動(dòng)終端的實(shí)現(xiàn)

時(shí)虹+吳劍平+鄧銳

摘 要：全國(guó)各高等院校模具教學(xué)中，由于受到模具模型、機(jī)床、實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地等條件的限制，教學(xué)難度相應(yīng)增大，教學(xué)效果受到影響。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和智能移動(dòng)通訊設(shè)備的快速發(fā)展，開(kāi)發(fā)具有現(xiàn)代高教特色的教學(xué)資源，是高等院校改進(jìn)教學(xué)的必要手段。文章通過(guò)探討運(yùn)用三維建模軟件及虛擬現(xiàn)實(shí)軟件構(gòu)建虛擬冷沖模具并應(yīng)用于智能手機(jī)的方法，實(shí)現(xiàn)虛擬模具的交互控制。

關(guān)鍵詞：模具；虛擬現(xiàn)實(shí)；移動(dòng)終端；智能手機(jī)

中圖分類號(hào)：TP315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）22-0038-02

引言

隨著我國(guó)模具工業(yè)的發(fā)展，企業(yè)對(duì)模具一線人才的要求越來(lái)越高，因此，以社會(huì)需求為目標(biāo)，為國(guó)家培養(yǎng)更多的高技能應(yīng)用型技術(shù)人才，提升模具教學(xué)水平已成為當(dāng)前重要任務(wù)。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)模具工業(yè)的發(fā)展前景，結(jié)合我國(guó)模具教學(xué)的特點(diǎn)，按照教學(xué)規(guī)律運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)創(chuàng)建虛擬模具空間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型的可視化和實(shí)時(shí)交互功能，通過(guò)現(xiàn)代信息化教學(xué)手段，將難教、難懂、難學(xué)的模具設(shè)計(jì)與制造專業(yè)的教學(xué)，變得更輕松，愉快。

1 冷沖模具工業(yè)現(xiàn)狀及教學(xué)思考

1.1 冷沖模具工業(yè)現(xiàn)狀

冷沖模是模具的重要組成部分，占我國(guó)模具制造總量的40%左右。冷沖模是指在常溫下將材料通過(guò)沖壓設(shè)備加工成沖件的一種工藝設(shè)備，沖壓設(shè)備一般為壓力機(jī)，加工材料多為金屬鈑金件。冷沖壓與其他加工方法相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)，如沖件產(chǎn)品基本無(wú)需再加工，且質(zhì)量穩(wěn)定，互換性好，生產(chǎn)效率高，適合于大批量生產(chǎn)。

現(xiàn)階段，中國(guó)模具制造技術(shù)水平相對(duì)較低，與德國(guó)、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在較大差距。中國(guó)模具加工企業(yè)因研發(fā)低端模具設(shè)備產(chǎn)品過(guò)多，造成市場(chǎng)供過(guò)于求，為解決產(chǎn)能過(guò)剩問(wèn)題，又打起價(jià)格戰(zhàn)，造成了市場(chǎng)的混亂。截止2016年數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)高端模具加工設(shè)備占市場(chǎng)高端模具總需求不足40%，市場(chǎng)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力缺乏。

中國(guó)的模具企業(yè)必須從國(guó)家模具市場(chǎng)的需求出發(fā)，及時(shí)調(diào)整戰(zhàn)略布局，才能在市場(chǎng)上更加健康有效地發(fā)展。

1.2 冷沖模具教學(xué)思考

冷沖模具課程是模具專業(yè)一門重要的專業(yè)必修課程，其教學(xué)任務(wù)對(duì)冷沖?；纠碚撝R(shí)要求較高，對(duì)各種冷沖壓典型模具的結(jié)構(gòu)要求理解，對(duì)冷沖模具工作原理能進(jìn)行分析，對(duì)冷沖模具在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用要充分了解。因此，傳統(tǒng)的理論課教學(xué)不能滿足教學(xué)要求，必須在教學(xué)方式、教學(xué)任務(wù)、教學(xué)考核上做較大改進(jìn)，即充分利用實(shí)訓(xùn)室設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)資源、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、移動(dòng)終端設(shè)備等輔助資源改進(jìn)教學(xué)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與移動(dòng)終端設(shè)備的有機(jī)結(jié)合將大幅提高模具專業(yè)的教學(xué)效果。

2 冷沖模三維模型的建立

2.1 CAM設(shè)計(jì)軟件創(chuàng)建模型

冷沖模CAM設(shè)計(jì)軟件很多，如UG、CREO、CATIA、SOLIDWORKS等，本文采用UG9.0作為冷沖模具開(kāi)發(fā)工具，主要應(yīng)用的是UG軟件的零件建模、裝配建模以及級(jí)進(jìn)模向?qū)гO(shè)計(jì)等模塊，冷沖模的設(shè)計(jì)過(guò)程如下。

（1）搜集資料，包括產(chǎn)品圖紙、樣品、設(shè)計(jì)任務(wù)書和參考圖樣等。（2）沖壓工藝性分析，確定合理的沖壓工藝方案。

圖1為UG軟件設(shè)計(jì)的沖模產(chǎn)品三維模型，材料為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235。沖壓成型后產(chǎn)品尺寸為：長(zhǎng)75mm、寬35mm、厚1mm，沖壓精度等級(jí)要求為IT10。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)看，零件沖壓加工比較容易，可利用倒裝式復(fù)合模成型。

（3）模架CAM設(shè)計(jì)。圖2為設(shè)計(jì)完成的模架效果圖，模架總體尺寸為：長(zhǎng)210mm、寬163mm、高158mm。其中圖3為設(shè)計(jì)完成的落料凹模效果圖。

2.2 數(shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)換

虛擬環(huán)境的數(shù)據(jù)模型需應(yīng)用3DMAX等三維動(dòng)畫軟件將模型導(dǎo)出到虛擬現(xiàn)實(shí)（如UNITY）軟件中，而應(yīng)用UG建立的模型不能直接導(dǎo)入到3DMAX中，這就需要進(jìn)行模型數(shù)據(jù)交換。

（1）數(shù)據(jù)交換。打開(kāi)UG設(shè)計(jì)的模架裝配體，逐一將各個(gè)零件導(dǎo)出為STL格式，設(shè)置好顯示精度后，全部導(dǎo)入到3DMAX軟件中。當(dāng)零件較復(fù)雜時(shí)，上述STL格式模型導(dǎo)入到3DMAX中可能會(huì)出現(xiàn)局部三角面片陰影，影響視覺(jué)效果，如圖4所示的上模座側(cè)邊陰影。雖然通過(guò)面片修復(fù)可以解決問(wèn)題，但過(guò)程復(fù)雜。下面提供一種快速的解決辦法。安裝Rhino（犀牛）軟件，在UG導(dǎo)出上模座模型時(shí)選擇導(dǎo)出STP格式的模型數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Rhino軟件中，不需要做任何設(shè)置，直接在Rhino軟件中導(dǎo)出為3DS數(shù)據(jù)。3DS格式是3DMAX的系統(tǒng)格式，導(dǎo)入到3DMAX中的效果如圖5所示，從圖中可以看出各面片顯示質(zhì)量完好。（2）優(yōu)化模型數(shù)據(jù)。導(dǎo)入到3DMAX中的模型需要優(yōu)化，以減小數(shù)據(jù)體積。上述的上模座模型導(dǎo)入3DMAX后模型面數(shù)為2634個(gè)面片，優(yōu)化模型的方法如下。先將上模座模型轉(zhuǎn)化為“可編輯多邊形”類型，再點(diǎn)擊石墨工具“Graphite”，選擇“四邊形化全部”命令，即可完成模型的優(yōu)化。優(yōu)化后的模型面數(shù)為1502個(gè)，優(yōu)化效果顯著。

2.3 制作模架的展開(kāi)及工作動(dòng)畫

本例中需要在3DMAX中制作兩個(gè)動(dòng)畫，即模架展開(kāi)動(dòng)畫和冷沖壓動(dòng)畫，模架展開(kāi)動(dòng)畫是為了展示模架各零件結(jié)構(gòu)，冷沖壓動(dòng)畫是為了演示冷沖壓工作過(guò)程。動(dòng)畫制作完成后，將模型導(dǎo)出為FBX格式文件。

3 建立虛擬環(huán)境

3.1 PC端虛擬環(huán)境的實(shí)現(xiàn)

虛擬現(xiàn)實(shí)（簡(jiǎn)稱VR）是指利用電腦圖形技術(shù)模擬產(chǎn)生的三維虛擬空間[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)軟件較多，如Unity、Virtools、VRP等，本例以Unity3D軟件作為發(fā)布PC和Android平臺(tái)的開(kāi)發(fā)軟件。Unity3D是由丹麥Unity Technologies公司開(kāi)發(fā)的一款跨平臺(tái)的游戲開(kāi)發(fā)工具，其功能十分強(qiáng)大。實(shí)現(xiàn)PC端虛擬環(huán)境的步驟如下。

（1）導(dǎo)入冷沖模FBX模型。在Unity3D中導(dǎo)入上一步輸出的FBX模型，然后將模型的2個(gè)屬性參數(shù)設(shè)置為：模型縮放因子設(shè)置為原始比例“1”；動(dòng)畫類型設(shè)置為繼承“Legacy”。設(shè)置完成后即可在場(chǎng)景中編輯冷沖模FBX模型。模型編輯的內(nèi)容包括：FBX模型軸心應(yīng)放置于世界坐標(biāo)系原點(diǎn)；添加主攝影機(jī)；添加必要的場(chǎng)景燈光；添加空游戲物體作為FBX模型的父物體對(duì)象；模型中所有零件添加Shaders高光材質(zhì)等等。（2）編寫腳本程序。本例模具包含落料模、沖孔模、彎曲模、拉深模等四種沖壓模具，每種模具需要一個(gè)獨(dú)立的場(chǎng)景，因此需要編寫場(chǎng)景切換的腳本程序。然后添加動(dòng)畫控制、隱藏零件、透明零件等腳本程序，由于篇幅較大，在此不再贅述。（3）發(fā)布PC執(zhí)行程序。在Unity3D中選擇PC平臺(tái)發(fā)布設(shè)置，調(diào)整好參數(shù)后即可發(fā)布。由于發(fā)布后的模型數(shù)據(jù)完全符合設(shè)計(jì)尺寸要求，因此觀察的視覺(jué)效果非常好。

3.2 移動(dòng)終端虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)

移動(dòng)終端是指可以在移動(dòng)中使用的計(jì)算機(jī)設(shè)備，其移動(dòng)性主要體現(xiàn)在移動(dòng)通信能力和便攜化體積。廣義上講包括智能手機(jī)、筆記本電腦、POS機(jī)、車載電腦等。但是通常情況下是指智能手機(jī)和平板電腦。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的寬帶化以及集成電路的快速發(fā)展，移動(dòng)終端已經(jīng)擁有了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。移動(dòng)終端正在從簡(jiǎn)單的通話工具演變?yōu)榫C合信息處理平臺(tái)。

本例的冷沖模發(fā)布Android平臺(tái)需要添加必要的腳本，如屏幕設(shè)置、觸屏等腳本。發(fā)布后獲得一個(gè)APK文件，將該文件發(fā)布到學(xué)校的課程教學(xué)網(wǎng)站上，再二維掃碼到智能手機(jī)端即可應(yīng)用。該系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)觸屏滾動(dòng)、縮放、播放動(dòng)畫等功能，點(diǎn)擊按鈕后可在四種模具之間切換，以便學(xué)習(xí)各種模具的結(jié)構(gòu)特征、工作過(guò)程等知識(shí)。操作界面簡(jiǎn)潔友好，符合手機(jī)屏幕小的特點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

智能手機(jī)作為現(xiàn)代移動(dòng)通訊設(shè)備，功能越來(lái)越強(qiáng)大，但屏幕偏小的特點(diǎn)，決定了其在應(yīng)用程序上難以超越PC平臺(tái)。雖然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在移動(dòng)終端的應(yīng)用尚處初級(jí)階段，但其在教學(xué)中發(fā)揮的作用是顯而易見(jiàn)的，可以預(yù)見(jiàn)，隨著教學(xué)改革的不斷深入，移動(dòng)教學(xué)必將成為中國(guó)高職教育不可缺少的重要組成部分。

參考文獻(xiàn)：

[1]王月蓉.淺談虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2013（11）：233-234.