模具類課程虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

曹芳 肖光春

[摘 要]該研究結(jié)合模具類課程實驗教學(xué)的實際情況，以塑料成型工藝及模具課程為例，設(shè)計開發(fā)出了虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，可進(jìn)行360度可視化交互式仿真。該虛擬仿真實驗系統(tǒng)作為真實實驗的有益補(bǔ)充，可以有效克服真實實驗教學(xué)中實驗項目和實驗時間的限制，增強(qiáng)學(xué)生對注塑機(jī)以及塑料模具的直觀認(rèn)知，使學(xué)生掌握塑料制品的成型方法，熟悉注射成型工藝過程及參數(shù)。采取虛實相結(jié)合的實驗教學(xué)模式，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，實驗過程效率高，教學(xué)效果顯著，為模具類相關(guān)課程的傳統(tǒng)實驗教學(xué)改革提供借鑒。

[關(guān)鍵詞]塑料成型工藝及模具;虛擬仿真;實驗教學(xué)

[中圖分類號] G642.0; TP391.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）08-0005-05

一、引言

塑料成型工藝及模具是普通高等學(xué)校材料成型及控制工程專業(yè)的主干專業(yè)課程，其理論性和實踐性都非常強(qiáng)，主要講授塑料的基本知識、塑料制品成型加工的工藝、塑料模具的基本結(jié)構(gòu)和模具設(shè)計方法等[1]。該課程包括塑料注射成型實驗和塑料模具拆裝實驗兩個實驗項目。實驗要求學(xué)生了解熱塑性塑料注射機(jī)加工工藝過程，包括模具與機(jī)床的關(guān)系，以及塑料塑化過程和溫度、壓力、時間三要素的作用與調(diào)整等，從而加深對塑料注射模成型過程以及注射模具的認(rèn)識，為今后從事塑料模具設(shè)計工作以及處理現(xiàn)場問題奠定實踐基礎(chǔ)。

由于注塑機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜（包含電器控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、注射裝置、合模裝置、加料裝置、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等內(nèi)容）、體積龐大并且價格昂貴，在實際操作中，學(xué)生無法直接觀察到注塑機(jī)內(nèi)部構(gòu)造，如果出現(xiàn)失誤，導(dǎo)致機(jī)器損壞，就會產(chǎn)生高額的維修以及維護(hù)費用。而且在一般的實驗教學(xué)中，基本上是“一對多”的實驗教學(xué)模式，實驗項目和內(nèi)容會受到限制，實驗時間和學(xué)生的動手機(jī)會相對比較少，這就直接造成學(xué)生參與度低，難以保證每位學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和操作技能訓(xùn)練 [2-4]，因此，形式新穎且利于開發(fā)學(xué)生智能的虛擬仿真實驗教學(xué)手段就成為真實實驗教學(xué)的有益的和必要的補(bǔ)充[5]。通過可視化數(shù)值仿真實驗將比較復(fù)雜的實驗項目進(jìn)行演示，可以讓學(xué)生對實驗內(nèi)容先有一個直觀的認(rèn)識，然后進(jìn)行實驗室真實實驗，有助于學(xué)生將感性認(rèn)識提升為理性認(rèn)識。將這種虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到實驗教學(xué)活動中，堅持虛實結(jié)合的原則，可提升實驗教學(xué)效果[6]。同時，依托虛擬現(xiàn)實、多媒體交互等信息化技術(shù)構(gòu)建的高度仿真和系統(tǒng)化的虛擬實驗環(huán)境以及實驗教學(xué)資源，也滿足了在信息化條件下學(xué)生能夠自主學(xué)習(xí)、自主管理和自主服務(wù)能力培養(yǎng)的內(nèi)在要求[7-8]?；诖?，本研究針對塑料成型工藝及模具課程的兩個實驗項目建設(shè)了相應(yīng)的虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)。

二、虛擬仿真實驗系統(tǒng)功能

虛擬仿真實驗系統(tǒng)應(yīng)該涵蓋實驗教學(xué)大綱的要求和內(nèi)容，并能結(jié)合學(xué)校的需求進(jìn)行擴(kuò)展和定制實驗項目，以幫助完成真實實驗教學(xué)為目標(biāo)，力求實用、簡潔和高效[9]。塑料成型工藝及模具課程實驗教學(xué)虛擬仿真系統(tǒng)采用了先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，建立了等比例、形象逼真的三維互動注塑機(jī)及注射模模型，對注塑機(jī)的每一個部件都實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的360度可視化交互式仿真，滿足局部放大、透視、剖面等要求。同時，對注塑機(jī)系統(tǒng)參數(shù)實現(xiàn)了三維化動態(tài)展示，對注射成型工藝過程進(jìn)行三維化仿真模擬，讓學(xué)生能夠掌握注塑成型工藝過程，全方位了解注塑機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，觀察塑料零件注射加工動態(tài)過程，熟悉注射周期各步驟狀況，包括預(yù)塑、注射、保壓、冷卻、開模、推出、取件、合模等工藝過程。

通過塑料注射成型實驗虛擬仿真實驗系統(tǒng)，學(xué)生還可以多方位觀察模具與注射機(jī)的安裝關(guān)系，了解模具定位方式、夾持方式、頂出原理、模具尺寸和注射機(jī)裝模尺寸關(guān)系、噴嘴與澆口套尺寸關(guān)系等，并認(rèn)識注射工藝參數(shù)，了解壓力等參數(shù)在注射過程中控制的部位與原理及其對注射產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

塑料模具拆裝實驗虛擬仿真系統(tǒng)，所設(shè)計的三維注塑模具能夠進(jìn)行360度全方位立體觀察，學(xué)生可以按照預(yù)設(shè)的拆裝步驟依次虛擬拆卸及安裝每個零件，拆裝練習(xí)過程不會受到時間、地點的限制。通過反復(fù)練習(xí)虛擬拆裝的過程，學(xué)生可以認(rèn)識模具結(jié)構(gòu)，熟知零件功能以及零部件相互之間的裝配關(guān)系，熟悉模具零件的先后裝配順序及各裝配工具的使用，從而達(dá)到熟練手動拆裝操作的教學(xué)目的。

三、虛擬仿真實驗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

（一）塑料注射成型實驗虛擬仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

塑料注射成型實驗虛擬仿真系統(tǒng)包含臥式注塑機(jī)簡介、注射系統(tǒng)參數(shù)、鎖模系統(tǒng)參數(shù)、臥式注塑機(jī)結(jié)構(gòu)和注塑成型工藝五個板塊，分別對結(jié)構(gòu)、參數(shù)和工藝過程進(jìn)行理論基礎(chǔ)介紹、實驗動態(tài)演示和虛擬仿真實驗，如圖1所示。每個板塊又包含若干演示項目以及虛擬仿真實驗項目，使得實驗項目更加生動，更能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識的興趣。

（二）塑料模具拆裝實驗虛擬仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該虛擬仿真系統(tǒng)以真實課程實驗中的摩托車后視鏡蓋注塑模具為例，進(jìn)行虛擬仿真實驗建設(shè)。該模具是一模兩腔、雙分型面注塑模，帶有側(cè)向抽芯結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。打開虛擬仿真實驗系統(tǒng)程序圖標(biāo)，進(jìn)入學(xué)生操作主界面，如圖2所示。

塑料模具拆裝實驗虛擬仿真系統(tǒng)包括7個板塊，分別為：準(zhǔn)備工作、動定模拆分、定模拆分、動模拆分、動模組裝、定模組裝、整體組裝。這7個板塊也是進(jìn)行整套模具拆裝的步驟。

四、虛擬仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計

（一）塑料注射成型實驗虛擬仿真系統(tǒng)

塑料注射成型實驗虛擬仿真系統(tǒng)有以下5個板塊及其項目。

1.臥式注塑機(jī)簡介

這一部分為實驗理論基礎(chǔ)項目，主要展示某型號臥式注塑機(jī)的三維外形結(jié)構(gòu)及其他型號臥式注塑機(jī)的二維結(jié)構(gòu)，并通過文字詳細(xì)介紹注塑機(jī)的外形特征特點。通過這一虛擬實驗板塊，學(xué)生可以觀察并學(xué)習(xí)到不同型號注塑機(jī)的外形特征，以及與立式和角式注塑機(jī)相比臥式注塑機(jī)外形特征的優(yōu)點和缺點。

2.注塑機(jī)注射系統(tǒng)參數(shù)

這一板塊包含注射螺桿直徑、注射螺桿長徑比、注射行程、工程注射容量、工程注射量、最大注射速率、最大注射速度、注射壓力、保壓壓力、射移行程、理論塑化能力、噴嘴頭球面半徑、噴嘴直徑、射嘴接觸力等14個子項目參數(shù)。

打開每一個參數(shù)，可以直觀地看到此參數(shù)在注塑機(jī)三維結(jié)構(gòu)上的表示，以及針對此參數(shù)的基礎(chǔ)知識介紹，并且有與此參數(shù)相關(guān)的動作提示按鈕，學(xué)生通過點擊此按鈕，就會看到與這一參數(shù)相關(guān)的三維動態(tài)仿真過程。比如在注射行程參數(shù)這一項中，點擊射膠或者塑化按鈕，學(xué)生就可以分別看到在剖視三維圖狀態(tài)下射膠和塑化的動態(tài)過程，如圖3所示，仿真過程更加直觀生動，實驗效果明顯。

3.注塑機(jī)鎖模系統(tǒng)參數(shù)

這一板塊的內(nèi)容主要圍繞注塑機(jī)鎖模系統(tǒng)參數(shù)來展開，包括最大鎖模力、模板尺寸、拉桿間距、定位孔直徑、最大模厚、最小模厚、動模板行程、最大開距、頂出行程、頂桿直徑、頂出力等11種參數(shù)的詳細(xì)介紹。

打開每一個鎖模參數(shù)，可以看到針對此參數(shù)的基礎(chǔ)知識介紹，以及此參數(shù)在注塑機(jī)三維結(jié)構(gòu)上的表示。例如，打開“動模板行程”，可以看到模具開模時，動模固定板隨鎖模機(jī)構(gòu)的移動距離，如圖4所示。通過此虛擬實驗內(nèi)容，學(xué)生可以認(rèn)識模具定位方式、夾持方式、頂出原理、模具尺寸和注射機(jī)裝模尺寸關(guān)系等。

4.臥式注塑機(jī)結(jié)構(gòu)

這一板塊以某型號臥式注塑機(jī)為例，360度全方位展示注塑機(jī)的三維結(jié)構(gòu)，如圖5所示。在進(jìn)行注塑成型真實實驗之前，學(xué)生可以通過這一虛擬仿真實驗板塊熟悉注塑機(jī)結(jié)構(gòu)，每一內(nèi)部結(jié)構(gòu)都可以放大、縮小、旋轉(zhuǎn)以及透視，便于學(xué)生進(jìn)行全方位觀察和了解，并且有對應(yīng)的理論知識介紹。其中，注射系統(tǒng)和鎖模系統(tǒng)有單獨的三維結(jié)構(gòu)模型，當(dāng)把鼠標(biāo)放在零件名稱上時，在注塑機(jī)三維模型上對應(yīng)的這一零件結(jié)構(gòu)可以亮閃，并配有詳細(xì)的說明文字，從而達(dá)到加深學(xué)生對注射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和鎖模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)認(rèn)識的目的。

5.注塑成型工藝過程

這一板塊主要介紹注塑成型工藝過程，包括塑化、計量、注射充填、保壓、冷卻、開模、頂出、合模過程，如圖6所示。學(xué)生啟動機(jī)床總電源按鈕后進(jìn)入動作模式，在每一個工藝過程下，都可以直觀地看到三維動態(tài)仿真過程，通過控制動作按鈕，可以多次、多角度、全方位觀察塑料零件注射成型的整個仿真過程，熟悉注射周期各步驟狀況，認(rèn)識注射成型工藝參數(shù)。

例如在其中的注射充填過程，學(xué)生可以看到注塑機(jī)螺桿從料筒內(nèi)的計量位置開始，通過注射液壓缸和活塞施加高壓，將塑化好的塑料熔體經(jīng)過噴嘴和澆注系統(tǒng)快速進(jìn)入封閉型腔的動態(tài)過程，如圖7所示。

（二）塑料模具拆裝實驗虛擬仿真系統(tǒng)

塑料模具拆裝實驗虛擬仿真系統(tǒng)有以下7個板塊。

1.準(zhǔn)備工作

選擇“準(zhǔn)備工作”板塊，系統(tǒng)會提示學(xué)生進(jìn)行操作，將模具吊裝到工作臺上，并準(zhǔn)備工具箱：一套六角扳手、防銹劑、一組銅棒、頂絲扳手、白線手套、頂針圖等。

2.選擇模具進(jìn)行動定模拆分

選擇“動定模拆分”板塊，首先按提示選擇適合的內(nèi)六角扳手拆除鎖模塊，再選擇銅棒進(jìn)行動定模拆分，動定模拆分后的狀態(tài)如圖8所示。

3.定模拆分

選擇“定模拆分”板塊，按提示選擇尺寸合適的內(nèi)六角扳手拆除楔緊塊，再選擇合適的銅棒分別拆下兩個斜導(dǎo)柱和澆口套，選擇內(nèi)六角扳手卸下連接兩板的螺釘，將定模座板和定模板拆開，如圖9所示。

4.動模拆分

選擇“動模拆分”板塊，選擇內(nèi)六角扳手拆下動模底板和兩個墊板，選擇內(nèi)六角扳手和銅棒拆下推板，另一側(cè)需其他同學(xué)用手扶住動模板并頂住復(fù)位桿，用銅棒依次敲下拉料桿、頂桿、復(fù)位桿，選擇內(nèi)六角扳手拆下支撐板，選擇頂絲扳手拆下兩個側(cè)抽機(jī)構(gòu)，選擇內(nèi)六角扳手拆開滑塊和側(cè)抽芯，選擇銅棒敲下導(dǎo)柱。如圖10所示。

5.動模組裝

選擇“動模組裝”板塊，依次組裝動模板、導(dǎo)柱、滑塊、側(cè)型芯、支撐板、推板、復(fù)位桿、頂桿、拉料桿、推板固定板、墊塊、動模座板。安裝完成如圖11所示。

6.定模組裝

選擇“定模組裝”板塊，依次組裝定模座板、定模板，斜導(dǎo)柱、澆口套、楔緊塊，如圖12所示。

7.整體組裝

最后選擇“整體組裝”板塊，整體組裝前用防銹劑噴型芯型腔表面，然后將動模部分和定模部分組裝到一起，并用鎖模塊鎖緊，如圖13所示。

五、結(jié)語

本文介紹了塑料成型工藝及模具課程的虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用。該系統(tǒng)主要包括兩個實驗項目，塑料注射成型實驗是高成本和高消耗且實驗過程相對比較復(fù)雜的實驗項目，而模具拆裝實驗會受到實驗地點和實際拆裝次數(shù)的限制。因此，結(jié)合多媒體、計算機(jī)和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的發(fā)展，建設(shè)了相應(yīng)的虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，提升了真實實驗的教學(xué)效果，同時延伸了課堂理論教學(xué)的功能，是模具類相關(guān)課程實驗教學(xué)模式的探索和改革。學(xué)生通過該虛擬仿真實驗系統(tǒng)，可增強(qiáng)對注塑機(jī)以及塑料模具的認(rèn)識，掌握塑料制品的成型方法，了解注射成型工藝過程及參數(shù)，能夠?qū)W會對注塑成型過程及模具設(shè)計中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析與預(yù)測，提高實際動手能力。該虛擬仿真實驗系統(tǒng)不但推動了實驗教學(xué)的信息化建設(shè)，也使學(xué)生接受到了更加系統(tǒng)的創(chuàng)新訓(xùn)練，使學(xué)生的獨立工作能力和創(chuàng)新能力得到了提升，實驗過程效率高，教學(xué)效果顯著。

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[責(zé)任編輯：龐丹丹]