數(shù)字經(jīng)濟(jì)背景下模具虛擬實驗平臺的發(fā)展趨勢

趙小娟，張巍，鄧四平

摘要：該文以模具虛擬實驗室為例就目前國內(nèi)虛擬實驗室的基本形式展開了分析，對應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)中模具虛擬實驗室的基本情況進(jìn)行了剖析，并提出了存在的問題及發(fā)展趨勢，為各應(yīng)用型本科模具虛擬實驗平臺的搭建提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：模具結(jié)構(gòu);虛擬實驗室;應(yīng)用型本科;模具工藝分析

中圖分類號：TP3? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）34-0127-02

以人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)為背景，應(yīng)用型高校在人才培養(yǎng)中，對實踐環(huán)節(jié)的執(zhí)行方式也發(fā)生了變化，從傳統(tǒng)的實驗室實物到新興的虛擬實驗平臺，學(xué)生的實驗環(huán)境不受限于傳統(tǒng)的有限平臺設(shè)備，使學(xué)生這種技能級別較低的“新手”能放手操作設(shè)備，而不怕設(shè)備因操作不慎或參數(shù)設(shè)置不合理導(dǎo)致的破壞狀況，甚至在操作過程中有引導(dǎo)性提示，指導(dǎo)學(xué)生完成實驗，為學(xué)生興趣的開展和知識的掌握提供了基礎(chǔ)[1-2]。

1 虛擬實驗室的類型

目前國內(nèi)虛擬實驗室類型大致有三種，①借助虛擬現(xiàn)實設(shè)備，如VR眼鏡，虛擬出現(xiàn)實環(huán)境，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實驗;②借助虛擬軟件平臺，創(chuàng)建虛擬實驗場景，建立一定量的實驗參考模型，通過交互作用界面，在場景中完成實驗，如圖1所示，此方法不需要虛擬現(xiàn)實設(shè)備;③建立資源庫，將傳統(tǒng)的理論知識、實踐操作知識點、圖庫、試題等資料匯總到一個系統(tǒng)中，設(shè)定一定的考核環(huán)節(jié)，完成考核任務(wù)[3]。因為虛擬軟件平臺不需要額外的輔助設(shè)備，操作環(huán)節(jié)流程可控性強(qiáng)的特點，成為目前虛擬實驗室中應(yīng)用最為廣泛的類型。資源庫成為繼傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)交流平臺轉(zhuǎn)高校實驗技術(shù)平臺的紐帶，將傳統(tǒng)的理論知識綜合歸納，融入部分實踐內(nèi)容，供學(xué)生學(xué)習(xí)，同時又可以與校外技術(shù)人員溝通、交流，達(dá)到實踐的目的。

張勇亮等人[4]將3D max中建模的實驗室場景導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實軟件unity3D中，從而創(chuàng)建了船舶輪機(jī)虛擬實驗室。該虛擬實驗室就是利用了虛擬軟件平臺，結(jié)合實際實驗室場景，創(chuàng)建的全新虛擬實驗室，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)原有的實驗內(nèi)容，還開發(fā)出了新的實驗環(huán)節(jié)，增加了實驗的可操作性降低了實驗成本。

李陽等人[5]，利用實驗室自行開發(fā)的快速運動仿真系統(tǒng)（RP-DMU），建立了沖壓模具運動仿真的虛擬系統(tǒng)，并建立了相關(guān)的實驗課程體系，進(jìn)行了干涉分析，對學(xué)生理解模具工藝過程具有重要意義。

江星瑩等人[6]，基于COMSOL Multiphysics多物理場仿真模擬軟件，解決了傳統(tǒng)使用Deform軟件基礎(chǔ)操作環(huán)節(jié)，又增加了多物理場耦合，使學(xué)生的實驗過程更快捷、更可靠、易上手。

大型高校以創(chuàng)建虛擬實驗室平臺為主，經(jīng)費緊張的高校以單打獨斗的小系統(tǒng)開發(fā)為主。引申出CAI課件制作、某些課程的實驗課程體系設(shè)計、課程復(fù)習(xí)平臺搭建等。張曉光等人[7]將模具設(shè)計實驗課程與CAE實踐綜合，形成部分虛擬、部分現(xiàn)實的實踐場景。

以上實驗平臺是對傳統(tǒng)實驗室演示、驗證為主的實驗設(shè)備的補(bǔ)充，學(xué)生可以方便、快捷完成實驗過程。

2 應(yīng)用型本科模具專業(yè)實驗需求分析

由于各個高校模具專業(yè)研究方向的不同，實驗課程也差別較大，本文以沖壓模具實驗為例，分析應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)對沖壓模具實驗課程的需求。

從模具專業(yè)來看，應(yīng)用型本科教學(xué)目的是培養(yǎng)具備模具專業(yè)的基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識和應(yīng)用能力，能在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域從事模具工裝設(shè)計與制造、設(shè)備維護(hù)與管理等方面工作的應(yīng)用型工程技術(shù)人才。對于實驗環(huán)境，要求能夠展示模具工裝設(shè)計及工藝過程為主。以沖裁模具為例，該實驗環(huán)節(jié)需要展示沖壓工藝過程、沖壓排樣、沖壓模結(jié)構(gòu)、沖壓模設(shè)計影響因素[8]。沖壓工藝過程對于應(yīng)用型本科來說，需要了解工藝中間隙、凸凹模表面精度、沖壓力等工藝因素對工藝過程的影響，從而為沖壓模的設(shè)計提供一定的理論依據(jù)，如圖2所示，沖壓工藝與模具設(shè)計課程實驗內(nèi)容，實驗部分對工藝影響的探討作為重點，而塑性成形原理理論知識其次。

3 應(yīng)用型本科模具虛擬實驗室建設(shè)現(xiàn)狀

根據(jù)應(yīng)用型本科模具設(shè)計課程需求，模具實驗項目一般包含工藝分析和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計兩大分支。

工藝分析部分，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)是利用一定的設(shè)備，如壓力機(jī)或注塑機(jī)等，以適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)，對原材料進(jìn)行工藝過程的演示或試驗，以分析工藝中存在的問題及各工藝參數(shù)對產(chǎn)品的影響。而模具生產(chǎn)的連續(xù)性，對實驗過程的影響較大，加之設(shè)備的維護(hù)條件不同，導(dǎo)致工藝參數(shù)的分析很難有較細(xì)節(jié)的區(qū)別。所以此部分內(nèi)容大部分高校是采用仿真分析的方式進(jìn)行，借助通用的三維軟件對工藝進(jìn)行模擬仿真。例如ProCAST 軟件用于對鑄造模具工藝過程的模擬，而Deform對金屬的塑性成形工藝過程有較好的仿真，Moldflow用于塑料成型工藝過程的仿真。

由于實驗室條件的限制，工藝分析部分通過動畫演示或者實物模型，以結(jié)果的形式展示給學(xué)生，學(xué)生則以課前預(yù)習(xí)的形式進(jìn)行，僅僅滿足演示功能。雖然此種數(shù)據(jù)庫不能滿足實驗動手的需求，但由于動畫模型庫數(shù)據(jù)較多，種類豐富，滿足不同學(xué)生對各種工藝的需求，具有一定的適用性。部分小型設(shè)備模型也被用來實驗教學(xué)，鄭國強(qiáng)等[9]通過試制桌面式擠出機(jī)，完成了聚合物成型原理的實驗部分演示。沖壓過程仿真環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式通過演示，或者模擬，而因為需要必要的軟件基礎(chǔ)，往往需要開設(shè)相關(guān)軟件的培訓(xùn)課程，而實驗環(huán)節(jié)一般只是以演示的形式進(jìn)行。教育部辦公廳在2017年開展了首次虛擬仿真平臺建設(shè)，創(chuàng)建了實驗空間—國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享服務(wù)平臺，對實驗教學(xué)的多樣性及普適性具有較大意義。西南石油大學(xué)的《塑性成型原理及工藝》的課程實驗中“大型沖壓件成形過程虛擬仿真實驗”項目對沖壓工藝仿真部分是采用Deform軟件模擬，根據(jù)模擬分析結(jié)果評估設(shè)計內(nèi)容。

沖壓模結(jié)構(gòu)實驗環(huán)境的教學(xué)，大部分高校是以模具實物拆裝實驗來進(jìn)行的，由于模具的復(fù)雜程度不同，以及學(xué)生缺乏必要的鉗工技能，在裝配過程中，難以有效裝配，并且拆裝過程不確定性因素較多。此部分內(nèi)容高校虛擬實驗平臺內(nèi)容較豐富，創(chuàng)建虛擬裝配環(huán)境，或者利用VR技術(shù)虛擬裝配等，根據(jù)模具種類不同，形式各有區(qū)別。同樣在實驗空間平臺，模具結(jié)構(gòu)的實驗平臺如河南工業(yè)大學(xué)的“沖壓模具拆裝及結(jié)構(gòu)分析虛擬實驗”，是完全創(chuàng)建了一個模具車間虛擬場景，在場景中通過控制按鍵來實現(xiàn)模具拆裝的基本過程，將實驗中的動手環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔X操作，解決了學(xué)生拆裝技能的問題，但由于模具種類限制，結(jié)構(gòu)數(shù)量較少，僅實現(xiàn)了本套模具的拆裝，多樣性較難滿足要求。

另外，根據(jù)模具種類不同，模具設(shè)計工藝環(huán)節(jié)有不同的設(shè)計內(nèi)容，以沖壓模具為例，還需要進(jìn)行必要的排樣設(shè)計，該環(huán)節(jié)一般是以計算題題目的形式進(jìn)行，需要學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識，設(shè)計幾種不同排樣類型，分別計算其材料利用率，一般在專業(yè)軟件的輔助下完成。

前面介紹的三種虛擬仿真實驗類型對傳統(tǒng)的模具實驗都有一定的改進(jìn)，也都存在一定的問題。

首先，實驗平臺的共享。由于系統(tǒng)開發(fā)投入較大，一般高校在建設(shè)實驗室后也缺乏后期的維護(hù)，導(dǎo)致實驗平臺只能滿足本校學(xué)生的使用。

其次，課程設(shè)置同步性問題。應(yīng)用型本科課程設(shè)置一般重應(yīng)用，重操作，而理論基礎(chǔ)相對較弱，而仿真平臺需要有理論基礎(chǔ)的相關(guān)課程設(shè)置，也對軟件基本技能也有一定要求，針對不同課程，平臺不能很好地兼容各軟件并直接打開進(jìn)行實驗。

然后，虛擬實驗平臺中實驗的設(shè)置，會產(chǎn)生相關(guān)的實驗課程設(shè)計的改革以及實驗考核方式的變革。作為應(yīng)用型本科學(xué)校，實驗的過程性考核方式?jīng)]有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，那么實驗環(huán)節(jié)的設(shè)置也應(yīng)該有所不同，實驗課程的設(shè)置學(xué)期、課程內(nèi)容、考核標(biāo)準(zhǔn)等應(yīng)該有不同的標(biāo)準(zhǔn)。

最后，二次開發(fā)難度較大。虛擬實驗室搭建思路基本是以實物建模+虛擬軟件+計算機(jī)編程的模式進(jìn)行，對于傳統(tǒng)的工科教師來說，在實驗環(huán)節(jié)中，只能按照設(shè)定的流程逐步進(jìn)行，科研性較差，且對應(yīng)用型本科來說，實驗環(huán)境相應(yīng)的比重較大，模型數(shù)量和實驗條件應(yīng)該有所區(qū)別，但由于各虛擬實驗平臺兼容性較差，對不同軟件環(huán)境的教師不夠友好，需要相應(yīng)的知識能力積累，進(jìn)行必要的調(diào)整、修改，或者后期優(yōu)化難度大。

4 發(fā)展趨勢

根據(jù)以上分析，模具虛擬實驗平臺目前的發(fā)展還在起步階段，針對存在的問題，筆者認(rèn)為可能的發(fā)展趨勢有以下四方面。

①與企業(yè)協(xié)同創(chuàng)建虛擬實驗平臺?，F(xiàn)有的模具虛擬實驗平臺過分強(qiáng)調(diào)“虛”的演示，對于工科“實際問題”忽略不計[10]，應(yīng)用型本科對動手能力強(qiáng)、有一定實踐訓(xùn)練并能夠綜合解決問題的人才的培養(yǎng)一直都是非常重視，這就需要加強(qiáng)與企業(yè)的合作，由企業(yè)提出實際問題，并共同搭建虛擬實驗平臺，教師設(shè)置考核點及評分標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生在真實的生產(chǎn)環(huán)境中自主完成實踐內(nèi)容。

②虛擬實驗平臺的統(tǒng)一。從應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)看，不僅需要獨立的思考能力，較強(qiáng)的動手能力，還需要與實際生產(chǎn)相匹配的能力。以模具設(shè)計為例，設(shè)計部分需要考慮到后期的加工與工藝過程，目前的虛擬平臺過分強(qiáng)調(diào)了每個考核環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)，甚至設(shè)置的選項中不考慮實際生產(chǎn)環(huán)節(jié)的問題，模具加工部分?jǐn)?shù)據(jù)與數(shù)控加工虛擬平臺的統(tǒng)一配合，使學(xué)生從設(shè)計到加工各個環(huán)節(jié)綜合考慮，也實現(xiàn)了模具加工課程與設(shè)計課程的綜合。

③相關(guān)配套資料的完善。虛擬實驗平臺的搭建使得實踐動手能力明顯區(qū)別于傳統(tǒng)實驗操作，這就需要配套的相關(guān)操作說明及教材等配套資料。該配套資料不同于通用軟件的使用教程，只適合本虛擬實驗平臺，相關(guān)教師及學(xué)生在實驗開始前需要熟悉并掌握相關(guān)的理論知識及軟件基礎(chǔ)知識。

④課程體系的改革。課程之間的銜接關(guān)系將進(jìn)一步放大，勢必影響課程體系設(shè)置的改革。模具虛擬實驗平臺與前期的三維建模、工程材料、互換性與技術(shù)測量、模具設(shè)計、數(shù)控加工、生產(chǎn)實踐，將在一個平臺中完成。傳統(tǒng)的以學(xué)期為單位的課程體系將被打破，變成以項目驅(qū)動形式進(jìn)行的課程體系改革。

5 總結(jié)

模具虛擬實驗平臺的搭建為廣大學(xué)生及愛好者提供了一個實踐機(jī)會，減少了實驗室經(jīng)費，切實解決了應(yīng)用型本科部分設(shè)備不足的問題，為學(xué)生掌握必要的理論知識、實踐經(jīng)驗以及實驗平臺操作提供了一定的條件，但在使用過程中還存在應(yīng)用局限，對教師、學(xué)生以及教務(wù)部門都提出了一定的要求。教師方面，需要具備課程相關(guān)的全科知識，又要有一定的建設(shè)思路，能從學(xué)生、企業(yè)、實操三個方面思考可操作性及考核標(biāo)準(zhǔn)，還需要具備一定的虛擬實驗室建設(shè)知識，從數(shù)字化的角度分析實驗平臺搭建中的問題。學(xué)生方面，不再以一門課程的實驗成績作為課程考核實踐部分的分?jǐn)?shù)，此時應(yīng)該綜合考慮各學(xué)科間的關(guān)聯(lián)，以及實踐問題的解決。教務(wù)部門應(yīng)該做好服務(wù)工作，為模具虛擬平臺的課程建設(shè)與改革提供必要的條件，并積極配合課程改革。模具虛擬實驗平臺的利用任重道遠(yuǎn)，各應(yīng)用型本科在實踐過程還需要努力探索一條適合自己的發(fā)展道路。

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】