高職模具虛擬現實技術在手機客戶端的應用

吳劍平，時虹，馮美龍

（九江職業技術學院機械工程學院，江西九江332007）

高職模具虛擬現實技術在手機客戶端的應用

吳劍平，時虹，馮美龍

（九江職業技術學院機械工程學院，江西九江332007）

當前職業院校模具專業教學中，由于受到設備、場地等多重條件的限制，降低了學生的學習效果。隨著虛擬現實技術和智能手機的快速發展，開發富有現代職教體系特色的教學資源，是職業教育工作者不斷探索的重要課題。通過探討運用三維建模軟件及虛擬現實軟件構建虛擬模具及將虛擬模具移植到手機端的方法，實現虛擬模具交互控制的途徑。

模具；模具設計；虛擬現實；虛擬仿真；虛擬交互

模具設計與制造技術已成為一個國家制造水平的重要標志，因此，掌握模具零部件的結構特點、模型設計與編程加工等對學生今后在專業領域的發展起著重要作用。雖然目前各高職院校的教學條件已大為改善，有些院校已能夠大量采用多媒體與實訓室相結合的教學模式，但這些仍難以全面達到模具教學的要求，因為模具教學有其獨特的專業特點，即模具的復雜多樣性，多數圖例沒有實物模型與之對應，更不可能有全部的模具機床，這就導致缺乏用實物模型去解釋其工作原理及設計要求，工作過程難以被學生理解，教學比較抽象，在傳統教學模式下，學生會反映教學內容枯燥，概念模糊，直接影響了學生的學習興趣，更難以理解不同產品需要設計出不同模具的方法。通過總結教學經驗，利用虛擬現實技術創建虛擬模具空間，加強學生的感知認識，并提供交互功能，會大幅提高學生的學習積極性和主動性，從而提高教學質量，但這還不夠，因為虛擬模具需要以電腦作為載體，機房的固定性難以滿足教學和學習要求，而智能手機的應用很好地解決了這個問題，即把虛擬模具移植到手機端，讓學生不受時間、空間的制約隨時隨地的交互學習，大幅提高學習效率。

1模具模型的建立與數據交換

1.1 模具模型的建立

模具三維設計軟件很多，如UG、PROE、CATIA、SOLIDWORKS等，本文采用UG8.5作為數碼相機主體前蓋產品注塑模三維模型的開發工具，主要應用的是UG的模型及裝配模塊，用的命令主要是拉伸、抽殼等常用命令，過程比較簡單，但步驟繁瑣，在此不再贅述。模型創建的順序如下。

（1）依產品和注塑機確定外廓尺寸。圖1為產品三維模型，材料為工程塑料增強ABS，拉伸強度80 MPa，耐沖擊性80 J/m，彎曲彈性率在28 000 kg/cm.注塑成型后產品長104 mm、寬60 mm、高18 mm，最厚處1.8 mm，最薄處0.8mm.

圖1 產品三維模型

（2）設計進料系統。澆口類型為點澆口。

（3）計算型腔、型芯尺寸。模仁尺寸為長155 mm、寬110mm、高50 mm.其中型芯高24 mm.型腔高26 mm.

（4）設計頂出方式。采用推桿推出機構，拉料桿為Z型拉料桿。

（5）設計冷卻系統。

（6）模架導入。

模架為三板模，尺寸為長400 mm、寬400 mm、高366 mm.其中定模板厚70 mm.動模板厚80 mm.最終完成的模具三維模型如圖2所示。

圖2 模具三維模型

1.2 模型的數據交換

用UG建立的模型數據還不能直接導入到虛擬環境中，需應用3DMAX等軟件進行模型數據交換。3DMAX軟件是基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件，其功能十分強大，應用廣泛。數據交換的方法如下。

（1）在UG裝配模塊下，選擇文件菜單的導出命令，點擊STL彈出快速成型對話框，把三角公差和相鄰公差的默認參數值設置小一些，分別為0.04和0.05，目的是為了提高模型曲面的顯示精度。確定后指出STL文件的路徑和名稱，注意路徑和名稱不得使用中文。再選擇要導出的UG實體模型，每次只需導出一個零件即可，暫不導出的模型可以先隱藏起來。

在UG裝配模塊下導出STL格式文件的優點在于，保留了每個零件的系統坐標值，以保證在下一步3DMAX導入時不必再重新裝配。STL格式文件是計算機圖形應用系統中的標準文件類型，是用三角形網格來表現的三維CAD模型，它的文件格式非常簡單，應用很廣泛。

（2）在3DMAX 2012軟件中，選擇文件菜單的導入命令，將上一步導出的STL文件逐個導入，導入完成后模具模型各零件的大小及相對位置保持完好。

接著制作模架展開過程的動畫。主要應用的是時間軸模塊，用到的命令主要是移動、綁定等命令，動畫制作過程比較簡單，但步驟較多，在此不再贅述。動畫制作完成后，將模型導出為FBX格式文件，導出時注意兩個參數的設置：勾選導出動畫及坐標軸Y軸朝上。

FBX格式是用于跨平臺的三維數據交換格式，目前被眾多的標準建模軟件所支持，常作為建模軟件的標準導出格式。其優點是軟件之間進行模型、材質、動作和攝影機信息的互導。

2搭建虛擬環境并移植手機端

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）也稱人工環境，是利用電腦圖形技術模擬產生一個三維空間的虛擬環境，提供關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，猶如置身其境的感覺[1]。將虛擬現實技術應用于模具教學，將發現自己置身于一個模具工廠之中，所有模具、機床應有盡有，當按下控制按鈕時，設備將開始工作，可以在任意角度觀察模具結構及工作過程，甚至可以將某些零部件隱藏起來或進行半透明處理，以便更好的觀察。

2.1 搭建虛擬環境

虛擬現實開發軟件較多，如Unity、Virtools、中視典VRP、WebMax等，本文以英文版Unity5.2作為發布Android平臺的開發軟件。Unity是一個多平臺的綜合型游戲開發工具，其可視化編程界面易于完成各項開發工作，高效腳本編輯，通過Unity開發的網頁游戲、手機游戲，支持各個平臺良好。Unity開發環境需安裝配置Java JDK和Android SDK開發工具，開發環境搭建好后即可開始Unity虛擬環境的編輯。編輯方法概述如下。

（1）導入FBX模型資源并添加材質。新建工程保存后，導入先前用3DMAX進行數據交換的FBX模型資源文件，在屬性面板中將該資源的屬性設置為：Model Scale Factor（1）；Rig Animation Type（Legacy）。設置完成后將FBX模型拖入Scene場景中，進行可視化編輯。

FBX模型的XYZ坐標值修改為（0，0，0），便于后面的精確操作，在場景中添加一個平行光、一個點光源和一個空游戲物體，空游戲物體的坐標值修改為（0，0，0），半徑修改為FBX模型的120%大小，然后把FBX模型拖拽給空游戲物體作為子物體對象，這樣只要給空游戲物體添加滾動、縮放程序腳本，FBX模型中全部零件都可做空游戲物體相同的動作。

接著在項目面板中新建多個不同顏色的材質，材質類型均設置為高光類型，如Legacy Shaders/Specular.把創建好的材質逐一拖拽給所有零件。

（2）添加C#腳本。滾動與縮放腳本如下，該腳本拖拽給空游戲物體。

public Vector3 mousePos；

IEnumerator OnMouseDown（）{

mousePos=Input.mousePosition；

while（Input.GetMouseButton（0））{

Vector3 offset=mousePos-Input.mousePosition；

transform.Rotate（Vector3.up*offset.x*0.3f，Space. World）；

transform.Rotate（Vector3.right*offset.y*0.2f，Space. World）；

mousePos=Input.mousePosition；

yield return null；

}

}

void Update（）{

if（Input.GetAxis（"Mouse ScrollWheel"）＜0）{ if（Camera.main.fieldOfView＜=100）

Camera.main.fieldOfView+=2；

if（Camera.main.orthographicSize＜=20）

Camera.main.orthographicSize+=0.5F；

}

if（Input.GetAxis（"Mouse ScrollWheel"）＞0）{ if（Camera.main.fieldOfView＞2）

Camera.main.fieldOfView-=2；

if（Camera.main.orthographicSize＞=1）

Camera.main.orthographicSize-=0.5F；

}

}

還有界面及按鈕控制腳本，由于該腳本代碼較長，在此不再贅述，該腳本拖拽給主攝影機。

（3）發布PC平臺可執行程序。

選擇文件菜單下的發布設置命令，在彈出的對話框中添加要發布的所有場景，然后選擇要發布的平臺PC，再點擊發布。發布的最終程序是EXE可執行程序文件，可在PC平臺上操作應用，對各操作系統的兼容性非常好。

2.2 發布Android平臺，移植手機端

發布Android平臺還需要添加必要的腳本，如觸屏腳本、屏幕設置腳本等，這個腳本拖拽給主攝影機。發布Android的步驟與發布PC的步驟基本相似，選擇要發布的平臺時選擇Android.發布的最終文件是一個APK文件，將該文件下載到手機端安裝后即可應用。圖3是點擊展開模架按鈕后模具K02的效果圖，該系統中可以觸屏隨意滾動、縮放模具，點擊返回按鈕后還可以選擇其它模具進行操作，界面簡潔直觀，符合手機屏幕小的特點。

圖3 虛擬模具在手機端的顯示效果

3結束語

智能手機作為一種新興的移動通訊設備，其功能越來越強大，與互聯網數據交換技術日趨成熟，越來越多的PC應用媒體和軟件經過程序轉換后可移植到手機端應用。雖然虛擬現實技術在手機端的開發應用尚處初級階段，但其在教學中的應用所帶來的效果是顯而易見的，可以預測，隨著虛擬現實技術和智能手機的發展，以及無數教學工作者的積極研發，移動教學必將成為中國教育不可或缺的重要組成部分。

[1]王月蓉.淺談虛擬現實技術在教學中的應用[J].無線互聯科技，2013（11）：233-234.

The App lication of VocationalCollege Mould VirtualReality Technology in the Mobile Client

WU Jian-ping，SHIHong，FENGMei-long
（School ofMechanical Engineering of Jiujiang Vocational and Technical College，Jiujiang Jiangxi332007，China）

In the current vocational collegesmould professional teaching，the limitation of equipment，sites，such asmultiple conditions reduce the student’s learning effect.With the rapid development of virtual reality technology and smart phones，the teaching resources of the system of characteristic modern vocational education is an continuously important theme of the vocational education workers.This paper discusses using three-dimensional modeling software and virtual reality software to build virtualmould and transfer tomobile phone sidemethod from the virtualmould，then the way of virtualmold interactive controlling realize.

themould；mould design；virtual reality；virtual simulation；virtual interaction

TP315

A

1672-545X（2016）12-0230-03

2016-09-14

江西省高等學校教學改革研究省級課題（課題編號：JXJG-14-45-1）

吳劍平（1968-），男，江西九江人，本科，副教授，主要從事模具設計與制造、虛擬現實仿真等方面的教學研究工作。