消失模鑄造虛擬仿真實驗系統的實現與應用

余曉武, 范淑媛, 薛冰洋, 廖敦明

(華中科技大學 材料科學與工程學院, 湖北 武漢 430074)

近年來,國內眾多高校開設了消失模鑄造課程,大多采用課堂為主的教學模式,在課堂上講解消失模鑄造的原理、設備、工藝、特點[1-3]。但這種模式在實際教學中缺乏實物演示,使學生較難理解且感覺枯燥乏味。在實驗教學時,因場地有限、設備種類多、材料損耗多、實驗周期長、安全隱患多、看不到鑄件成形過程,消失模鑄造實驗教學往往達不到預期效果[4]。虛擬仿真教學為學生開展探究性學習、自主實驗和創新實踐提供了新手段、開放平臺和優質資源[5]。

虛擬現實技術的一個重要特點是沉浸性,即虛擬場景與真實環境十分相近,使人有身臨其境的感受[6]。運用場景仿真技術可以構建逼真的場景[7],較好地還原實際情況,使虛擬實驗具有良好的沉浸性。虛擬現實技術還可以實現很好的人機交互,通過用戶界面(user interface,UI),可以進行鼠標點擊/懸浮、拖動物體、人物移動、視角轉換等。

針對消失模鑄造教學中存在的問題,利用虛擬現實技術和Unity3D虛擬引擎,開發了一套消失模鑄造虛擬實驗系統。通過該實驗系統,可以解決設備不足、實驗觀察困難等問題[8],沒有實驗操作的安全隱患,縮減實驗操作所需時間,使學生進行完整的消失模鑄造實驗,提高消失模鑄造實驗教學質量[9]。

1 系統的模塊化設計

1.1 系統框架設計

以華中科技大學材料實驗教學中心的消失模鑄造實驗環境為原型,進行消失模鑄造虛擬實驗系統的場景設計,包括實驗設備、實驗材料和實驗環境等。根據教學目的不同,將虛擬實驗系統劃分為演示、認知、操作和考核等4個模塊,由系統界面控制用戶登錄和用戶切換操作。功能模塊和系統界面構成系統框架如圖1所示,所有模塊和界面均在Unity3D平臺上開發。

圖1 系統框架圖

1.2 功能模塊設計

1.2.1 演示模塊

演示模塊的功能是演示和講解消失模鑄造工藝流程,目的在于使學生直觀學習完整的消失模鑄造工藝知識,并為理論教學提供范例。作為講解消失模鑄造理論和工藝的模塊,演示模塊是核心,是首先開發的模塊,也是開發認知模塊、操作模塊和考核模塊的基礎。演示模塊的內容包括泡沫珠粒的準備、預發泡、熱化、發泡成型、鑄件清理等工藝過程[10],可進行自動播放、暫停/開始、加速/減速等操作。

1.2.2 認知模塊

認知模塊主要是展示消失模鑄造的實驗場景和實驗設備。在觀看演示模塊的實驗過程演示后,可以通過認知模塊對實驗場景和實驗設備有更清晰的認知,熟悉消失模鑄造的實驗環境,了解實驗設備在場景中的位置,學習實驗設備的名稱、結構、特點、作用,熟悉實驗設備的操作方法和注意事項等。教師也可以利用實驗設備模型進行講解,實現位置移動、視角轉換、設備選擇、文字介紹、場景漫游等演示功能。

1.2.3 操作模塊

操作模塊提供了消失模鑄造實驗實踐的機會。理論與實踐相結合,能使學生更好地理解和掌握消失模鑄造成形工藝和過程。在學習了理論知識、完成了設備和場景的認知后,需要學生親自動手進行消失模鑄造實驗操作,以更好地掌握消失模鑄造工藝和操作的理論知識和實踐技能。同演示模塊一樣,操作模塊設計有泡沫塑料準備、泡沫預發熟化、發泡成型、開模取樣、澆注系統制作、配料涂料、填砂造型、澆注與凝固、開箱落砂和鑄件清理等10個場景模塊。操作模塊設計如圖2所示。

圖2 操作模塊設計

1.2.4 考核模塊

考核模塊用于檢驗學生對消失模鑄造中重要知識點的掌握情況。在經過觀看演示、認知學習和操作實踐后,對學生進行考核,以檢測其學習效果,同時也可以驗證消失模鑄造虛擬實驗系統的教學效果。考核模塊設計包括內容設計(預發泡設計)和交互設計(視角轉動、鼠標點擊/懸浮、自由拆裝等)。

2 虛擬實驗系統實現

2.1 演示模塊

演示模塊的功能包括自動播放、視角轉換和用戶界面。自動播放功能包括視角自動切換、流程動作自動播放、提示文字自動加載變化和實驗場景的呈現,按消失模鑄造順序自動加載播放。視角轉換功能是通過鼠標變換視角,以方便用戶觀看。用戶界面功能包括場景提示、切換場景、內容提示、暫停或開始、加速或減速和返回首頁等功能,通過用戶界面和鼠標點擊實現場景名稱提示、場景跳轉、每步動作內容說明、暫停或開始實驗演示、改變演示速度以及退出演示模塊、返回主界面。

用戶功能主要用Unity3D的UGUI系統和代碼實現,演示模塊界面如圖3所示。

2.2 認知模塊

認知模塊基于真實實驗場景進行設計。認知模塊的界面設計包括設備選擇、文字介紹和返回首頁3部分。認知設備部分有相應的按鈕,通過點擊按鈕可以快速將視角切換到相應設備的正前方；文字介紹部分可以在屏幕移動或隱藏,對鼠標所指向的設備進行介紹；返回首頁UI用于退出認知模塊并返回主界面。

圖3 演示模塊界面

認知模塊有一項重要功能是場景漫游。場景漫游包括位置移動和視角轉換。位置移動設計為鍵盤操作,使用鍵盤上的方向鍵或者WASD鍵控制人物前后左右移動。視角轉換設計為鼠標操作,主要包括視角的轉動和人物高度的調整,通過場景漫游可以查看不同設備和實驗場景。認知模塊部分虛擬設備瀏覽界面如圖4所示。

2.3 操作模塊

操作模塊的功能包括UI界面功能、視角轉動功能、鼠標點擊觸發功能、鼠標懸浮觸發功能和鼠標拖動物體功能等。

圖4 虛擬實驗儀器設備

“UI界面”功能主要是對Scene模塊當前操作步驟的文字提示(該提示可以移動和隱藏),標記已完成的每一步操作,通過點擊Scene模塊按鈕在10個Scene模塊間快速切換或重新加載。

“視角轉換”功能主要設計為鼠標操作,以便變換到更好的視角進行操作。一些操作步驟直接采用鼠標點擊觸發功能進行操作。所有可以進行操作的物體,使用鼠標懸浮觸發功能顯示懸浮層,使用鼠標停留進行高亮顯示,以便提示具體操作的物體或零部件。

“鼠標拖動物體”功能便于拖動部分物體進行觀察,增加操作多樣性。操作模塊界面如圖5所示。

圖5 操作模塊界面

2.4 考核模塊

開模取樣是消失模鑄造過程中的一個關鍵操作,能夠加深學生對模具的認識,是本專業經常開展的一項實驗課。考核模塊以開模取樣為基礎進行設計,通過進行不帶任何文字提示的實驗操作來考核學生完成實驗的情況。在進行考核時,后臺自動判斷操作正確與否并計分; 考核結束后,系統自動計算成績,生成考核報告并存儲在系統中。考核模塊界面如圖6所示。

圖6 考核模塊界面

3 虛擬實驗系統應用

采用虛實結合的教學方法,讓每一個學生都能親身體驗消失模鑄造的工藝流程,通過消失模虛擬仿真實驗增強動手能力和解決問題的能力。

(1) 通過虛擬仿真實驗系統中的實驗演示,幫助學生快速了解消失模鑄造的工藝流程。通過泡沫預發、發泡成型、金屬液充型等原理視頻播放,直觀地向學生演示完整的消失模鑄造過程。在實驗演示過程中,學生還可以借助鼠標轉換視角,可任意方向、近距離查看細節,也可以自由控制實驗進度。

(2) 在實驗操作模式下,學生可以沉浸式體驗消失模鑄造的操作過程。在實驗過程中,學生手動拆裝模具、設置設備參數、控制開關,并且通過設置導航選單、彈窗等功能進行實驗。通過人機交互虛擬操作體驗,可以加深學生對消失模鑄造實驗的認知和理解。

(3) 通過真實環境的分組實驗,學生可以實際動手操作現有的消失模設備,包括三維振動臺、負壓系統、澆注系統、干燥箱等。

(4) 在虛擬系統中進行虛擬考核,檢查學生對掌握消失模鑄造工藝和設備的情況。學生和教師共同參與,降低實驗考核的成本。

消失模鑄造虛擬仿真實驗系統涵蓋消失模鑄造的全部工藝過程和大多數工藝設備,有效地消除了設備、場地等硬件限制對消失模鑄造實驗教學的影響,避免了高成本、高能耗和安全隱患,讓學生直觀理解消失模鑄造成形的全部過程,能有效促進學生的認知和進一步的創新活動。虛實結合的實驗方式讓學生對消失模鑄造工藝流程理解更加深入,提高了學生動手實驗的積極性,深受廣大學生的歡迎。

4 結語

開發的消失模鑄造虛擬仿真實驗系統場景逼真,基于鼠標和鍵盤的操作簡單多樣,可以很好地輔助教師課堂教學和學生課前課后自學。該系統已用于華中科技大學材料科學與工程學院的消失模鑄造實驗教學中,提供了一種新的教學手段和教學方式,不僅解決了傳統實驗教育存在的教學成本高、實踐機會少和存在安全隱患等問題,還提升了學生的學習興趣和自學能力,有效提高了教學質量。