基于Unity3D的注塑模設計虛擬仿真教學系統的構建

姚曉晨

摘要：針對技工院校模具設計與制造專業(yè)教學中存在的問題，引入了創(chuàng)新的教學模式，提出了基于虛擬現實的模具專業(yè)教學策略。本文通過分析虛擬現實在技工院校模具專業(yè)教學中的應用意義，構建了基于Unity3D的注塑模設計虛擬仿真教學系統。以“項目教學法”為引領，實現“理實一體”的教學模式，在技工院校模具專業(yè)教學中起到良好的輔助作用。

關鍵詞：注塑模設計；虛擬仿真教學系統；Unity3D

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）11-0174-02

隨著科技的飛速發(fā)展，虛擬現實技術通過構建三維逼真的虛擬環(huán)境，以人的參與為核心，形成人機互動的高技術模擬系統[1]。虛擬現實技術憑借其三維空間表現能力和人機交互式的操作環(huán)境而給人帶來良好的用戶體驗，已經廣泛地應用在教育教學中。

1 虛擬現實技術應用在技工院校模具專業(yè)教學中的意義

模具設計與制造專業(yè)是各技工院校的傳統專業(yè)，當前我國技工院校的模具設計與制造專業(yè)的教學目的是培養(yǎng)掌握模具設計專業(yè)理論和現代模具制造技術、從事模具設計與制造、模具裝配、模具調試和維護以及生產管理的高級技術、技能型人才。但隨著技工院校的生源質量下降，學生綜合素質偏低，學生的學習興趣和積極性不高，自我管理、自我約束的能力較差。在模具教學中，老師仍然是按照傳統的教學方法去灌輸知識而不是學生自己積極地學習，學生學習主動性得不到提高，發(fā)現問題和解決問題的能力得不到培養(yǎng)，創(chuàng)新能力也無法發(fā)掘，傳統教學模式已經不能滿足現代教學要求。基于虛擬現實技術，在注塑模設計課程中建立虛擬仿真教學系統，構建真實實驗場景，實現人機交互，將理論與實踐充分融合，有利于教師把握課堂教學環(huán)節(jié)，將精力更多集中在學生能力發(fā)展方面，而學生也能深入了解注塑模具典型零件及結構的設計方法，模具的拆卸和組裝步驟等，可以激發(fā)學生自主學習和積極探索的能力。

本文基于技工學校模具專業(yè)的教學現狀，建立一套合適的教學系統，利用虛擬仿真技術實現對注塑模具設計課程的仿真模擬教學和訓練。分析注塑模設計課程大綱和教學目標，以“項目教學法”為指導，整合注塑模設計教學的資源，通過現代化的教育手段和方法，把抽象、零散的理論知識轉化為系統的、有條理的、形象的、一體化的綜合感性認識并加以鞏固實踐。合理設置系統各功能模塊，克服傳統實驗教學的弊端，符合技工院校學生的思維特點和教育規(guī)律，對提高教學效果，增強學生的實踐操作技能具有積極作用[2]。為模具專業(yè)的教學提供了強有力的支持，為廣大師生提供了一個良好的學習平臺。它還縮小了生產實際與課程體系之間的差距，為解決當前模具行業(yè)人才的供求矛盾提供了一種途徑。既滿足了當代模具教學的需求，又符合教育改革方向。

2 Unity3D項目開發(fā)流程

Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的多平臺集成游戲開發(fā)工具，可輕松創(chuàng)建三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等互動內容，是一個全面整合的專業(yè)游戲引擎。

運用Unity3D 進行虛擬仿真系統開發(fā)，需遵從軟件工程的思想進行開發(fā)流程設計，從項目需求分析入手，設計系統各模塊實現的功能。項目開發(fā)流程如圖1所示：第一步根據系統需求分析建立每個模塊流程腳本文檔，用于指導模塊開發(fā)；第二步根據項目具體需求進行場景模型的采樣、貼圖以及其他素材準備；第三步通過3ds Max完成相關場景、模型及其紋理、過程動畫；第四步是創(chuàng)建Unity3D項目，導入3ds Max 相關模型，并調整燈光與材質；第五步是根據流程腳本和功能需求實現模型交互程序實現；第六步進行項目發(fā)布。

3 虛擬仿真教學系統的設計

基于Unity3D的注塑模設計虛擬仿真教學系統主要針對學生終端用戶，根據注塑模設計教學思路和過程，以模具零件、模具結構以及典型模具為教學切入點，設計三個系統核心模塊，即典型零件與結構設計、拆裝設計和模流分析。

典型零件與結構設計實驗室主要致力于解決學生從注塑模零件、結構認知到設計的學習問題，把項目教學方法整合到教學中，并根據過程將注塑模設計分為十個項目：即塑件零件的工藝性分析、成型設備的選擇與工藝、注塑模具分型設計、澆注系統設計、成型零件設計、模架設計、調溫系統設計、推出機構設計、側向分型抽芯機構設計以及工程圖繪制與材料選擇。教師用戶進入實驗室，可以根據項目進行教學設計，每個項目都配備了相關知識和設計要點，同時在模型庫里搭載了相應的模型。在教學時，教學系統可用于旋轉和縮放模型，引導學生分析結構特征，增強教學直觀性，激發(fā)學生的學習興趣。

拆裝設計實驗室主要包括兩大模塊：首先，通過自動拆裝來觀察模具零部件的拆卸和組裝過程；二是通過用戶選擇工具進行手動交互拆卸和裝配。當學生使用該系統進行交互拆裝時，必須要最大程度地模仿實際工作場景，以確保按照正確的順序執(zhí)行，不能有次序混亂、顛倒拆裝、選擇錯誤等不符合實際拆裝情況的現象出現[3]。學生用戶進入虛擬裝配實驗室后，可以選擇要進入自動拆裝演示模塊還是手動交互拆裝模塊。自動拆裝演示是根據已經設計好的裝配序列，播放拆卸和裝配的過程。手動交互拆裝是用戶自主交互完成拆裝過程。在該過程中，用戶依次選擇工具和拆裝對象，系統會自動監(jiān)測用戶的拆裝順序是否正確，若出現錯誤，系統會跳出錯誤提醒對話框來糾正用戶。

模流分析實驗室主要是利用Moldflow軟件對塑件指定材料與和工藝實現其注射成型仿真并分析其結果的可能性。進行澆注系統和冷卻系統設計，并執(zhí)行流動分析，例如注塑過程的充填、流動、冷卻和翹曲等。從而驗證模具布局是否合理，注塑工藝參數設計是否合適，并建立正交試驗以優(yōu)化對成型結果，得出影響注射成型結果如翹曲、氣穴、熔接痕等的影響因素。可視化技術可以直觀的觀察注射時塑料熔體的成型及缺陷產生的過程，將理論與實際結合起來，有利于初學者更加真實的了解注塑模具工作過程。對于學生用戶而言主要是通過系統中導入的模流分析動畫理會注塑成型過程，從而理解模具工作原理，認識模流分析報告，初步形成對方案可行性評估的理念。

通過構建注塑模設計虛擬仿真教學系統輔助實際教學，教師能夠輕松把握上課環(huán)節(jié)，創(chuàng)設真實學習“情境”，將“項目教學法”的關鍵步驟：“協作”和“交流”貫穿于整個學習過程中，引導學生主動發(fā)現問題、分析問題、交流協商，解決問題，最終形成知識建構。學生則可以通過自由縮放觀察模具零件、拆裝模具、觀看視頻，輕松了解模具零部件結構及工作原理，加強對理論和實踐知識的掌握，從而掌握一般注塑模的設計方法。虛擬仿真教學系統作為教學輔助手段，極大地增強了師生互動，激活了課堂氛圍。同時，學生的學習能力、實踐能力和創(chuàng)新能力也可以大大地提高。

4 系統實現的關鍵技術

在注塑模設計虛擬仿真教學系統的研究與實現過程中，關鍵技術有模型建立及優(yōu)化、動畫制作、界面設計及可視化編程等。根據注塑模具的特點，選取典型模具模型，采用專業(yè)的三維建模軟件SolidWorks進行建模，運用SolidWorks的插件IMOLD完成注塑模設計。導入3ds Max中進行模型優(yōu)化和動畫制作。在Unity 3D中使用UGUI插件進行交互界面設計，并使用playMaker插件進行可視化編程，完成交互功能。

5 結語

利用Unity 3D開發(fā)注塑模設計虛擬仿真教學系統，仿真度高、沉浸感強。它可以極大地提高學生的學習興趣，解決實際教學中的模具損耗和操作安全等諸多問題，促進了模具專業(yè)教學的改革，順應了現代化教學的發(fā)展。

參考文獻：

[1] 郄賽， 丁斌. 基于Unity3D的虛擬現實技術在科普活動中的應用[J]. 機器人技術與應用， 2012（6）：25-27.

[2] 趙燕. 職業(yè)院校模具專業(yè)虛擬與現實一體化項目課程建設[J]. 模具工業(yè)，2014，40（5）：69-73.

[3] 吳緯緯. 模具結構認知虛擬實驗系統的設計與實現[D]. 浙江大學， 2009.

【通聯編輯：光文玲】