基于Unity3D溫成形虛擬仿真實驗的設計與開發

陳康 姚云歡 付成云 高潔純

摘? 要：隨著計算機技術及虛擬現實技術的迅速發展， 各高校對一些實驗項目進行虛擬化設計，進而改善學生多、設備不足或者實驗風險高等教學狀況。結合UG、3ds Max、Unity3D、Photoshop等計算機工具構建了溫成形虛擬仿真實驗平臺，實現了以第一人稱視角的實驗場景漫游、溫成形設備的運動以及實驗交互操作，使學生在安全可控的環境中對溫成形實驗進行操作，更方便直觀地掌握實驗。

關鍵詞：溫成形? 虛擬仿真實驗? Unity3D? 交互設計

中圖分類號：TP319? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）04（a）-0014-02

傳統溫成形實驗是對板料直接進行加熱，然后放入模具中沖壓成形，板料放入到模具的過程中溫度會有所降低，具有一定局限性。針對上述不足，采用一種能準確控制板料溫度的油浴式溫成形裝置。在現實實驗中，由于該實驗存在一定高溫風險，且設備數量受限等原因，基本上都是由實驗老師演示，很少有學生能參與實驗的實際操作。溫成形實驗的虛擬仿真實驗系統將徹底打破傳統空間的限制，學生可以在虛擬環境下，模擬真實溫成形實驗過程。在使用過程中不存在任何操作風險及設備損壞等問題，且人人可參與，人人會操作。既促進了學生對溫成形實驗的認知，又節省了昂貴的實驗經費。

1? 實驗內容

實驗在25℃～400℃下設置8個不同溫度。調整好溫控系統加熱溫度，將坯料與模具浸入導熱油中加熱，待溫度達到設定溫度后進行拉深實驗，將初始板料直徑設為100 mm進行拉深，若板料未出現破裂，則增大坯料直徑直到出現破裂為止[1]，使用游標卡尺分別測出不同溫度下拉深件的最大成形高度。

2? 實驗設計流程

對于溫成形虛擬仿真實驗系統的實現過程，首先利用UG建立溫成形裝置的零件圖并裝配，導入3ds Max中進行渲染，然后以Unity3D可以兼容的格式導入，導入后在Unity 3D中添加相關組件進行虛擬場景的搭建[2]。搭建完成后做系統的界面設計與交互設計，對平臺進行性能測試，符合要求即可發布，生成Webplayer文件或exe文件。

2.1 溫成形裝置建模與導出

采取實地拍攝的方式收集溫成形設備信息，利用UG建模技術1∶1還原溫成形實驗模具。建模的基本原則是，采用最簡單的模型保證模型的真實性，可將不需要運動的模型合并為一體，減少模型數量[3]，主要建立的模型有液壓機、溫成形模具、工件、坯料、實驗室墻體、白熾燈、柜子、盆栽、辦公桌椅等。生成的模型以STL格式導出。

2.2 模型的渲染和導入

將生成好的STL文件導入到3ds Max中，為模型添加材質、貼圖及渲染處理，使模型更加逼真，調整好各部件的坐標位置關系，將其以FBX格式導入到Unity3D引擎的虛擬場景中。

2.3 系統交互模塊的實現

2.3.1 第一人稱漫游

為了方便操作與觀察，以主攝像機的第一人稱視角在虛擬實驗室中進行操作與漫游，利用鍵盤上的上下左右鍵來進行移動，利用鼠標進行視野的旋轉。在角色漫游時避免不了與墻體及實驗設備發生接觸、碰撞和其他形式的運動，為使這些運動符合自然規律、避免人與物體產生穿透現象，需要對相應的物體添加碰撞器。通過創建一個具有一定高度的膠囊體，并在膠囊體上綁定攝像機，這樣攝像機變為一個帶有剛形體組件和碰撞器的對象，同時受重力作用發生碰撞時產生相應的物理運動。

2.3.2 成形過程的交互與實現

（1）毛坯放入模具動作：編寫Mousedrag.cs腳本實現利用鼠標左鍵拖拽毛坯放入壓料板上方相應位置，為了方便觀察，拖拽時毛坯處于1.5倍放大狀態，松開鼠標后毛坯恢復正常大小。

（2）壓力機沖壓動作及回程動作：編寫了move.cs腳本可實現通過觸發按鈕啟動壓力機，壓力機帶著上模下行，與壓料板配合對浸在導熱油中的坯料進行壓邊，壓力機繼續下行，配合凸模對毛坯進行拉深成形;成形完成后，上模回程過程中壓料板在彈簧的作用下將工件從凸模中推出[4]，并隨著凹模一起離開油液面。

（3）沖壓結束后取出工件動作：編寫了xxx.cs腳本可實現利用推桿直接推動推件塊，將卡在凹模內的工件推出，觀察者拿起工件時，工件將放大2倍，自動彈出工件高度信息。

2.4 界面制作

在溫成形虛擬仿真實驗系統中，需要將沖壓過程中各個動作布置到操作界面上，該系統使用Photoshop軟件制作靜態操作界面，利用Unity3D自帶NGUI插件創建相關界面與按鈕。

2.5 系統的發布

利用Unity3D軟件完成溫成形仿真實驗系統（見圖1），系統發布流程為File-Building Settings-PC，Mac&Linux Standalone-Player Settings-Build，檢查完系統中腳本程序中沒有出現Bug時，即可進行發布在Build Settings中打包成exe格式文件和web格式，發布的Web端可以以靜態網頁文件和數據包的形式存在， 用戶可在客戶機上以B/S模式運行[5]，通過網頁即可遠程進入溫成形仿真實驗系統教學系統。學生按照操作說明完成溫成形仿真實驗的學習過程，從而達到自主學習的目的。

3? 結語

該系統利用UG、3ds Max構建了虛擬的實驗模型，使用Unity3D引擎搭建整個虛擬交互平臺，真實再現了溫成形實驗過程，該系統界面簡潔、逼真度高，學生可以更清晰地了解溫成形實驗裝置結構和工作原理，對材料類其他實驗的虛擬仿真化、網絡化提供一定的參考。

參考文獻

[1] 周杰.5083鋁合金板溫拉脹成形性能研究[D].重慶理工大學，2018.

[2] 李阿樂，鄭曉雯，辛海林，等.基于Unity 3D的液壓支架運動仿真系統研究[J].機電產品開發與創新，2014，27（5）：79-81.

[3] 楊志文，張爭艷，楚蓓蓓，等.基于Unity3D的組合夾具虛擬拆裝教學系統設計與實現[J].河北工業大學學報，2018，47（5）：8-16.

[4] 陳康，劉慧.新型油浴式鋁合金板溫成形模具設計[J].熱加工工藝，2017，46（17）：151-154.

[5] 熊平原，李建成，周玉梅，等.基于Unity3D的機械運動方案虛擬創新設計實驗平臺構建研究[J].輕工科技，2017，33（7）：67-69.

①基金項目：重慶理工大學實驗創新基金項目（項目編號：2018）;重慶理工大學材料科學與工程學院精英計劃項目。

作者簡介：陳康（1977—），男，四川廣安人，碩士，高級實驗師，主要從事材料加?CAM領域的教學與科研工作。