基于網絡的板料沖裁間隙虛擬實驗系統研究與實現

范淑媛, 廖敦明, 周華民, 俞彥勤, 王耕耘

(華中科技大學 材料科學與工程學院, 湖北 武漢 430074)

板料沖壓成形是一種重要的材料加工方法,在我國制造業有廣泛的應用[1]。高校傳統的、形式單一的板料沖裁實驗教學方法已無法滿足對板料沖裁技術人才培養的需求。一方面，學校的實驗條件無法保證每一位學生進行完整的板料沖裁實驗[2];另一方面,對于沒有實操經驗的學生來說,安全風險較大[3]。

隨著計算機與網絡技術在虛擬實驗中得以應用,其設計準則和功能模塊逐步完善,網絡虛擬實驗已逐漸成為遠程實驗教學的熱點,越來越多的基于虛擬現實和網絡技術的虛擬實驗被開發出來[4-9]。與實體實驗相比,網絡虛擬實驗在時間、空間、成本、耗材、儀器損耗方面具有很大的優勢[10],保證了實驗的穩定性、高效性以及實驗結果的可靠性、可預測性,解決了實體實驗和單機版虛擬實驗在開放性、共享性[4]方面的難點。然而虛擬實驗的感性認識和虛擬操作終究不如在實際環境中真實地操作,因此網絡虛擬實驗必須與實體實驗相結合,采用虛實結合、以虛補實、以虛探實的教學方式,才能更好地提高實驗教學質量,促進實驗教學的進步[5]。

1 關鍵技術研究

1.1 場景仿真技術

虛擬實驗場景及虛擬設備的逼真程度直接影響實驗者的沉浸感,所以場景仿真技術直接決定了虛擬實驗的質量。

首先是三維造型技術,包含采集數據和建模兩個過程。造型數據的來源有工程圖紙、三維掃描和手工測繪3種方式。依據工程圖紙可直接建模,但是由于構建場景的組成部件種類較多,并非所有的建模內容都有圖紙,所以使用較多的是三維掃描的逆向建模和手工測繪的正向建模。一般具有復雜曲面的部件使用三維掃描,結構規則的使用手工測繪。獲取造型數據后,可以依據情況選用UG、PROE、3DMax等軟件進行三維建模。

其次是貼圖技術。貼圖一般分為展UV和上材質兩個過程。展UV是根據三維模型的結構信息將需要貼圖的面展成一個平面,方便后期貼圖的制作與修改;上材質是使用在圖像處理軟件中制作完成的貼圖與模型文件建立連接。

最后是烘焙及渲染。合理地設置燈光,調整環境中的平行光、點光源、聚光燈及各種反射、陰影效果,即可呈現出逼真的實驗場景效果(見圖1)。

圖1 沖壓模具模型貼圖前后對比圖

1.2 網格切割及優化技術

板料沖裁間隙網絡虛擬實驗是基于Unity3D引擎開發的系統,模型的網格包括頂點、頂點法線、頂點索引、三角面以及UV映射值等幾個重要參數。

頂點信息是將所有點相對原點的三維坐標以一維數組的形式保存下來;頂點法線數組內存放著點的三維法向量信息;頂點索引主要是緩存頂點信息,方便快速引用;三角面數組中,存放的是頂點的索引,每相鄰3個索引的頂點按順序構成一個有方向的三角面;UV映射值是一個二維坐標,主要是對每個頂點的貼圖參數進行設定。

對于部分模型,有時會含有多個子網格,子網格的組成和網格基本一致,各部分子網格以及所有網格參數構成了一個完整模型的網格。Unity3D中的網格切割主要分為創建切割平面、劃分網格、提取被切割的三角面的數據;對三角面進行切斷,利用比例計算得到新的三角面和頂點數據;對新頂點進行去重和排序,并構造新的三角面填充剖面,得到一子網格,即新生面;給新生面附加材質,并隱藏原物體,從而完成網格切割,實現板料的沖裁過程。

基于B/S結構開發的虛擬實驗系統礙于網絡傳輸及顯示[11]的限制,必須對模型網格數據進行重構優化,降低網絡傳輸及顯示壓力,使虛擬操作更為順暢。原始三維模型網格數據量很大,在瀏覽器/服務器模式下,每次實驗交互都需要從服務器下載大量模型信息,在一般網絡硬件條件下無法滿足傳輸速度的需求。因此,減少網格數據量尤為重要。工程軟件導出的網格多為三角面,不利于后期的編輯和修改,而虛擬仿真使用的軟件多使用多邊形面片,因此有必要將工程軟件的三角面片轉化為多邊形面片。筆者自主開發了網格優化及面片轉換程序,圖2為沖頭原始網格圖和優化后的效果對比?？梢钥吹剑簝灮鬄樗倪呅蚊嫫?網格數據量大大減少。

圖2 沖頭網格優化前后對比圖

2 系統模塊化設計

2.1 內容模塊化設計

根據虛實結合、以虛補實、以虛探實的設計理念和本校材料學院板料沖裁間隙實體實驗的情況,對網絡虛擬實驗系統進行了模塊化設計,在確保虛擬實驗流程規范的同時,又保證了與實體實驗的緊密聯系。如圖3所示,系統分為理論學習、設備認知、實驗演示、實驗操作4個模塊。

圖3 虛擬實驗內容的模塊化設計

(1) 理論學習模塊。該模塊系統介紹了實驗中學生需要達到的目標和實驗的具體流程,詳細闡述了沖裁間隙值對模具設計的重要意義。模塊設計的初衷是讓學生在虛擬系統中進行預習,了解實驗概況,同時也節省實體實驗前的講解時間,避免實驗場地的占用。

(2) 設備認知模塊。該模塊以鼠標懸浮彈出解釋窗格的交互方式對實驗裝備、原料、工具等進行簡要介紹,實驗用品包含沖壓機床、機床控制面板、打桿、模具部件、數據采集系統、條料、各尺寸沖頭、活動扳手等。另外，重點對實驗研究對象——模具進行了拆裝動畫演示,使學生能清晰了解整副模具的結構。

(3) 實驗演示模塊。通過此模塊,學生可以在虛擬實驗室中自由走動,漫游整個實驗場景,達到熟悉實驗環境和實驗條件的目的。該模塊以分段的形式展示板料沖裁間隙實驗的整個實驗流程,學生可以快速理解實驗內容，并為實驗虛擬操作做好準備。

(4) 實驗操作模塊。該模塊是虛擬實驗系統的核心模塊,學生可以安全地體驗板料沖裁過程所涉及的模具拆裝、沖床使用等操作,對于不理解的部分還可以反復體驗,達到實驗驗證的目的。

2.2 UI界面及交互設計

UI界面設計主要包含了系統主界面、懸浮窗格、局部視圖等界面設計,以及系統的退出、返回、主頁、幫助、設置等功能設計。啟動系統后通過主界面進入實驗系統,通過返回主頁圖標可以返回主系統界面,通過選單可以選擇理論學習、設備認知、實驗演示和實驗操作幾個不同的實驗模塊。通過設置圖標可以設置實驗模具的顯示模式;幫助按鈕告知如何進行交互操作;點擊系統退出按鈕可以直接退出系統。圖4是系統的界面及交互設計。

系統交互設計是虛擬實驗體驗的決定性因素。系統交互設計包括視圖切換、視角轉動、位置移動、場景漫游、模具拆裝、沖床操作等多種交互方式，尤其是針對沖床操作進行了細致的邏輯設計,將沖床的電源、上升、下降、單循環啟動等實際操作情況進行預設,保證操作具有邏輯上合理性和物理上的允許性。

圖4 UI界面及交互設計

3 系統實現

系統實現主要分為三維建模、貼圖、系統實現3個過程。

三維建模又包含模型數據采集、三維建模、尺寸檢測、模型修正和模型裝配5個步驟。模型數據采集過程主要以手工測繪的方式完成,使用UG完成沖床、模具、板料、工具等機械部件的造型,使用3ds Max完成軟管、線路等易變形部件的造型,經尺寸檢測無誤后進行裝配,裝配關系合理標志著三維建模完成。

貼圖分為模型數據導出、網格優化、PBR貼圖3個步驟。首先需要將模型數據以中間格式導出,便于與其他軟件兼容,然后使用開發的網格簡化程序對網格進行優化,之后對簡化的模型進行貼圖。通過這個過程就可以得到數據量適當、外形準確的模型。

系統實現包含動畫制作、軟件設計、開發和測試4個步驟。首先以貼圖模型為基礎制作原理動畫,同步進行的還有用戶界面設計和人機交互設計,然后才能進行系統開發。圖5是系統開發路線圖。

圖5 系統開發路線圖

系統開發完成后,需要對系統進行測試,發現程序中的漏洞予以排除,達到對系統優化的目的。

依據設計結果及技術路線完成了板料沖裁間隙網絡虛擬實驗的開發、測試、優化和發布,開發的系統包括實驗的完整流程。板料沖裁間隙網絡虛擬實驗的主界面預留了接口,方便后期進行沖壓成形其他虛擬實驗的開發和集成。圖6是虛擬實驗界面圖。界面右上方為導航欄,從左至右依次為主頁、選單、返回、設置、幫助、退出等按鈕,其中選單按鈕用于選擇實驗模塊,設置按鈕用于選擇實驗顯示模式。

圖6 虛擬實驗界面圖

4 結語

板料沖裁間隙虛擬實驗系統涵蓋實體實驗的主要流程,解決了實體實驗周期長、占地大、成本高、開放性差等問題,同時避免了實驗操作的危險性。學生可以隨時隨地在虛擬環境中自主、反復進行實驗。虛擬實驗與實體實驗互補,有效促進了實驗教學模式多樣性的發展,提高了實驗教學質量。