基于沉浸式虛擬現實技術的注塑模具結構認知實驗開發

李玉勝 董保香 袁光明

摘要：針對模具方向注塑模具相關課程教學中出現的模具結構認知問題，提出基于沉浸式虛擬現實技術的模具結構認知虛擬實驗室的建設方案，給出以UG與IdeaVR軟件為平臺的沉浸式虛擬現實實驗室構建方法，開發集教、學、考、練多種功能于一體的注塑模具結構認知虛擬實驗室，經過一年的實踐應用，效果顯著。

關鍵詞：虛擬現實；注塑模具；IdeaVR；UG

中圖分類號：G642.423 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）28-0273-02

一、引言

一般情況下，認知注塑模具結構有兩種途徑：一是上課時教師利用文字、二維掛圖、PPT課件、多媒體動畫、視頻等方式介紹模具結構；二是通過實物拆裝實驗，讓學生了解注塑模具的結構、組成及各部分的作用。模具實驗教學是模具課程教學中的一個重要教學環節，通過模具實驗教學來認知模具的結構、功能。一般在實驗室中做實物拆裝實驗，實驗室提供了多套相同或者不同種類的模具及相應裝拆工具，讓學生做裝拆實驗，以達到結構認知的實驗目的，但實驗設備工具的種類及數量往往難以滿足模具多樣性的要求，無法跟上時代科技發展，導致結構認知效果不盡如人意。上述特點已經成為制約教學質量提高的重要因素。隨著計算機技術的廣泛應用，虛擬現實、虛擬實驗室技術的研究得到廣泛關注，并在實際中應用。虛擬現實技術是對傳統實驗教學模式的有益完善和良好補充，是高等院校培養應用型人才的重要手段。

二、注塑模具結構認知問題

我院材料成型及控制工程專業模具方向，要求學生掌握注塑模具設計的基本理論和技術，熟悉模具設計和制造的基本技術，包括設計、分析方法和加工技術；熟悉塑料成型的基本理論和技術；掌握塑料模具工藝及其模具設計的基本理論和技術；熟悉常用塑料成型設備的基本結構。為此，我們開設了模具制造工藝、模具設計制造高端技術、模具制造CAM、塑料成型工藝與模具設計等課程。這些課程涵蓋模具的設計、制造、分析等全生命周期，其核心是掌握常用的注塑模具結構和相關理論。但傳統的教材及授課所用課件，都是采用二維方式來表達模具結構。這種二維表達方法，存在很多問題，如圖片不清晰而難以區分相鄰零件，結構表達不清等，導致學生很難掌握模具結構的準確細節。在講授模具設計制造高端技術時，其核心是UG的MoldWizard模塊，該模塊幾乎涵蓋模具設計的各個細節，需要學生對非常具體的結構進行定性選擇與定量賦予各種參數。這種細節的具體化與理論的高度概括性之間相矛盾，因為學生的理論知識學習無法涵蓋模具結構的所有細節。同時，學生面臨很多外界誘惑，特別是手機等終端，外界的誘惑與上課的枯燥無味之間，學生很容易選擇玩手機。因此，采用能吸引學生注意力的先進教學手段，非常有必要，沉浸式虛擬現實技術就是很好的選擇。

三、虛擬現實實驗室的組成

我院投資140萬元構建了沉浸式虛擬現實實驗室。虛擬現實軟件采用可支持多人異地協同的虛擬現實教育平臺IdeaVR，硬件是I-Wall樣式的長4.5米、高2.5米、小間距、3D大屏幕LED顯示系統，采用6個攝像頭組成光學位置跟蹤系統跟蹤操作人員的位置與手柄，配備40副3D眼鏡，一次容納40名學生做實驗。實際開設實驗時，為保障實驗效果，每批10人次。

四、注塑模具虛擬實驗室場景方法

1.首先利用UG軟件在MoldWizard模塊下完成模具的設計，包括模架、型芯型腔、澆注流道系統、冷卻系統、頂出機構、冷卻系統、抽芯機構、各種標準件等，完善各種細節，如為各種標準件、抽芯機構建立腔體等。最終結果如圖1所示。

2.把模型導入IdeaVR虛擬現實軟件。導入有兩種方法：一種是UG中的模型首先保存為低版本的*.X_T、STEP、STL等中性文件，然后把這些中性文件導入IdeaVR；另一種方法是直接在IdeaVR中讀取UG8.0版本以下的文件，這要求IdeaVR是工業版，如果不是工業版，讀取時會提示沒有相應插件。

3.在虛擬現實軟件IdeaVR中，建立實驗室場景，創建光源，賦予模具各組成零件以材質，導入課件PPT，設置考題等；運用“動畫編輯器”與“交互編輯器”建立模具結構的自動爆炸圖，添加標注。最終效果如圖2所示。

4.構建好虛擬實驗室后，在主控端IdeaVR軟件的“VR設置”菜單中啟動渲染端，在LED大屏幕中實現沉浸式虛擬環境。

五、注塑模具虛擬現實實驗室的功能

學生頭戴有跟蹤球的3D眼鏡，可以看到極具真實感的三維立體模型，利用操作手柄實現虛擬實驗室中的漫游、模型拆裝、動畫方式的模具結構展示等功能，實現注塑模具結構認知的目的。學生做的實驗內容分為兩個方面：一是在虛擬現實環境中，采用裝配序列及爆炸圖的方式自動展示模具結構；二是在沉浸式虛擬現實環境中，利用3D眼鏡與操縱手柄手動拆裝模具、各零部件，通過漫游等方式各角度觀察結構細節。這些方式使學生掌握模具各部分的結構，了解模具的工作原理。

六、沉浸式虛擬實驗室的好處

1.實現資源共享性。通過IdeaVR軟件的發布功能，將制作好的虛擬現實注塑模具結構發布為EXE可執行文件，能夠適配PC、HTC Vive以及Oculus等顯示設備。學生在任何終端都可做實驗，虛擬實驗突破時空限制，通過云存儲，方便地獲得及發布大量的信息資源，實現資源共享。

2.擴展性好。虛擬現實實驗室中，可隨時添加不同種類、不同結構的模具。我們每年把優秀畢業設計放入虛擬環境，供在校生參考借鑒。不同制件、各種類型的模具，適用于不同基礎的學生學習。

3.具有良好的交互性與近乎現實的真實感。沉浸式虛擬現實環境為學生提供了最貼近現實的真實感，可使學生在虛擬實驗室中與模具結構交互，有身臨其境的感覺。

4.模具種類更新快、成本低。購買實物設備投資大，維護困難，成本高，浪費人力，購買眾多的實物模型，是不太現實的。但注塑模具技術的發展速度很快，學生實驗中采用的模具更新較慢。虛擬實驗室中，只需要把模具的三維模型導入IdeaVR并定制腳本就可，成本低，不需要任何場地，降低了管理成本，不需要考慮模具的磨損及損壞。

5.實驗危險性小。現實中，考慮實驗時人員的安全性，大型模具難以操作，一般選擇拆裝尺寸小、重量輕的模具，而在虛擬實驗中無須考慮模具的尺寸與重量。

6.有利于培養學生的創新能力。在模擬實驗室中，學生可以自主研究模具結構，有利于發展學生的思維能力和空間想象力。學生加深對注塑工作原理、模具結構的理解，開闊了眼界，達到培養學生創新能力的目的。

七、結束語

沉浸式虛擬現實實驗室形式新穎，模具結構認知表達方式生動，能很好地吸引學生的注意力，促進學生對所學理論知識的深入理解，增強對模具結構的感性認識，提高實際動手能力，對培養創新精神有積極的推動作用。

參考文獻：

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