注塑成型工藝過程及典型缺陷虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)

馬世博 閆華軍 代學(xué)蕊 王偉 劉玉忠

摘要：本實(shí)驗(yàn)采用虛擬仿真技術(shù)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際案例，全面呈現(xiàn)了典型塑件的注塑成型工藝過程和主要工藝參數(shù)對(duì)塑件質(zhì)量的影響規(guī)律。采用情景化教學(xué)方法，為學(xué)生提供一個(gè)虛擬的設(shè)計(jì)、加工與交互環(huán)境，涵蓋注塑工藝設(shè)計(jì)、塑件注射成型和塑件缺陷成因分析與工藝改進(jìn)等內(nèi)容。在專業(yè)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，將真實(shí)演示實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，培養(yǎng)學(xué)生歸納、總結(jié)、分析問題的能力，達(dá)到提高學(xué)生工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的目的。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；注塑成型；情景化教學(xué)；工藝設(shè)計(jì)；創(chuàng)新能力

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）31-0274-03

一、前言

機(jī)械工程、材料科學(xué)與工程等相關(guān)專業(yè)的《塑料成型工藝及模具設(shè)計(jì)》、《塑料成型工藝及設(shè)備》、《塑料成型模具》等課程中針對(duì)注塑成型工藝過程開設(shè)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)直觀性差[1]，無法直接觀察注射成型工藝過程和設(shè)備工作過程；工程應(yīng)用性差，難以體現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)中工藝對(duì)塑件質(zhì)量的影響規(guī)律及機(jī)理[2，3]；且受限于實(shí)驗(yàn)性質(zhì)，該類實(shí)驗(yàn)多為演示性[4]，學(xué)生難以直接參與整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，制約了學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)[5]。

為克服上述問題，本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際案例，利用虛擬仿真技術(shù)[6，7]，以“能實(shí)不虛”、“以虛補(bǔ)實(shí)”為原則，使學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)直觀認(rèn)知典型塑件的注射成型工藝過程和設(shè)備工作過程，并通過交互操作、自主分析典型缺陷成因，優(yōu)化工藝方案，達(dá)到提高學(xué)生工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的目的[8]。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

實(shí)驗(yàn)以學(xué)生為中心，綜合運(yùn)用3D建模、交互式虛擬現(xiàn)實(shí)、Web網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，以真實(shí)場(chǎng)景的空間布局、儀器設(shè)備為藍(lán)本，構(gòu)建集生產(chǎn)環(huán)境、設(shè)備、工具等為一體的虛擬實(shí)驗(yàn)。通過人機(jī)交互，學(xué)生既可在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中體驗(yàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)相同的效果，又可觀看真實(shí)實(shí)驗(yàn)條件下無法體現(xiàn)的內(nèi)部過程和現(xiàn)象。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際案例，使學(xué)生掌握注塑成型工藝過程、設(shè)備結(jié)構(gòu)和設(shè)備操作的同時(shí)，要求學(xué)生能夠考慮環(huán)境和安全等因素，合理分析、評(píng)價(jià)專業(yè)工程實(shí)踐問題。著重培養(yǎng)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力，設(shè)置了學(xué)生自主分析設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，包括：塑件結(jié)構(gòu)分析、工藝方案確定、塑件缺陷成因分析及改進(jìn)。旨在調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，提升學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)[9]。

（二）設(shè)計(jì)思路

本實(shí)驗(yàn)以溫控器外殼件為例，該塑件是電熱產(chǎn)品溫度控制單元的外殼，材料為ABS，由上蓋、下蓋和按鍵組合安裝構(gòu)成，在配合處有尺寸精度要求。其外形尺寸為120mm×163mm×23mm，平均壁厚為2mm，重45g。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路為：

1.實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景及人物。虛擬環(huán)境中分別構(gòu)建“工藝設(shè)計(jì)室”和“生產(chǎn)加工車間”，并設(shè)置“工藝工程師”和“加工操作員”兩個(gè)虛擬人物。其中工藝設(shè)計(jì)場(chǎng)景主要完成工藝卡設(shè)計(jì)和塑件質(zhì)量檢查，生產(chǎn)加工車間主要完成塑件注塑生產(chǎn)過程。學(xué)生在兩個(gè)場(chǎng)景內(nèi)分別擔(dān)任工藝工程師和加工操作員的主體角色。

2.實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)學(xué)生在進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)前，需在教師的指導(dǎo)下系統(tǒng)了解真實(shí)實(shí)驗(yàn)，掌握實(shí)際實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、設(shè)備組成、實(shí)驗(yàn)步驟和設(shè)備操作，以達(dá)到感性認(rèn)識(shí)和“能實(shí)不虛”的目的。學(xué)生進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境后，需進(jìn)一步加強(qiáng)安全防護(hù)知識(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)知識(shí)預(yù)習(xí)，根據(jù)教師安排的預(yù)習(xí)知識(shí)，預(yù)習(xí)有關(guān)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，做好虛擬實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。虛擬實(shí)驗(yàn)在此理論和安全知識(shí)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。首先，在工藝設(shè)計(jì)室內(nèi)，學(xué)生需根據(jù)提供的塑件，結(jié)合理論進(jìn)行工藝方案設(shè)計(jì)，確定工藝參數(shù)；其次，根據(jù)確定的工藝方案，進(jìn)行試生產(chǎn)加工；再次，分析試生產(chǎn)加工的塑件是否存在缺陷，設(shè)置了充填不足、飛邊、銀紋三種缺陷，并要求學(xué)生至少完成一種缺陷的認(rèn)知和生產(chǎn)加工過程；最后，直至工藝方案合理，加工的塑件無缺陷，完成實(shí)驗(yàn)。

3.實(shí)驗(yàn)具體實(shí)施。具體實(shí)施過程如圖1所示，通過登錄網(wǎng)站，進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景后開始實(shí)驗(yàn)：（1）真實(shí)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和網(wǎng)站內(nèi)觀看真實(shí)實(shí)驗(yàn)視頻兩種方式，進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程的學(xué)習(xí)和掌握；（2）虛擬實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景1：工藝設(shè)計(jì)室—確定工藝方案。學(xué)生虛擬為工藝工程師，根據(jù)提供的塑件信息、三維模具和缺陷認(rèn)知手冊(cè)等，分析塑件的材料、結(jié)構(gòu)和工藝要求，結(jié)合理論知識(shí)、工藝參考和模具結(jié)構(gòu)，進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)計(jì)和確定，并填寫工藝卡。

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景2：生產(chǎn)車間—塑件生產(chǎn)加工。工藝卡確定后，進(jìn)入生產(chǎn)車間進(jìn)行塑件生產(chǎn)加工。學(xué)生虛擬為加工操作員，生產(chǎn)加工前，需進(jìn)一步學(xué)習(xí)安全生產(chǎn)知識(shí)和認(rèn)知注塑機(jī)結(jié)構(gòu)。學(xué)習(xí)完成后，進(jìn)入生產(chǎn)車間，按照安全檢查、干燥原料、安裝模具、參數(shù)輸入、注塑加工和清理結(jié)束等環(huán)節(jié)進(jìn)行塑件的生產(chǎn)加工。該場(chǎng)景中，學(xué)生通過模擬操作，按照生產(chǎn)規(guī)程完成各個(gè)過程，參數(shù)需按工藝卡正確輸入，并在加工過程中可通過動(dòng)畫了解注塑真實(shí)實(shí)驗(yàn)無法觀測(cè)的儲(chǔ)料和注塑充填過程。

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景3：工藝設(shè)計(jì)室—塑件缺陷分析及改進(jìn)。塑件試生產(chǎn)后，在工藝設(shè)計(jì)室進(jìn)行塑件質(zhì)量檢查，學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)的工藝方案，查看塑件的質(zhì)量，理論結(jié)合有限元分析視頻分析缺陷產(chǎn)生的原因，以情境對(duì)話形式與指導(dǎo)教師進(jìn)行交流、回答問題，正確后方可進(jìn)行下一步。學(xué)生正確回答缺陷產(chǎn)生原因和主導(dǎo)因素后，重新進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)計(jì)、修改和生產(chǎn)加工，直至塑件生產(chǎn)合格。

三、考核要求

實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生需根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況，完成自測(cè)題和實(shí)驗(yàn)報(bào)告等考核環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)以自動(dòng)判斷的方式對(duì)學(xué)生塑件加工操作過程的正確性進(jìn)行判斷，并進(jìn)行相應(yīng)的提示，對(duì)學(xué)生的操作過程進(jìn)行記錄，并以文字描述的形式提供給學(xué)生和教師查看，教師依據(jù)過程記錄、自測(cè)題和實(shí)驗(yàn)報(bào)告對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

三、實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

在真實(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，虛擬實(shí)驗(yàn)還原了整個(gè)生產(chǎn)環(huán)境及過程，采用遠(yuǎn)程訪問，內(nèi)容引導(dǎo)，自主完成教學(xué)方法。學(xué)生借助網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)，虛擬環(huán)境中，輔以文字、圖片、動(dòng)畫、交互式界面等手段，使學(xué)生充分體驗(yàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。在系統(tǒng)引導(dǎo)下，學(xué)生通過交互操作，按生產(chǎn)流程獨(dú)立實(shí)施實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，直至完全掌握整個(gè)實(shí)驗(yàn)填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告、完成自測(cè)題等考核環(huán)節(jié)。虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過理論學(xué)習(xí)、虛擬操作、知識(shí)引導(dǎo)、分析設(shè)計(jì)、問題情景等方法，自主完成注塑原理與工藝（理論認(rèn)知學(xué)習(xí)）、注塑機(jī)使用操作（技能操作學(xué)習(xí)）、塑件缺陷成因分析（綜合應(yīng)用學(xué)習(xí)）等實(shí)驗(yàn)過程。

理論學(xué)習(xí)：學(xué)生利用虛擬實(shí)驗(yàn)提供的理論知識(shí)學(xué)習(xí)板塊，通過圖片、視頻形式，完成注塑原理、注射機(jī)結(jié)構(gòu)與操作、注射成型過程、缺陷形成機(jī)理等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的自主學(xué)習(xí)。此過程既可作為實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，也可作為實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行理論知識(shí)的深化鞏固。

虛擬操作：學(xué)生通過模擬操作，按照生產(chǎn)規(guī)程完成工藝設(shè)計(jì)、注塑生產(chǎn)前準(zhǔn)備、開機(jī)、裝模、參數(shù)設(shè)置、注塑成型、開模出件、結(jié)束清理等過程。使學(xué)生在虛擬操作的過程中，將認(rèn)知與實(shí)踐相結(jié)合，系統(tǒng)地掌握實(shí)際生產(chǎn)過程中的工藝規(guī)程和規(guī)范操作。

知識(shí)引導(dǎo)：虛擬實(shí)驗(yàn)過程中依據(jù)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的要求，分別設(shè)有情景人物對(duì)話、知識(shí)提示、觀察視角引導(dǎo)、部件高亮提示、虛擬動(dòng)畫等指引方法。其中情景對(duì)話和知識(shí)提示對(duì)基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行了拓展與擴(kuò)充，便于學(xué)生更好地進(jìn)行理論和實(shí)踐的融會(huì)貫通；視角引導(dǎo)、高亮提示等引導(dǎo)手段，降低了實(shí)驗(yàn)的操作難度，保證學(xué)生將更多的注意力集中于對(duì)注塑工藝過程的學(xué)習(xí)。

分析設(shè)計(jì)：學(xué)生自行完成工藝分析和方案設(shè)計(jì)，通過生產(chǎn)加工驗(yàn)證其方案可行性，可多次實(shí)施不同工藝方案并分析不同參數(shù)下的缺陷形式，掌握重要工藝參數(shù)對(duì)塑件質(zhì)量的影響規(guī)律。此外，學(xué)生可借助系統(tǒng)提供的不同工藝參數(shù)下塑件注射過程的有限元分析視頻，深入分析缺陷成因，理解缺陷形成機(jī)理，明晰參數(shù)影響規(guī)律，改進(jìn)工藝方案。

問題情境：系統(tǒng)在關(guān)鍵工藝過程創(chuàng)設(shè)了問題情境分析及模擬對(duì)話，設(shè)置了多樣化的交互問題，包括情境判斷、專業(yè)知識(shí)測(cè)試、錯(cuò)誤操作警示等形式，使學(xué)生能充分理解所學(xué)知識(shí)在實(shí)踐中的體現(xiàn)和應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲。

四、結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)將專業(yè)理論知識(shí)和生產(chǎn)實(shí)際有機(jī)融入虛擬情境中，具有豐富的融入感和帶入感，通過工藝方案設(shè)計(jì)、有限元分析結(jié)果和問題情景對(duì)話等，學(xué)生“真實(shí)”體驗(yàn)并主動(dòng)參與工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備操作、注塑加工和缺陷分析的整個(gè)生產(chǎn)過程，充分發(fā)揮學(xué)生的主體地位，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和專注度，切實(shí)提高了學(xué)生的分析能力、設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐能力。

本實(shí)驗(yàn)向全校和相關(guān)企業(yè)開放，自2017年5月開放以來，為本校相關(guān)專業(yè)本科、研究生專業(yè)學(xué)習(xí)及企業(yè)人員崗前培訓(xùn)、技能提升提供了服務(wù)，使用人數(shù)達(dá)800人次/年，得到了廣泛的認(rèn)可。實(shí)驗(yàn)可在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間靈活地開展，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在時(shí)間和空間上的限制，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的不足。且顯著降低了實(shí)驗(yàn)成本，每年節(jié)省實(shí)踐經(jīng)費(fèi)約10萬元。將專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課等課程的相關(guān)知識(shí)有機(jī)地結(jié)合在一起，幫助學(xué)生在實(shí)踐中認(rèn)知理論，使學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)體系和工程應(yīng)用有系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

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