模具類課程虛擬仿真實驗教學系統設計與實現

曹芳 肖光春

[摘 要]該研究結合模具類課程實驗教學的實際情況，以塑料成型工藝及模具課程為例，設計開發出了虛擬仿真實驗教學系統，可進行360度可視化交互式仿真。該虛擬仿真實驗系統作為真實實驗的有益補充，可以有效克服真實實驗教學中實驗項目和實驗時間的限制，增強學生對注塑機以及塑料模具的直觀認知，使學生掌握塑料制品的成型方法，熟悉注射成型工藝過程及參數。采取虛實相結合的實驗教學模式，能激發學生學習相關知識的興趣，培養學生的創新能力，實驗過程效率高，教學效果顯著，為模具類相關課程的傳統實驗教學改革提供借鑒。

[關鍵詞]塑料成型工藝及模具;虛擬仿真;實驗教學

[中圖分類號] G642.0; TP391.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）08-0005-05

一、引言

塑料成型工藝及模具是普通高等學校材料成型及控制工程專業的主干專業課程，其理論性和實踐性都非常強，主要講授塑料的基本知識、塑料制品成型加工的工藝、塑料模具的基本結構和模具設計方法等[1]。該課程包括塑料注射成型實驗和塑料模具拆裝實驗兩個實驗項目。實驗要求學生了解熱塑性塑料注射機加工工藝過程，包括模具與機床的關系，以及塑料塑化過程和溫度、壓力、時間三要素的作用與調整等，從而加深對塑料注射模成型過程以及注射模具的認識，為今后從事塑料模具設計工作以及處理現場問題奠定實踐基礎。

由于注塑機結構復雜（包含電器控制系統、液壓系統、注射裝置、合模裝置、加料裝置、加熱系統、冷卻系統等內容）、體積龐大并且價格昂貴，在實際操作中，學生無法直接觀察到注塑機內部構造，如果出現失誤，導致機器損壞，就會產生高額的維修以及維護費用。而且在一般的實驗教學中，基本上是“一對多”的實驗教學模式，實驗項目和內容會受到限制，實驗時間和學生的動手機會相對比較少，這就直接造成學生參與度低，難以保證每位學生的學習效果和操作技能訓練 [2-4]，因此，形式新穎且利于開發學生智能的虛擬仿真實驗教學手段就成為真實實驗教學的有益的和必要的補充[5]。通過可視化數值仿真實驗將比較復雜的實驗項目進行演示，可以讓學生對實驗內容先有一個直觀的認識，然后進行實驗室真實實驗，有助于學生將感性認識提升為理性認識。將這種虛擬仿真技術應用到實驗教學活動中，堅持虛實結合的原則，可提升實驗教學效果[6]。同時，依托虛擬現實、多媒體交互等信息化技術構建的高度仿真和系統化的虛擬實驗環境以及實驗教學資源，也滿足了在信息化條件下學生能夠自主學習、自主管理和自主服務能力培養的內在要求[7-8]。基于此，本研究針對塑料成型工藝及模具課程的兩個實驗項目建設了相應的虛擬仿真實驗教學系統。

二、虛擬仿真實驗系統功能

虛擬仿真實驗系統應該涵蓋實驗教學大綱的要求和內容，并能結合學校的需求進行擴展和定制實驗項目，以幫助完成真實實驗教學為目標，力求實用、簡潔和高效[9]。塑料成型工藝及模具課程實驗教學虛擬仿真系統采用了先進的虛擬現實技術，建立了等比例、形象逼真的三維互動注塑機及注射模模型，對注塑機的每一個部件都實現了結構的360度可視化交互式仿真，滿足局部放大、透視、剖面等要求。同時，對注塑機系統參數實現了三維化動態展示，對注射成型工藝過程進行三維化仿真模擬，讓學生能夠掌握注塑成型工藝過程，全方位了解注塑機的內部結構及工作原理，觀察塑料零件注射加工動態過程，熟悉注射周期各步驟狀況，包括預塑、注射、保壓、冷卻、開模、推出、取件、合模等工藝過程。

通過塑料注射成型實驗虛擬仿真實驗系統，學生還可以多方位觀察模具與注射機的安裝關系，了解模具定位方式、夾持方式、頂出原理、模具尺寸和注射機裝模尺寸關系、噴嘴與澆口套尺寸關系等，并認識注射工藝參數，了解壓力等參數在注射過程中控制的部位與原理及其對注射產品質量的影響。

塑料模具拆裝實驗虛擬仿真系統，所設計的三維注塑模具能夠進行360度全方位立體觀察，學生可以按照預設的拆裝步驟依次虛擬拆卸及安裝每個零件，拆裝練習過程不會受到時間、地點的限制。通過反復練習虛擬拆裝的過程，學生可以認識模具結構，熟知零件功能以及零部件相互之間的裝配關系，熟悉模具零件的先后裝配順序及各裝配工具的使用，從而達到熟練手動拆裝操作的教學目的。

三、虛擬仿真實驗系統總體結構

（一）塑料注射成型實驗虛擬仿真系統總體結構

塑料注射成型實驗虛擬仿真系統包含臥式注塑機簡介、注射系統參數、鎖模系統參數、臥式注塑機結構和注塑成型工藝五個板塊，分別對結構、參數和工藝過程進行理論基礎介紹、實驗動態演示和虛擬仿真實驗，如圖1所示。每個板塊又包含若干演示項目以及虛擬仿真實驗項目，使得實驗項目更加生動，更能夠激發學生學習相關知識的興趣。

（二）塑料模具拆裝實驗虛擬仿真系統總體結構

該虛擬仿真系統以真實課程實驗中的摩托車后視鏡蓋注塑模具為例，進行虛擬仿真實驗建設。該模具是一模兩腔、雙分型面注塑模，帶有側向抽芯結構，結構復雜。打開虛擬仿真實驗系統程序圖標，進入學生操作主界面，如圖2所示。

塑料模具拆裝實驗虛擬仿真系統包括7個板塊，分別為：準備工作、動定模拆分、定模拆分、動模拆分、動模組裝、定模組裝、整體組裝。這7個板塊也是進行整套模具拆裝的步驟。

四、虛擬仿真實驗系統設計

（一）塑料注射成型實驗虛擬仿真系統

塑料注射成型實驗虛擬仿真系統有以下5個板塊及其項目。

1.臥式注塑機簡介

這一部分為實驗理論基礎項目，主要展示某型號臥式注塑機的三維外形結構及其他型號臥式注塑機的二維結構，并通過文字詳細介紹注塑機的外形特征特點。通過這一虛擬實驗板塊，學生可以觀察并學習到不同型號注塑機的外形特征，以及與立式和角式注塑機相比臥式注塑機外形特征的優點和缺點。

2.注塑機注射系統參數

這一板塊包含注射螺桿直徑、注射螺桿長徑比、注射行程、工程注射容量、工程注射量、最大注射速率、最大注射速度、注射壓力、保壓壓力、射移行程、理論塑化能力、噴嘴頭球面半徑、噴嘴直徑、射嘴接觸力等14個子項目參數。

打開每一個參數，可以直觀地看到此參數在注塑機三維結構上的表示，以及針對此參數的基礎知識介紹，并且有與此參數相關的動作提示按鈕，學生通過點擊此按鈕，就會看到與這一參數相關的三維動態仿真過程。比如在注射行程參數這一項中，點擊射膠或者塑化按鈕，學生就可以分別看到在剖視三維圖狀態下射膠和塑化的動態過程，如圖3所示，仿真過程更加直觀生動，實驗效果明顯。

3.注塑機鎖模系統參數

這一板塊的內容主要圍繞注塑機鎖模系統參數來展開，包括最大鎖模力、模板尺寸、拉桿間距、定位孔直徑、最大模厚、最小模厚、動模板行程、最大開距、頂出行程、頂桿直徑、頂出力等11種參數的詳細介紹。

打開每一個鎖模參數，可以看到針對此參數的基礎知識介紹，以及此參數在注塑機三維結構上的表示。例如，打開“動模板行程”，可以看到模具開模時，動模固定板隨鎖模機構的移動距離，如圖4所示。通過此虛擬實驗內容，學生可以認識模具定位方式、夾持方式、頂出原理、模具尺寸和注射機裝模尺寸關系等。

4.臥式注塑機結構

這一板塊以某型號臥式注塑機為例，360度全方位展示注塑機的三維結構，如圖5所示。在進行注塑成型真實實驗之前，學生可以通過這一虛擬仿真實驗板塊熟悉注塑機結構，每一內部結構都可以放大、縮小、旋轉以及透視，便于學生進行全方位觀察和了解，并且有對應的理論知識介紹。其中，注射系統和鎖模系統有單獨的三維結構模型，當把鼠標放在零件名稱上時，在注塑機三維模型上對應的這一零件結構可以亮閃，并配有詳細的說明文字，從而達到加深學生對注射系統結構和鎖模系統結構認識的目的。

5.注塑成型工藝過程

這一板塊主要介紹注塑成型工藝過程，包括塑化、計量、注射充填、保壓、冷卻、開模、頂出、合模過程，如圖6所示。學生啟動機床總電源按鈕后進入動作模式，在每一個工藝過程下，都可以直觀地看到三維動態仿真過程，通過控制動作按鈕，可以多次、多角度、全方位觀察塑料零件注射成型的整個仿真過程，熟悉注射周期各步驟狀況，認識注射成型工藝參數。

例如在其中的注射充填過程，學生可以看到注塑機螺桿從料筒內的計量位置開始，通過注射液壓缸和活塞施加高壓，將塑化好的塑料熔體經過噴嘴和澆注系統快速進入封閉型腔的動態過程，如圖7所示。

（二）塑料模具拆裝實驗虛擬仿真系統

塑料模具拆裝實驗虛擬仿真系統有以下7個板塊。

1.準備工作

選擇“準備工作”板塊，系統會提示學生進行操作，將模具吊裝到工作臺上，并準備工具箱：一套六角扳手、防銹劑、一組銅棒、頂絲扳手、白線手套、頂針圖等。

2.選擇模具進行動定模拆分

選擇“動定模拆分”板塊，首先按提示選擇適合的內六角扳手拆除鎖模塊，再選擇銅棒進行動定模拆分，動定模拆分后的狀態如圖8所示。

3.定模拆分

選擇“定模拆分”板塊，按提示選擇尺寸合適的內六角扳手拆除楔緊塊，再選擇合適的銅棒分別拆下兩個斜導柱和澆口套，選擇內六角扳手卸下連接兩板的螺釘，將定模座板和定模板拆開，如圖9所示。

4.動模拆分

選擇“動模拆分”板塊，選擇內六角扳手拆下動模底板和兩個墊板，選擇內六角扳手和銅棒拆下推板，另一側需其他同學用手扶住動模板并頂住復位桿，用銅棒依次敲下拉料桿、頂桿、復位桿，選擇內六角扳手拆下支撐板，選擇頂絲扳手拆下兩個側抽機構，選擇內六角扳手拆開滑塊和側抽芯，選擇銅棒敲下導柱。如圖10所示。

5.動模組裝

選擇“動模組裝”板塊，依次組裝動模板、導柱、滑塊、側型芯、支撐板、推板、復位桿、頂桿、拉料桿、推板固定板、墊塊、動模座板。安裝完成如圖11所示。

6.定模組裝

選擇“定模組裝”板塊，依次組裝定模座板、定模板，斜導柱、澆口套、楔緊塊，如圖12所示。

7.整體組裝

最后選擇“整體組裝”板塊，整體組裝前用防銹劑噴型芯型腔表面，然后將動模部分和定模部分組裝到一起，并用鎖模塊鎖緊，如圖13所示。

五、結語

本文介紹了塑料成型工藝及模具課程的虛擬仿真實驗教學系統在實驗教學中的應用。該系統主要包括兩個實驗項目，塑料注射成型實驗是高成本和高消耗且實驗過程相對比較復雜的實驗項目，而模具拆裝實驗會受到實驗地點和實際拆裝次數的限制。因此，結合多媒體、計算機和虛擬現實等技術的發展，建設了相應的虛擬仿真實驗教學系統，提升了真實實驗的教學效果，同時延伸了課堂理論教學的功能，是模具類相關課程實驗教學模式的探索和改革。學生通過該虛擬仿真實驗系統，可增強對注塑機以及塑料模具的認識，掌握塑料制品的成型方法，了解注射成型工藝過程及參數，能夠學會對注塑成型過程及模具設計中可能出現的問題進行分析與預測，提高實際動手能力。該虛擬仿真實驗系統不但推動了實驗教學的信息化建設，也使學生接受到了更加系統的創新訓練，使學生的獨立工作能力和創新能力得到了提升，實驗過程效率高，教學效果顯著。

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[責任編輯：龐丹丹]