交互式模具虚拟实验系统的开发

李建新， 午丽娟， 王晓梅

（上海电机学院 机械学院，上海200245）

0 引 言

随着国家经济结构的调整和一系列政策的实施，中国制造正在朝中国智造转变。作为培养应用技术型人才的本科院校，在专业设置、培养方案、实验教学模式等方面应积极创新改革以适应企业技术革新、产业升级对应用技术型人才的需求。模具课程作为材料成型与控制本科专业的骨干课程，是理论与实践有机结合的综合应用课程。模具实验教学是模具课程教学中一个重要的教学环节。通过模具实验教学可以认知模具的结构、功能、成型工艺。由于模具产品种类多样，不同产品所需的模具结构功能各异，模具结构认知一般通过拆装具有代表性的模具来完成。实物拆装典型模具的优点是直观、形象，可增加感性认知。但大多模具实验室受场地、时间、模具种类、拆装难易程度等的限制，同时供拆装实验用的模具的安全管理、维护、更新比较困难，难以进一步提升学生对模具设计、制造、成型工艺相关知识的熟练掌握。为此，提出了开发交互式模具虚拟实验系统的构想。基于UG软件，开发一套方便学生学习、教学互动性强的交互式模具虚拟实验系统。可以结合模具实物拆装实验，提高实验教学效果，对提高学生对模具知识的学习效率、掌握模具实际工程应用能力都具有重要意义。

1 交互式模具虚拟实验系统开发思路

构建交互式模具虚拟实验系统，主要包括模具结构功能演示、模具虚拟拆装实训、模具虚拟运动仿真、模具虚拟实验评价4个功能模块。另开发相应工具箱辅助实现上述4个功能模块。现就这4个主要功能模块开发思路进行介绍。

1.1 模具结构功能演示

按照模具的分类方法，通过模具虚拟实验系统了解冷冲压模具和塑料模具典型模具系统的组成部分，以及模具工作原理及成型工艺，同时提供标准部件。如冷冲压级进模系统的送料机构、卸料机构，注塑模具中的浇口等。利用UG平台提供诸如设置透明度、缩放、旋转、平移、隐藏部件、显示部件、剖面显示等观察工具。

1.2 模具虚拟拆装实训

模具虚拟拆装实训是交互式模具虚拟实验系统的核心部分，模块主要包括：1）标准的模具装配演示，通过播放装配过程动画配以必要的文字说明，观察装配完好的模具，熟悉模具零部件的装配顺序。同时通过对模具的旋转、放大观察、验证相关理论知识。2）实现模具自主拆装实训，模具拆装可以采用从上到下的柱状式拆装，也可以采用从内到外的功能树式拆装。装配开发的思路是，利用模块爆破功能把整体模具数字化模型中所有的零部件拆开，散落在四周，学生按自己的装配设计依次点击图中零部件。系统判断选择对错，同时提示下一步备选零部件。装配结束后，系统提示“装配结束”。拆装过程与装配流程相反，在拆装的过程中提供拆装工具库，加强拆装工具的熟练使用。系统会及时提示拆装部件位置是否准确到位，交互式提醒学生拆装错误信息。

1.3 模具虚拟运动仿真

启动UG6.0,进入交互式模具虚拟实验系统，打开三维模具文件，利用UG仿真工具箱，输入相关运动参数后，进行模具仿真过程。在仿真过程中，学生可以在仿真停止或暂停状态下，点击系统帮助工具知识索引文件，查询相关机构的知识。以冷冲模为例，仿真初始状态为上下模分离状态，仿真开始后，上模与下模闭合，经过送料、压料、成型、卸件，回到原始状态，完成一个冲压进程。仿真过程可以实现仿真连续进行或单步仿真，同时仿真停止状态下，利用系统帮助工具查询模具结构和相关知识。

1.4 模具虚拟实验评价

建立交互式模具虚拟实验系统，是基于模具设计、制造、装配、维护的项目驱动理念。通过模拟模具工业真实环境，可以更好地实现模具专业理论知识和实践动手能力的衔接。教师通过模具虚拟实验评价模块，可以了解学生对模具结构、功能、制造工艺、材料成型过程知识的认知水平，从而做出科学合理的评价。

2 交互式模具虚拟实验系统实现方法

交互式模具虚拟实验系统基于UG6.0三维软件系统，利用UG二次开发工具以及Visual B 6.0。通过模具数字化建模、功能工具开发、模具数据库构建，完成交互式模具模拟实验系统。模具数据库采用参数化设计，可以通过不同参数输入，构建典型的模具实例，学生通过系统拆装演示、自主拆装、运动仿真、结构认知以及模具数字模型旋转、缩放、平移、透明、隐藏、剖面观察工具，并结合对应真实模具拆装可以实现模具虚实教学最理想的教学效果。

2.1 模具结构功能演示

典型模具结构分析演示和相关知识点的文字叙述是模具结构演示模块要实现的主要功能，其实现需要事先在模块后台做好数据库准备，根据模具机构的功能分类，在UG下，点击模具结构树状结构分布图，每一个结构通过链接模式进入到EXCEL模式，通过EXCEL表格查阅模具结构名称、功能以及制造工艺。EXCEL表格的文件名是模具结构部件名称和组件在装配状态下零件序列号的组合信息，供模具结构演示中查询相关信息使用。

2.2 模具虚拟拆装实训模块

模具虚拟拆装实训模块包括两个部分：1）标准的模具装配演示，教师在UG装配环境下，演示标准模具装配效果图、模具零部件爆炸效果图，同时展示标准模具数模的零部件层次树状结构图，让学生熟悉正确的模具零部件装配顺序。2）模具自主拆装实训，由于UG爆炸图功能有限，无法满足自主拆装所需要的功能要求，需要自主开发存函数支持零部件拆装时移动箭头指示动能，以此为基础完成自主拆卸与装配。在自定义部件移动箭头的过程中，需要更新装配体装配状态，需要关闭文件再按照原始状态重新打开。

模具自主装配过程要比自主拆卸的顺序判断过程复杂，需要在软件后台做必要的技术处理。按照正确的装配顺序在模具所有零部件文件名后缀中加以体现零部件的装配优先权。如果后缀中是A，则表示该零部件是需要第一个装配的。若装配正确，系统会提示装配正常，提示下一步操作，同时显示下一步装配零部件。若装配顺序错误，则系统弹出装配错误提示框。需要重新选择正确装配零部件。

为了更清楚地看到装配过程和装配零部件间的尺寸配合关系，自主装配过程采用定位、移动、贴合三步，每步之间均有时间间隔，零部件装配到位后，高亮显示配合部分，学生可以判断装配是否准确。全部装配完成后，系统会提示模具装配结束。

2.3 虚拟运动仿真模块

虚拟运动仿真模块的实现主要利用UG软件现有的运动仿真模块来进行，利用宏拓展运动仿真模块的功能。点击运动仿真实验模块，系统切换到运动仿真操作界面，点击该模块相关工具条，输入模具运动参数，保存后点击完成，然后点击播放按钮，模具开始仿真模具运动。在运动过程中，通过点击暂停按钮，借助模具模型的旋转、隐藏、透明度设置可以观察模具系统内外部结构和零部件的运动和彼此的装配情况。

3 交互式模具虚拟拆装实验系统应用

图1所示为开发交互式模具虚拟拆装实验系统拆装演示，在系统虚拟拆装模块下进行。通过点击模型爆破图标，将所选模具模型依序爆破分解。学生借此可以观察模具系统零部件之间的配合关系。

图1 模具虚拟拆装演示

图2所示为所开发系统自主拆装模块自主装配图，点击自主安装菜单选项，系统自动更新为零部件散落状态，学生按照合理装配序列依次点击选中的零部件模型进行装配，在系统装配零部件提示下，自我判断所选的零部件是否最优。

图3所示为模具运动仿真图，在运动仿真操作界面，点击播放按钮，模具开始运动，注意观察运动期间模具系统零部件相对运动时彼此之间的约束关系。

图2 模具自主装配图

图3 模具运动仿真图

4结 论

模具实验教学是模具课程教学中的一个重要的教学环节。通过模具实验教学可以认知模具的结构、功能、成型工艺。由于模具产品种类多样，不同产品所需的模具结构功能各异，传统模具实验教学通过拆装具有代表性的模具来完成教学。实物拆装典型模具的优点是直观、形象，有利于增强感性认知。但受场地、时间、模具种类、模具套数、拆装难易程度等的限制，难以进一步提高学生对模具设计、制造、成型工艺相关知识的熟练程度。基于UG开发的交互式模具虚拟实验系统开放性好、教学互动性强，可以结合模具实物拆装实验，提高实验教学效果，对提高学生模具知识学习效率、掌握模具实际工程应用能力都具有重要意义。

［1］ 赵悦，单岩.模具虚拟实验室的研究与开发 ［J］.轻工机械，2011，29（6）：91-94.

［2］ 王海根，杨友东，刘福庆.模具虚拟拆装系统在模具教学中的应用［J］.模具工业，2011，37（8）：1-4.

［3］ 付宏生.模具虚拟制造技术运用于教学的研究［J］.模具工业，2008，34（12）：3-6.

［4］ 冯桂珍，池建斌.模具虚拟实验系统的开发［J］.河北省科学院学报，2011，28（2）：21-25.

［5］ 刘念聪.冷冲压模具虚拟实验室的构建［J］.中国现代教育装备，2008（12）：121-122.

［6］ 刘有成.基于UG6.0制作塑料模具虚拟装配过程动画［J］.机械工程师，2009（11）：111-112.