可交互冷冲模具模型在移动终端的实现

时虹+吴剑平+邓锐

摘 要：全国各高等院校模具教学中，由于受到模具模型、机床、实训场地等条件的限制，教学难度相应增大，教学效果受到影响。随着虚拟现实技术和智能移动通讯设备的快速发展，开发具有现代高教特色的教学资源，是高等院校改进教学的必要手段。文章通过探讨运用三维建模软件及虚拟现实软件构建虚拟冷冲模具并应用于智能手机的方法，实现虚拟模具的交互控制。

关键词：模具；虚拟现实；移动终端；智能手机

中图分类号：TP315 文献标识码：A 文章编号：2095-2945（2017）22-0038-02

引言

随着我国模具工业的发展，企业对模具一线人才的要求越来越高，因此，以社会需求为目标，为国家培养更多的高技能应用型技术人才，提升模具教学水平已成为当前重要任务。

根据国内外对模具工业的发展前景，结合我国模具教学的特点，按照教学规律运用虚拟现实（VR）技术或增强现实（AR）技术创建虚拟模具空间，实现数据模型的可视化和实时交互功能，通过现代信息化教学手段，将难教、难懂、难学的模具设计与制造专业的教学，变得更轻松，愉快。

1 冷冲模具工业现状及教学思考

1.1 冷冲模具工业现状

冷冲模是模具的重要组成部分，占我国模具制造总量的40%左右。冷冲模是指在常温下将材料通过冲压设备加工成冲件的一种工艺设备，冲压设备一般为压力机，加工材料多为金属钣金件。冷冲压与其他加工方法相比，具有许多优点，如冲件产品基本无需再加工，且质量稳定，互换性好，生产效率高，适合于大批量生产。

现阶段，中国模具制造技术水平相对较低，与德国、美国、日本等发达国家相比还存在较大差距。中国模具加工企业因研发低端模具设备产品过多，造成市场供过于求，为解决产能过剩问题，又打起价格战，造成了市场的混乱。截止2016年数据显示，中国高端模具加工设备占市场高端模具总需求不足40%，市场技术竞争力缺乏。

中国的模具企业必须从国家模具市场的需求出发，及时调整战略布局，才能在市场上更加健康有效地发展。

1.2 冷冲模具教学思考

冷冲模具课程是模具专业一门重要的专业必修课程，其教学任务对冷冲模基本理论知识要求较高，对各种冷冲压典型模具的结构要求理解，对冷冲模具工作原理能进行分析，对冷冲模具在国民经济中的应用要充分了解。因此，传统的理论课教学不能满足教学要求，必须在教学方式、教学任务、教学考核上做较大改进，即充分利用实训室设备、互联网资源、虚拟现实技术、移动终端设备等辅助资源改进教学。虚拟现实技术与移动终端设备的有机结合将大幅提高模具专业的教学效果。

2 冷冲模三维模型的建立

2.1 CAM设计软件创建模型

冷冲模CAM设计软件很多，如UG、CREO、CATIA、SOLIDWORKS等，本文采用UG9.0作为冷冲模具开发工具，主要应用的是UG软件的零件建模、装配建模以及级进模向导设计等模块，冷冲模的设计过程如下。

（1）搜集资料，包括产品图纸、样品、设计任务书和参考图样等。（2）冲压工艺性分析，确定合理的冲压工艺方案。

图1为UG软件设计的冲模产品三维模型，材料为普通碳素结构钢Q235。冲压成型后产品尺寸为：长75mm、宽35mm、厚1mm，冲压精度等级要求为IT10。从产品结构看，零件冲压加工比较容易，可利用倒装式复合模成型。

（3）模架CAM设计。图2为设计完成的模架效果图，模架总体尺寸为：长210mm、宽163mm、高158mm。其中图3为设计完成的落料凹模效果图。

2.2 数据模型的转换

虚拟环境的数据模型需应用3DMAX等三维动画软件将模型导出到虚拟现实（如UNITY）软件中，而应用UG建立的模型不能直接导入到3DMAX中，这就需要进行模型数据交换。

（1）数据交换。打开UG设计的模架装配体，逐一将各个零件导出为STL格式，设置好显示精度后，全部导入到3DMAX软件中。当零件较复杂时，上述STL格式模型导入到3DMAX中可能会出现局部三角面片阴影，影响视觉效果，如图4所示的上模座侧边阴影。虽然通过面片修复可以解决问题，但过程复杂。下面提供一种快速的解决办法。安装Rhino（犀牛）软件，在UG导出上模座模型时选择导出STP格式的模型数据，然后把数据导入到Rhino软件中，不需要做任何设置，直接在Rhino软件中导出为3DS数据。3DS格式是3DMAX的系统格式，导入到3DMAX中的效果如图5所示，从图中可以看出各面片显示质量完好。（2）优化模型数据。导入到3DMAX中的模型需要优化，以减小数据体积。上述的上模座模型导入3DMAX后模型面数为2634个面片，优化模型的方法如下。先将上模座模型转化为“可编辑多边形”类型，再点击石墨工具“Graphite”，选择“四边形化全部”命令，即可完成模型的优化。优化后的模型面数为1502个，优化效果显著。

2.3 制作模架的展开及工作动画

本例中需要在3DMAX中制作两个动画，即模架展开动画和冷冲压动画，模架展开动画是为了展示模架各零件结构，冷冲压动画是为了演示冷冲压工作过程。动画制作完成后，将模型导出为FBX格式文件。

3 建立虚拟环境

3.1 PC端虚拟环境的实现

虚拟现实（简称VR）是指利用电脑图形技术模拟产生的三维虚拟空间[1]。虚拟现实开发软件较多，如Unity、Virtools、VRP等，本例以Unity3D软件作为发布PC和Android平台的开发软件。Unity3D是由丹麦Unity Technologies公司开发的一款跨平台的游戏开发工具，其功能十分强大。实现PC端虚拟环境的步骤如下。

（1）导入冷冲模FBX模型。在Unity3D中导入上一步输出的FBX模型，然后将模型的2个属性参数设置为：模型缩放因子设置为原始比例“1”；动画类型设置为继承“Legacy”。设置完成后即可在场景中编辑冷冲模FBX模型。模型编辑的内容包括：FBX模型轴心应放置于世界坐标系原点；添加主摄影机；添加必要的场景灯光；添加空游戏物体作为FBX模型的父物体对象；模型中所有零件添加Shaders高光材质等等。（2）编写脚本程序。本例模具包含落料模、冲孔模、弯曲模、拉深模等四种冲压模具，每种模具需要一个独立的场景，因此需要编写场景切换的脚本程序。然后添加动画控制、隐藏零件、透明零件等脚本程序，由于篇幅较大，在此不再赘述。（3）发布PC执行程序。在Unity3D中选择PC平台发布设置，调整好参数后即可发布。由于发布后的模型数据完全符合设计尺寸要求，因此观察的视觉效果非常好。

3.2 移动终端虚拟现实的实现

移动终端是指可以在移动中使用的计算机设备，其移动性主要体现在移动通信能力和便携化体积。广义上讲包括智能手机、笔记本电脑、POS机、车载电脑等。但是通常情况下是指智能手机和平板电脑。随着网络技术的宽带化以及集成电路的快速发展，移动终端已经拥有了强大的数据处理能力。移动终端正在从简单的通话工具演变为综合信息处理平台。

本例的冷冲模发布Android平台需要添加必要的脚本，如屏幕设置、触屏等脚本。发布后获得一个APK文件，将该文件发布到学校的课程教学网站上，再二维扫码到智能手机端即可应用。该系统中可实现触屏滚动、缩放、播放动画等功能，点击按钮后可在四种模具之间切换，以便学习各种模具的结构特征、工作过程等知识。操作界面简洁友好，符合手机屏幕小的特點。

4 结束语

智能手机作为现代移动通讯设备，功能越来越强大，但屏幕偏小的特点，决定了其在应用程序上难以超越PC平台。虽然虚拟现实技术在移动终端的应用尚处初级阶段，但其在教学中发挥的作用是显而易见的，可以预见，随着教学改革的不断深入，移动教学必将成为中国高职教育不可缺少的重要组成部分。

参考文献：

[1]王月蓉.浅谈虚拟现实技术在教学中的应用[J].无线互联科技，2013（11）：233-234.