基于Unity3D温成形虚拟仿真实验的设计与开发

陈康 姚云欢 付成云 高洁纯

摘  要：随着计算机技术及虚拟现实技术的迅速发展， 各高校对一些实验项目进行虚拟化设计，进而改善学生多、设备不足或者实验风险高等教学状况。结合UG、3ds Max、Unity3D、Photoshop等计算机工具构建了温成形虚拟仿真实验平台，实现了以第一人称视角的实验场景漫游、温成形设备的运动以及实验交互操作，使学生在安全可控的环境中对温成形实验进行操作，更方便直观地掌握实验。

关键词：温成形  虚拟仿真实验  Unity3D  交互设计

中图分类号：TP319                                 文献标识码：A                          文章编号：1672-3791（2019）04（a）-0014-02

传统温成形实验是对板料直接进行加热，然后放入模具中沖压成形，板料放入到模具的过程中温度会有所降低，具有一定局限性。针对上述不足，采用一种能准确控制板料温度的油浴式温成形装置。在现实实验中，由于该实验存在一定高温风险，且设备数量受限等原因，基本上都是由实验老师演示，很少有学生能参与实验的实际操作。温成形实验的虚拟仿真实验系统将彻底打破传统空间的限制，学生可以在虚拟环境下，模拟真实温成形实验过程。在使用过程中不存在任何操作风险及设备损坏等问题，且人人可参与，人人会操作。既促进了学生对温成形实验的认知，又节省了昂贵的实验经费。

1  实验内容

实验在25℃～400℃下设置8个不同温度。调整好温控系统加热温度，将坯料与模具浸入导热油中加热，待温度达到设定温度后进行拉深实验，将初始板料直径设为100 mm进行拉深，若板料未出现破裂，则增大坯料直径直到出现破裂为止[1]，使用游标卡尺分别测出不同温度下拉深件的最大成形高度。

2  实验设计流程

对于温成形虚拟仿真实验系统的实现过程，首先利用UG建立温成形装置的零件图并装配，导入3ds Max中进行渲染，然后以Unity3D可以兼容的格式导入，导入后在Unity 3D中添加相关组件进行虚拟场景的搭建[2]。搭建完成后做系统的界面设计与交互设计，对平台进行性能测试，符合要求即可发布，生成Webplayer文件或exe文件。

2.1 温成形装置建模与导出

采取实地拍摄的方式收集温成形设备信息，利用UG建模技术1∶1还原温成形实验模具。建模的基本原则是，采用最简单的模型保证模型的真实性，可将不需要运动的模型合并为一体，减少模型数量[3]，主要建立的模型有液压机、温成形模具、工件、坯料、实验室墙体、白炽灯、柜子、盆栽、办公桌椅等。生成的模型以STL格式导出。

2.2 模型的渲染和导入

将生成好的STL文件导入到3ds Max中，为模型添加材质、贴图及渲染处理，使模型更加逼真，调整好各部件的坐标位置关系，将其以FBX格式导入到Unity3D引擎的虚拟场景中。

2.3 系统交互模块的实现

2.3.1 第一人称漫游

为了方便操作与观察，以主摄像机的第一人称视角在虚拟实验室中进行操作与漫游，利用键盘上的上下左右键来进行移动，利用鼠标进行视野的旋转。在角色漫游时避免不了与墙体及实验设备发生接触、碰撞和其他形式的运动，为使这些运动符合自然规律、避免人与物体产生穿透现象，需要对相应的物体添加碰撞器。通过创建一个具有一定高度的胶囊体，并在胶囊体上绑定摄像机，这样摄像机变为一个带有刚形体组件和碰撞器的对象，同时受重力作用发生碰撞时产生相应的物理运动。

2.3.2 成形过程的交互与实现

（1）毛坯放入模具动作：编写Mousedrag.cs脚本实现利用鼠标左键拖拽毛坯放入压料板上方相应位置，为了方便观察，拖拽时毛坯处于1.5倍放大状态，松开鼠标后毛坯恢复正常大小。

（2）压力机冲压动作及回程动作：编写了move.cs脚本可实现通过触发按钮启动压力机，压力机带着上模下行，与压料板配合对浸在导热油中的坯料进行压边，压力机继续下行，配合凸模对毛坯进行拉深成形;成形完成后，上模回程过程中压料板在弹簧的作用下将工件从凸模中推出[4]，并随着凹模一起离开油液面。

（3）冲压结束后取出工件动作：编写了xxx.cs脚本可实现利用推杆直接推动推件块，将卡在凹模内的工件推出，观察者拿起工件时，工件将放大2倍，自动弹出工件高度信息。

2.4 界面制作

在温成形虚拟仿真实验系统中，需要将冲压过程中各个动作布置到操作界面上，该系统使用Photoshop软件制作静态操作界面，利用Unity3D自带NGUI插件创建相关界面与按钮。

2.5 系统的发布

利用Unity3D软件完成温成形仿真实验系统（见图1），系统发布流程为File-Building Settings-PC，Mac&Linux Standalone-Player Settings-Build，检查完系统中脚本程序中没有出现Bug时，即可进行发布在Build Settings中打包成exe格式文件和web格式，发布的Web端可以以静态网页文件和数据包的形式存在， 用户可在客户机上以B/S模式运行[5]，通过网页即可远程进入温成形仿真实验系统教学系统。学生按照操作说明完成温成形仿真实验的学习过程，从而达到自主学习的目的。

3  结语

该系统利用UG、3ds Max构建了虚拟的实验模型，使用Unity3D引擎搭建整个虚拟交互平台，真实再现了温成形实验过程，该系统界面简洁、逼真度高，学生可以更清晰地了解温成形实验装置结构和工作原理，对材料类其他实验的虚拟仿真化、网络化提供一定的参考。

参考文献

[1] 周杰.5083铝合金板温拉胀成形性能研究[D].重庆理工大学，2018.

[2] 李阿乐，郑晓雯，辛海林，等.基于Unity 3D的液压支架运动仿真系统研究[J].机电产品开发与创新，2014，27（5）：79-81.

[3] 杨志文，张争艳，楚蓓蓓，等.基于Unity3D的组合夹具虚拟拆装教学系统设计与实现[J].河北工业大学学报，2018，47（5）：8-16.

[4] 陈康，刘慧.新型油浴式铝合金板温成形模具设计[J].热加工工艺，2017，46（17）：151-154.

[5] 熊平原，李建成，周玉梅，等.基于Unity3D的机械运动方案虚拟创新设计实验平台构建研究[J].轻工科技，2017，33（7）：67-69.

①基金项目：重庆理工大学实验创新基金项目（项目编号：2018）;重庆理工大学材料科学与工程学院精英计划项目。

作者简介：陈康（1977—），男，四川广安人，硕士，高级实验师，主要从事材料加 CAM领域的教学与科研工作。