基于网络的板料冲裁间隙虚拟实验系统研究与实现

2019-07-12范淑媛廖敦明周华民俞彦勤王耕耘

实验技术与管理 2019年6期

范淑媛, 廖敦明, 周华民, 俞彦勤, 王耕耘

(华中科技大学材料科学与工程学院, 湖北武汉 430074)

板料冲压成形是一种重要的材料加工方法,在我国制造业有广泛的应用[1]。高校传统的、形式单一的板料冲裁实验教学方法已无法满足对板料冲裁技术人才培养的需求。一方面，学校的实验条件无法保证每一位学生进行完整的板料冲裁实验[2];另一方面,对于没有实操经验的学生来说,安全风险较大[3]。

随着计算机与网络技术在虚拟实验中得以应用,其设计准则和功能模块逐步完善,网络虚拟实验已逐渐成为远程实验教学的热点,越来越多的基于虚拟现实和网络技术的虚拟实验被开发出来[4-9]。与实体实验相比,网络虚拟实验在时间、空间、成本、耗材、仪器损耗方面具有很大的优势[10],保证了实验的稳定性、高效性以及实验结果的可靠性、可预测性,解决了实体实验和单机版虚拟实验在开放性、共享性[4]方面的难点。然而虚拟实验的感性认识和虚拟操作终究不如在实际环境中真实地操作,因此网络虚拟实验必须与实体实验相结合,采用虚实结合、以虚补实、以虚探实的教学方式,才能更好地提高实验教学质量,促进实验教学的进步[5]。

1 关键技术研究

1.1 场景仿真技术

虚拟实验场景及虚拟设备的逼真程度直接影响实验者的沉浸感,所以场景仿真技术直接决定了虚拟实验的质量。

首先是三维造型技术,包含采集数据和建模两个过程。造型数据的来源有工程图纸、三维扫描和手工测绘3种方式。依据工程图纸可直接建模,但是由于构建场景的组成部件种类较多,并非所有的建模内容都有图纸,所以使用较多的是三维扫描的逆向建模和手工测绘的正向建模。一般具有复杂曲面的部件使用三维扫描,结构规则的使用手工测绘。获取造型数据后,可以依据情况选用UG、PROE、3DMax等软件进行三维建模。

其次是贴图技术。贴图一般分为展UV和上材质两个过程。展UV是根据三维模型的结构信息将需要贴图的面展成一个平面,方便后期贴图的制作与修改;上材质是使用在图像处理软件中制作完成的贴图与模型文件建立连接。

最后是烘焙及渲染。合理地设置灯光,调整环境中的平行光、点光源、聚光灯及各种反射、阴影效果,即可呈现出逼真的实验场景效果(见图1)。

图1 冲压模具模型贴图前后对比图

1.2 网格切割及优化技术

板料冲裁间隙网络虚拟实验是基于Unity3D引擎开发的系统,模型的网格包括顶点、顶点法线、顶点索引、三角面以及UV映射值等几个重要参数。

顶点信息是将所有点相对原点的三维坐标以一维数组的形式保存下来;顶点法线数组内存放着点的三维法向量信息;顶点索引主要是缓存顶点信息,方便快速引用;三角面数组中,存放的是顶点的索引,每相邻3个索引的顶点按顺序构成一个有方向的三角面;UV映射值是一个二维坐标,主要是对每个顶点的贴图参数进行设定。

对于部分模型,有时会含有多个子网格,子网格的组成和网格基本一致,各部分子网格以及所有网格参数构成了一个完整模型的网格。Unity3D中的网格切割主要分为创建切割平面、划分网格、提取被切割的三角面的数据;对三角面进行切断,利用比例计算得到新的三角面和顶点数据;对新顶点进行去重和排序,并构造新的三角面填充剖面,得到一子网格,即新生面;给新生面附加材质,并隐藏原物体,从而完成网格切割,实现板料的冲裁过程。

基于B/S结构开发的虚拟实验系统碍于网络传输及显示[11]的限制,必须对模型网格数据进行重构优化,降低网络传输及显示压力,使虚拟操作更为顺畅。原始三维模型网格数据量很大,在浏览器/服务器模式下,每次实验交互都需要从服务器下载大量模型信息,在一般网络硬件条件下无法满足传输速度的需求。因此,减少网格数据量尤为重要。工程软件导出的网格多为三角面,不利于后期的编辑和修改,而虚拟仿真使用的软件多使用多边形面片,因此有必要将工程软件的三角面片转化为多边形面片。笔者自主开发了网格优化及面片转换程序,图2为冲头原始网格图和优化后的效果对比。可以看到：优化后为四边形面片,网格数据量大大减少。

图2 冲头网格优化前后对比图

2 系统模块化设计

2.1 内容模块化设计

根据虚实结合、以虚补实、以虚探实的设计理念和本校材料学院板料冲裁间隙实体实验的情况,对网络虚拟实验系统进行了模块化设计,在确保虚拟实验流程规范的同时,又保证了与实体实验的紧密联系。如图3所示,系统分为理论学习、设备认知、实验演示、实验操作4个模块。

图3 虚拟实验内容的模块化设计

(1) 理论学习模块。该模块系统介绍了实验中学生需要达到的目标和实验的具体流程,详细阐述了冲裁间隙值对模具设计的重要意义。模块设计的初衷是让学生在虚拟系统中进行预习,了解实验概况,同时也节省实体实验前的讲解时间,避免实验场地的占用。

(2) 设备认知模块。该模块以鼠标悬浮弹出解释窗格的交互方式对实验装备、原料、工具等进行简要介绍,实验用品包含冲压机床、机床控制面板、打杆、模具部件、数据采集系统、条料、各尺寸冲头、活动扳手等。另外，重点对实验研究对象——模具进行了拆装动画演示,使学生能清晰了解整副模具的结构。

(3) 实验演示模块。通过此模块,学生可以在虚拟实验室中自由走动,漫游整个实验场景,达到熟悉实验环境和实验条件的目的。该模块以分段的形式展示板料冲裁间隙实验的整个实验流程,学生可以快速理解实验内容，并为实验虚拟操作做好准备。

(4) 实验操作模块。该模块是虚拟实验系统的核心模块,学生可以安全地体验板料冲裁过程所涉及的模具拆装、冲床使用等操作,对于不理解的部分还可以反复体验,达到实验验证的目的。

2.2 UI界面及交互设计

UI界面设计主要包含了系统主界面、悬浮窗格、局部视图等界面设计,以及系统的退出、返回、主页、帮助、设置等功能设计。启动系统后通过主界面进入实验系统,通过返回主页图标可以返回主系统界面,通过选单可以选择理论学习、设备认知、实验演示和实验操作几个不同的实验模块。通过设置图标可以设置实验模具的显示模式;帮助按钮告知如何进行交互操作;点击系统退出按钮可以直接退出系统。图4是系统的界面及交互设计。

系统交互设计是虚拟实验体验的决定性因素。系统交互设计包括视图切换、视角转动、位置移动、场景漫游、模具拆装、冲床操作等多种交互方式，尤其是针对冲床操作进行了细致的逻辑设计,将冲床的电源、上升、下降、单循环启动等实际操作情况进行预设,保证操作具有逻辑上合理性和物理上的允许性。

图4 UI界面及交互设计

3 系统实现

系统实现主要分为三维建模、贴图、系统实现3个过程。

三维建模又包含模型数据采集、三维建模、尺寸检测、模型修正和模型装配5个步骤。模型数据采集过程主要以手工测绘的方式完成,使用UG完成冲床、模具、板料、工具等机械部件的造型,使用3ds Max完成软管、线路等易变形部件的造型,经尺寸检测无误后进行装配,装配关系合理标志着三维建模完成。

贴图分为模型数据导出、网格优化、PBR贴图3个步骤。首先需要将模型数据以中间格式导出,便于与其他软件兼容,然后使用开发的网格简化程序对网格进行优化,之后对简化的模型进行贴图。通过这个过程就可以得到数据量适当、外形准确的模型。

系统实现包含动画制作、软件设计、开发和测试4个步骤。首先以贴图模型为基础制作原理动画,同步进行的还有用户界面设计和人机交互设计,然后才能进行系统开发。图5是系统开发路线图。

图5 系统开发路线图

系统开发完成后,需要对系统进行测试,发现程序中的漏洞予以排除,达到对系统优化的目的。

依据设计结果及技术路线完成了板料冲裁间隙网络虚拟实验的开发、测试、优化和发布,开发的系统包括实验的完整流程。板料冲裁间隙网络虚拟实验的主界面预留了接口,方便后期进行冲压成形其他虚拟实验的开发和集成。图6是虚拟实验界面图。界面右上方为导航栏,从左至右依次为主页、选单、返回、设置、帮助、退出等按钮,其中选单按钮用于选择实验模块,设置按钮用于选择实验显示模式。