模具虚拟拆装实训平台开发及其在教学中的应用

2022-01-25

浙江工业大学学报 2022年1期

(1.浙江工业大学材料科学与工程学院，浙江杭州 310014；2.杭州科技职业技术学院，浙江杭州 311402；3.浙江大学化工机械研究所，浙江杭州 310058)

模具是工业生产的基础装备，随着经济的高速增长，汽车、船舶、家用电器和医疗器械等领域快速发展，同时也极大促进了模具工业的进步[1]。模具工业领域发展的关键是“高质量”，人才是模具产业高质量发展的核心力量，因此模具工业的快速发展对相关从业人员的综合素质提出了更高的标准[2]。目前，在模具行业的企业中十分缺少能够熟练使用新设备、新技术和新工艺的专业人才[3-4]。因此，培养模具行业中高水平人才的重要性日益突出，各高校与职业院校模具专业学生群体的教育方式应与模具行业发展的新需求相适应。实践教学是重要的教学环节，在实践教学的过程中不仅可以充分激发学生的学习兴趣，而且可以使学生对相关理论知识的理解更加深入，提高学生的动手能力。互动式的实践教学也是提高教学质量的关键[5]。随着教学技术的飞速发展以及和模具专业相适应的教学需求不断提高，现有实体模型拆装实践的弊端日益突出，主要表现在：1) 教学成本过高；2) 实践内容和教学功能中存在一定的局限；3) 教学效果受多种条件约束；4) 教具种类有限，难以更新；5) 教学管理较为困难。

虚拟样机技术是随着当今计算机领域快速发展而新兴的一种计算机辅助工程技术，该技术已经在国内外工业设计与教育领域得到了一定程度的应用[6-10]。虚拟装配技术是虚拟样机在整机装配中的一种典型应用。笔者针对传统实体模型拆装教学实践中存在的多种问题，开发出“模具虚拟拆装实训工场”教学平台，运用计算机虚拟装配技术进行模具结构分析、模具拆卸组装练习以及模具运动模拟，实现师生之间的交互式实践教学，以期为学生建立一个良好的模具知识学习平台。

1 模具虚拟拆装实训工场教学平台的内容规划

基于模具拆卸与装配的实际教学需求，总体上可以确定所设计的教学平台包含的主要内容有：模具结构的认知、模具工况仿真模拟演示、模具拆装仿真模拟演示、模具拆装实训和模具拆装实训结果量化考核，其内容规划如图1所示。

图1 虚拟拆装实训工场教学平台的内容规划Fig.1 Content planning of virtual disassembly and assembly training workshop teaching platform

系统演示中模具运动的模拟包括：模具工况模拟仿真和模具拆装模拟仿真。模具工况模拟仿真演示了模具动模、定模和导柱等部分的运动情况；模具拆装模拟仿真主要是在学习模具的拆卸与组装时为学生提供相应的指导。

教学平台从模具种类的角度对模具的模型库进行横向扩展，进一步丰富了模具课程教学的教育资源，所扩展的模型库包含冲压模具、注塑模具、锻造模具和压铸模具4个部分。每个种类的模具都是由简单的模具结构模型和结构更为复杂的模具实例模型组成，其模型用于模具结构的认知学习。

2 虚拟拆装实训工场平台功能模块

虚拟拆装实训中所需的功能可以概括为以下5部分的内容：模具结构观察、模具仿真演示控制、模具拆装实训、实训考核及相关功能系统参数配置。将模具虚拟拆装实训工场系统实现的功能进行整合，然后再将其功能进一步细化，设计出完整的软件系统实现功能。

2.1 结构观察工具

模具结构观察工具的作用是使学生在模具零部件组成的学习环节中进一步加深对模具结构的理解，并且通过索引多种类型模具的相关理论知识，使学生对不同种类模具的零件组成都有准确的认识。模具结构观察工具的功能组成主要包括：模具辅助观察工具(如控制模具零件显示与隐藏的视图切换工具，模具零件的平移、旋转和缩放等动态操作的多视角观察工具)、模具零部件理论知识的索引查找、选择切换不同的视图显示模式(例如切换显示模具的真实外观、模具模型多色彩外观等)。

2.2 拆装仿真演示控制

笔者设计开发的教学平台系统中包含的模拟仿真演示的内容主要可分为两个部分：工况模拟仿真与拆装过程模拟仿真。模具模拟仿真演示可以使学生更直观地观察模具拆装的具体过程与步骤，从而进一步掌握模具拆装操作的相关知识。此外，受训人员能够应用拆装模拟仿真演示控制工具控制演示进行的过程，从而方便观察模具动态运动过程。

2.3 模具虚拟拆装操作

模具的虚拟拆装实训模块是笔者设计的教学平台的核心组成部分。模具虚拟拆装实训功能部分所实现的具体效果是：用户使用鼠标选取需要操作的模具零件进行拆卸和组装操作，该系统平台可以为用户在拆卸和组装模具的过程中提供建议和帮助，从而引导用户实现最优的模具拆装步骤；除此之外，结合相关功能的系统参数配置，可以将模具拆卸工具的选用练习添加到模具虚拟拆装实训过程中，从而提高用户在模具虚拟拆装实训中的操作难度。

该平台应用网状拆装序列模型，从而解决开发需要的序列规划问题。完成网状拆装序列模型首先要得到正确的网状拆装序列图，对网状拆装序列图的遍历过程即为拆装次序的实现过程。确定用户的选择意图与判断用户所选的节点是否满足可操作条件是拆装次序实现过程中的两个要点。虚拟拆装操作具体的实现流程如图2所示。

图2 虚拟拆装操作流程图Fig.2 Flow chart of virtual disassembly and assembly operations

2.4 拆装实训成绩考核功能

平台提供实训智能考核功能，智能考核功能可以记录用户在模具虚拟拆装过程中的每个操作步骤，并判断用户操作步骤和相应拆装工具选择的正确性。实训智能考核功能要求用户在开始拆装实训之前输入姓名和相应学号，以此为基础记录实训考核评估结果。通过分析智能考核功能所要满足的效果需求，确定智能考核应对用户虚拟拆装模具的过程作出评估，并且以打分的方式实现对用户虚拟拆装模具过程的量化考核，科学记录和输出用户成绩。

2.5 系统相关参数配置

系统相关参数配置主要用于自定义设置模具拆装操作情况评估考核、拆装工具选用情况考察等功能的参数，方便教师在实训教学环节中按照需求选择是否将分数输入到考核系统中，是否考察模具相关理论知识，是否保存操作步骤以及是否设置实训过程中错误操作次数上限等。

3 模具虚拟拆装实训工场平台的构建与开发

3.1 总体框架构建

通过对软件平台系统功能的详细设计，总体上建立了虚拟模具拆装实训教学平台的框架结构，系统基本框架如图3所示，其总体是由数据使用管理与数据层构成。数据使用管理是系统的主要内容，数据使用管理直接面向用户；数据层是系统的基础，为系统数据的调用与管理提供了数据基础，用户可以通过数据层实现选择和调用资源。

图3 系统基本框架Fig.3 System basic framework

3.2 开发技术路线

使用法国达索公司的Virtools软件作为系统开发平台，Virtools软件作为一套整合软件，可将二维图形、三维模型等数据文件进行整合[11]；选用 UG NX 软件对平台中所需要的模具数字模型进行快速、准确建模；选用 3D-MAX软件制作处理模具数字零部件、标准件等模型的外观与动画。使用STL文件格式用于所选用软件之间的文件数据传输。

STL模型是将物体轮廓外形的几何模型使用三角形集合表现，同时STL模型能够记录物体的空间位置信息。所录入的信息可以很大程度上化简模型的重组过程，有利于系统平台后期功能的开发。

基于所设计的平台系统功能与基本框架并结合已开发技术平台，总体上确立教学平台系统设计开发的技术路线，系统开发基本实施流程如图4所示。

图4 系统开发基本实施流程Fig.4 Basic implementation process of system development

系统平台的开发实现主要可以分为4部分：

1) 前期准备与技术分析。从模具专业课程的教学特点出发，分析在模具拆装实训中的实际教学需求，基于实际教学需要与用户需求，进行软件平台相关功能的开发以及平台内实训资源的内容规划。通过运用系统的相关开发平台，分析系统设计开发中的难点问题，并进一步规划系统软件开发的前期准备工作。

2) 数字模型的三维实体建模。Virtools软件平台的内置环境中没有数字模型的三维实体模型创建功能，需要使用第三方实体建模软件对模具相关零部件的数字模型进行建模[12]。本虚拟实训工场平台选用 UG NX 软件对模具数字模型进行三维建模，再使用3D-MAX软件对新建的模具数字模型进行视觉外观的渲染与细节的处理。UG NX软件在模具的设计与开发中得到广泛的应用，是现今模具领域中主要使用的三维设计软件[13]。UG NX软件中可以选择调用标准的模具模架库，有利于相关零部件的高效设计建模。3D-MAX软件也是被广泛使用的三维建模软件，主要用在影视制作、产品样式与外型的设计等方面。模具相关零部件的建模选用UG NX软件，之后再由3D-MAX软件进行模具数字模型的外观处理与渲染。选用多软件组合的设计路线搭配主要是为了结合不同软件的特点，利用各软件的优势，使三维模具零部件数模的创建与设计过程达到最优化。

3) 系统平台功能的开发与实现。在结束模型渲染环节所选数据的预处理之后，将模具的数模通过插件输出保存为CMO或NMO格式的数据文件，完成3D-MAX和 Virtools文件的对接与整合操作。输入的模具数字模型用作平台系统的数据层进行储存，之后使用Virtools软件并通过调用其储存数据完成后期平台系统功能的设计开发与调整测试。Virtools软件应用的是模块化的编程方式，并提供了大量的互动行为模块，只需要经过合适的搭配套用与连接设定，即可实现快速编程，开发出复杂的交互式应用程序。模具数模文件数据的调用与其优化处理是软件平台系统的重要环节，关系到系统运行速度和稳定性。

4) 虚拟软件的发布。在Virtools软件中可选择html与exe两种文件格式进行产品的发布。笔者选用exe文件格式将所整合打包后的虚拟拆装实训工场教学平台软件发布。

3.3 模具虚拟拆装的实现思路

模具虚拟拆装功能是所设计虚拟实训平台的核心功能，其功能实现的思路流程如图5所示。基于平台的开发与规划，应用网状拆装序列模型作为实现模具虚拟拆装功能的理论基础，之后运用软件编程开发出实训系统平台内模具虚拟拆装功能。

图5 实现虚拟拆装功能的思路流程Fig.5 The thought process of achieving the virtual disassembly function

4 模具虚拟拆装实训工场平台的基本操作流程

笔者设计开发的平台系统基本操作流程如图6所示。该系统使用数字模具模型作为载体，并通过使用配套设计开发的系统功能在模具教学中实现交互操作，所设计的模具零部件组成认知功能与虚拟拆装教学功能，在模具实训过程中满足教学需求。

图6 基本操作流程图Fig.6 Basic operation flow chart

笔者设计开发的系统在模具教学中的具体交互过程可以进一步分解为如下功能流程： 1) 用户启动虚拟拆装实训工场教学平台，调入在接下来实训过程中所要使用的模具数字模型；2) 运用模具观察工具、模具相关理论知识索引查找和模具视图显示切换等功能，实现学生对模具总体结构和模具零部件的深入观察认知；3) 在实训过程中，学生使用外接设备操作模具的数字模型从而进行虚拟拆装实训环节；4) 系统在后台中储存学生模具拆卸与装配操作步骤，并将其存至数据表格，再对学生的每个操作步骤进行量化打分，实现对学生的实训考核；5) 教师通过设置平台中所需功能的相关参数，进一步实现调整模具拆卸与装配难易程度、设置实训考核模块的启用与关闭以及选择性导出学生的实训考核分数等功能。

5 模具虚拟拆装实训工场平台应用实例

前述的整个系统平台功能可以满足模具拆装实训教学内容的需求。此部分将以减速器盖的压铸模具虚拟拆装实训为例，具体说明模具虚拟拆装实训工场教学平台在实际教学中应用的效果。

减速器盖压铸模具的具体结构组成中包含多种零部件，如顶杆、推板、导套、导柱和浇口套等。通过分析整个减速器盖压铸模具中零部件的拆装关系，对应创建出拆卸与装配的序列图。模具拆装过程不只是简单的倒序关系，必须具体分析各个类型模具相应的拆装关系，以确定规范正确的模具拆卸与装配序列。

5.1 拆卸操作过程页面

模具虚拟拆装实训工场平台拆卸操作过程页面如图7所示，通过程序所实现的拆装数据的运算，在压铸的数字模型上实现虚拟拆卸与装配操作功能。

图7 拆卸操作过程页面Fig.7 Disassembly operation process page

5.2 模具拆装工具选用功能

正确选择使用模具拆卸与组装工具是模具拆装实训中重要的教学内容。模具的拆卸与组装工具具有多样性，包含套筒扳手、钢丝绳、螺钉旋具、管子钳、铜锤、铜棒、钳子和撬棒等工具。在模具拆装时，学生通过分析各种类型的模具结构零件以选取对应的模具拆卸与组装工具。工具选取页面如图8所示，基于压铸模具在实际的模具拆卸与组装阶段所选用工具的具体使用情况，将拆卸与组装过程中所使用工具的信息相对应地添加到模具拆卸表与装配表的工具栏中，在系统平台中判断所选模具拆卸工具是否准确。