本文摘要：摘要:主要闡述一種虛擬現實技術，設計一套完整的虛擬現實模具教學系統。教學系統為模具裝配與調試定制，完全按照模具裝配過程工況以及操作需求設計，同時保證使用過程的友好與穩定。構建了整套大型覆蓋件模具裝配與調試數據庫。使用者在操作的過程中基于虛擬
摘要:主要闡述一種虛擬現實技術，設計一套完整的虛擬現實模具教學系統。教學系統為模具裝配與調試定制，完全按照模具裝配過程工況以及操作需求設計，同時保證使用過程的友好與穩定。構建了整套大型覆蓋件模具裝配與調試數據庫。使用者在操作的過程中基于虛擬現實環境，高效而又準確地實現設計理念，徹底擺脫有理念而無法快速在常規軟件中實現的難題。如果此系統應用于高職高專的教學中，學生能快速獲取相關知識，增加學生參與興趣，從根本上解決模具教學的枯燥性。
關鍵詞:虛擬現實,模具裝配,模具教學,汽車模具
0引言
模具為制造之母，對振興中國制造業有著至關重要的作用。在過去的半個世紀，精品模具的發展主要在歐美以及日本，而國內的發展則處在初級階段。在最近10年，隨著CAD(ComputerAidedDesign)與CAE(ComputerAidedEngineering)的普及，國內也進入了發展的快車道[1]，出現了大批優秀模具企業。但是要制造精品模具，還需要更多的投入。CAD與CAE在模具制造中的應用也進入白熱化。
尋找新的發展動力勢在必行[2]。當前行業內的研究重點主要在智能化與可視化，主要體現在模具工藝設計智能化與模具結構裝配、調試虛擬可視化。美國華盛頓州立大學VRCIMA實驗室開發了一個在線虛擬的裝配環境，相關工作者運用這一系統可以在產品設計初期將裝配、拆卸過程中存在的問題考慮進去，減少了裝配設計過程中出現的問題[3]。
意大利Bologna大學研發了關于CAD的虛擬裝配規劃與驗證系統。該系統可以用來評價混合樣機的裝配可行性、裝配技術以及裝配參數，而且其插入待裝配元器件的設計標準，完成復雜裝配流程[4]。國內也做過類似研究，其中國家CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)工程技術研究中心基于三維簡易模具結構設計軟件，其開發了模擬裝配的支持系統，此系統考慮部分設計的標準[5]。
南京航空航天大學機電學院采用混合虛擬技術對飛機零件裝配過程中的大量信息進行統一和集中管理，減少了裝配誤差并縮短了裝配時間[6]。國外研究都相對寬泛，對于具體行業的應用沒有深入，國內的研究以及應用主要集中在航空航天等前端制造業，而對于龐大經濟體量的汽車模具則少有涉及。本文專注于汽車模具，充分考慮模具公差、間隙、強度、安全等方面，建立實體數據庫，實現了裝配與拆分的虛擬數字化。
1)模具職業教育。
職業教育旨在讓受教育者獲得某種職業或生產勞動所需要的職業知識、技能，基于基礎工作需求，強調動手能力，職業教育主要強調精準與專業。同時，職業教育一般只有一年的強化學習，以實戰為導向，強化訓練符合社會企業需求的專業人才，以利用有限時間達到最佳效果[7]。
其中模具教學從設計到制造調試，涉及諸多知識。模具設計從點線面出發，構造可制造實體，并且實現工藝需求，知識范疇包括公差、裝配、設備接口、安全等方面。按照沖壓模具設計過程，首先按照工藝需求分成3個部分:拉延、分離(沖孔與修邊)、二次成形(翻邊與整形)，再在此基礎上逐漸細分，最終著眼于點、線、面。特征與部件的裝配過程所涉及的工具操作有標準流程，而部件在UG3D模具設計過程中完成。
當前教學正常狀態在模具車間完成，但是受限于學生的安全意識的限制，大多數具有危險性的操作被取消了。所以模具職業教育的模具結構設計與裝配貫穿于整個教學過程，安全與設備的限制是短板。受制于安全考慮與空間限制，學生在實訓的過程中很難快速成長。高校也做過大量嘗試，其中計算機專業虛擬現實技術在職業教育中成為創新熱點[8]。
2)虛擬現實。
增強虛擬現實新技術也稱基于工程師編制的數字環境，其依托于數字環境，擬合實際狀態產生虛擬的多維狀態，為用戶提供友好的交互界面與所需專業內容，讓使用者能夠產生身臨其境的感覺。當前5G普及成為大勢所趨，虛擬現實技術也得到強大的推動。由于職業教育的特殊性，5G與虛擬技術的結合，讓職業教育的發展更高效。
其強調的是虛擬環境帶給受眾強烈的沉浸感，從而達到受眾能在類同于日常生活的狀態與虛擬世界中的對象進行交互，并提供一個虛擬的場景來滿足觀察者在現實生活中難以實現的工況與真實世界之間的聯系，有相對較低的硬件要求，同時由于用戶與真實世界的聯系仍然存在，人機交互方式也就顯得更加自然[9-12]。經過長時間以來的研究與探討，首先在游戲領域廣泛推廣。基于其規避了空間限制，現擴展到制造與教育行業。
1數據庫構建
在模具的三大主要工藝上，模具多分成多工序來完成，其每一工序又需要一套完整的結構來實現功能性需求。在本文中，將每一工序所需要的零件歸類，主要有24類。非標零件在此24項基本零件的基礎上進行擴展。職業教育中，培養目標更趨向于實用性。學生對于模具所延伸以及涉及專業、標準都需要系統掌握。模型也需要關注其完整性與專業性。本系統包含的所有模型都是基于在產項目繪制，完全按照實際生產、國際標準的要求制作。
在本數據庫中，基本元件都是直接調用，而其調用規則都是嵌套于系統后臺。主數據包括底座、壓料板以及上模本體，附帶功能性器件為白色實體。如果需要擴充，可以在平臺接口直接導入MISUMI(日本三住公司)標準庫文件，通過簡單設置即可實現更新。
在本體型面上各種顏色，形象具體地現實表征了加工以及配合公差，方便教學時講解，力求教學的全面性。在模型的建立過程中，添加了機床接口參數設置。電器件以及壓機、傳感器設置在數據庫中直接調用。同時添加安全相關設置，如起重棒、安全限位、安全側銷、安全平臺、運輸連接板、起吊螺釘等[13-16]。教學過程中可以根據教材標準逐一分解，同時配合虛擬視圖展開教學。
2系統開發與實現
依托C#為基礎，采用Windows7操作系統，利用Unity3D作為主要開發工具[17]，使用的插件有ToolKit2D、NGUI等。完成開發環境和項目搭建后，在本系統的項目中輸入待測驗的待測量，在各項數據(數據庫)文件中保持待檢測與應用的數據，包括圖像與視頻[18]。
由于教學使用，關鍵因素在裝配關系以及模具結構與設計的基礎認知上，所有使用到的模型以及場景都使用UG建模。減少實體場景識別，以及目標識別的不清晰與不及時的缺陷，提高系統運行效率。其真實世界所需場景都使用UG建模實現。直接導入到系統背景，無需現場識別。根據實際職業教育的知識點需求，將模具設計與裝配的數據信息按教學中設計進度進行設計，分為坐標與視圖基礎知識、基礎元素、裝配體、表達語言、標準件、非標件爆炸圖以及完整組裝圖共6個部分，與線上其他教學資源相對應，以增加模型庫的用戶相關度。
其為組建完成后的虛擬現實平臺，完全可以滿足教師、學生的交互。在模型庫中全部實現三維數字模型，立體顯示模具每個方位的狀態。元件的外形與功能、名稱都完美展現，使用者可以自由展示與操作，再輔助以教師講解，以及視頻補充說明，降低教學的枯燥性。
使用者理解更透徹、直接。教師或者學生打開平臺主界面可以按照教學的章節需求逐步學習，同時集合的裝配庫自由選擇。按照元件的功能需求直觀地調用與瀏覽。考慮教學的實用性，該平臺主要為PC版。
虛擬現實交互模型平臺的制作方案主要開發流程如下:1)使用3DMAX渲染軟件對模型進行視覺處理，模型為模具設計商用軟件UG制作，以.prt格式保存。2)將處理后的模型導入Unity3D平臺，同時為開發平臺進行PC端模型系統制作，配置開發平臺。3)選用HiAR作為增強現實開發包制作AR、HiAR以REST和API形式提供云端圖像識別服務，支持規模的圖庫處理，同時進行后臺管理工具內容的編輯與管理，通過C#編寫實現交互程序。4)采用Unity3D平臺將資源打包上傳到服務器，使得平臺內資源均為服務器加載[19-23]。其包含復雜模具結構所有零件。同時，零件個體可以在平臺中根據教學中給定的標準移動與裝配。
3模具教學推薦
有了平臺與3D數據模型，從情景的創建、學生自主學習，再結合大量的虛擬練習，課后進入實訓車間，嫻熟操作，大幅度降低新手操作的危險系數。同時寓教于樂，學生積極性得到大幅度提升。
4結束語
模具業內當前以及未來的趨勢是從二維繪圖發展到三維，而CAE軟件的蓬勃發展，促使在過去的10年，模具設計行業進入發展的快車道。當前計算機軟件與硬件的發展勢必促使模具設計與教學迎來新的創新點，虛擬設計技術成為發展的主力軍，特別是在職業化教育中，其從根本上解決了空間、資金、安全等問題。
本文主要有以下成果:1)基于三維UG設計軟件構建一整套完整汽車大型覆蓋件模具設計與調試模型庫，充分考慮了操作與教學的開放性。2)基于Unity3D平臺，將數據庫與虛擬現實聯系起來，完成可視化平臺。此平臺除了滿足教學所用外，還對于工程設計有參考作用。其強大的裝配模塊，包括所有大型覆蓋件零部件，可直接調用，并可按照實際加工、裝配、調試公差實現微調整。3)基于此平臺，探討教師與學生使用策略。從教學內容、活動、方法以及學生活動4個環節按照情景創建、自主學習、虛擬練習、實際練習、更新5個維度展開討論�？勺鳛橥扑]方案，教師按照實際工況安排。
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[5]趙驥，肖田元，韓向利，等.制造系統虛擬環境行為建模研究[J].清華大學學報(自然科學版)，2002，42(3):369-372.
科學技術論文范文：虛擬現實技術可視化計算應用
摘 要：虛擬現實技術是一項集成性極高的高新信息技術，本文通過對VR技術的討論分析了VR技術土木工程中的應用，指出VR技術必將在土木工程中發揮越來越重要的作用。
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