陳康 姚云歡 付成云 高潔純
摘? 要:隨著計算機(jī)技術(shù)及虛擬現(xiàn)實技術(shù)的迅速發(fā)展, 各高校對一些實驗項目進(jìn)行虛擬化設(shè)計,進(jìn)而改善學(xué)生多、設(shè)備不足或者實驗風(fēng)險高等教學(xué)狀況。結(jié)合UG、3ds Max、Unity3D、Photoshop等計算機(jī)工具構(gòu)建了溫成形虛擬仿真實驗平臺,實現(xiàn)了以第一人稱視角的實驗場景漫游、溫成形設(shè)備的運動以及實驗交互操作,使學(xué)生在安全可控的環(huán)境中對溫成形實驗進(jìn)行操作,更方便直觀地掌握實驗。
關(guān)鍵詞:溫成形? 虛擬仿真實驗? Unity3D? 交互設(shè)計
中圖分類號:TP319? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號:1672-3791(2019)04(a)-0014-02
傳統(tǒng)溫成形實驗是對板料直接進(jìn)行加熱,然后放入模具中沖壓成形,板料放入到模具的過程中溫度會有所降低,具有一定局限性。針對上述不足,采用一種能準(zhǔn)確控制板料溫度的油浴式溫成形裝置。在現(xiàn)實實驗中,由于該實驗存在一定高溫風(fēng)險,且設(shè)備數(shù)量受限等原因,基本上都是由實驗老師演示,很少有學(xué)生能參與實驗的實際操作。溫成形實驗的虛擬仿真實驗系統(tǒng)將徹底打破傳統(tǒng)空間的限制,學(xué)生可以在虛擬環(huán)境下,模擬真實溫成形實驗過程。在使用過程中不存在任何操作風(fēng)險及設(shè)備損壞等問題,且人人可參與,人人會操作。既促進(jìn)了學(xué)生對溫成形實驗的認(rèn)知,又節(jié)省了昂貴的實驗經(jīng)費。
1? 實驗內(nèi)容
實驗在25℃~400℃下設(shè)置8個不同溫度。調(diào)整好溫控系統(tǒng)加熱溫度,將坯料與模具浸入導(dǎo)熱油中加熱,待溫度達(dá)到設(shè)定溫度后進(jìn)行拉深實驗,將初始板料直徑設(shè)為100 mm進(jìn)行拉深,若板料未出現(xiàn)破裂,則增大坯料直徑直到出現(xiàn)破裂為止[1],使用游標(biāo)卡尺分別測出不同溫度下拉深件的最大成形高度。
2? 實驗設(shè)計流程
對于溫成形虛擬仿真實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)過程,首先利用UG建立溫成形裝置的零件圖并裝配,導(dǎo)入3ds Max中進(jìn)行渲染,然后以Unity3D可以兼容的格式導(dǎo)入,導(dǎo)入后在Unity 3D中添加相關(guān)組件進(jìn)行虛擬場景的搭建[2]。搭建完成后做系統(tǒng)的界面設(shè)計與交互設(shè)計,對平臺進(jìn)行性能測試,符合要求即可發(fā)布,生成Webplayer文件或exe文件。
2.1 溫成形裝置建模與導(dǎo)出
采取實地拍攝的方式收集溫成形設(shè)備信息,利用UG建模技術(shù)1∶1還原溫成形實驗?zāi)>?。建模的基本原則是,采用最簡單的模型保證模型的真實性,可將不需要運動的模型合并為一體,減少模型數(shù)量[3],主要建立的模型有液壓機(jī)、溫成形模具、工件、坯料、實驗室墻體、白熾燈、柜子、盆栽、辦公桌椅等。生成的模型以STL格式導(dǎo)出。
2.2 模型的渲染和導(dǎo)入
將生成好的STL文件導(dǎo)入到3ds Max中,為模型添加材質(zhì)、貼圖及渲染處理,使模型更加逼真,調(diào)整好各部件的坐標(biāo)位置關(guān)系,將其以FBX格式導(dǎo)入到Unity3D引擎的虛擬場景中。
2.3 系統(tǒng)交互模塊的實現(xiàn)
2.3.1 第一人稱漫游
為了方便操作與觀察,以主攝像機(jī)的第一人稱視角在虛擬實驗室中進(jìn)行操作與漫游,利用鍵盤上的上下左右鍵來進(jìn)行移動,利用鼠標(biāo)進(jìn)行視野的旋轉(zhuǎn)。在角色漫游時避免不了與墻體及實驗設(shè)備發(fā)生接觸、碰撞和其他形式的運動,為使這些運動符合自然規(guī)律、避免人與物體產(chǎn)生穿透現(xiàn)象,需要對相應(yīng)的物體添加碰撞器。通過創(chuàng)建一個具有一定高度的膠囊體,并在膠囊體上綁定攝像機(jī),這樣攝像機(jī)變?yōu)橐粋€帶有剛形體組件和碰撞器的對象,同時受重力作用發(fā)生碰撞時產(chǎn)生相應(yīng)的物理運動。
2.3.2 成形過程的交互與實現(xiàn)
(1)毛坯放入模具動作:編寫Mousedrag.cs腳本實現(xiàn)利用鼠標(biāo)左鍵拖拽毛坯放入壓料板上方相應(yīng)位置,為了方便觀察,拖拽時毛坯處于1.5倍放大狀態(tài),松開鼠標(biāo)后毛坯恢復(fù)正常大小。
(2)壓力機(jī)沖壓動作及回程動作:編寫了move.cs腳本可實現(xiàn)通過觸發(fā)按鈕啟動壓力機(jī),壓力機(jī)帶著上模下行,與壓料板配合對浸在導(dǎo)熱油中的坯料進(jìn)行壓邊,壓力機(jī)繼續(xù)下行,配合凸模對毛坯進(jìn)行拉深成形;成形完成后,上模回程過程中壓料板在彈簧的作用下將工件從凸模中推出[4],并隨著凹模一起離開油液面。
(3)沖壓結(jié)束后取出工件動作:編寫了xxx.cs腳本可實現(xiàn)利用推桿直接推動推件塊,將卡在凹模內(nèi)的工件推出,觀察者拿起工件時,工件將放大2倍,自動彈出工件高度信息。
2.4 界面制作
在溫成形虛擬仿真實驗系統(tǒng)中,需要將沖壓過程中各個動作布置到操作界面上,該系統(tǒng)使用Photoshop軟件制作靜態(tài)操作界面,利用Unity3D自帶NGUI插件創(chuàng)建相關(guān)界面與按鈕。
2.5 系統(tǒng)的發(fā)布
利用Unity3D軟件完成溫成形仿真實驗系統(tǒng)(見圖1),系統(tǒng)發(fā)布流程為File-Building Settings-PC,Mac&Linux Standalone-Player Settings-Build,檢查完系統(tǒng)中腳本程序中沒有出現(xiàn)Bug時,即可進(jìn)行發(fā)布在Build Settings中打包成exe格式文件和web格式,發(fā)布的Web端可以以靜態(tài)網(wǎng)頁文件和數(shù)據(jù)包的形式存在, 用戶可在客戶機(jī)上以B/S模式運行[5],通過網(wǎng)頁即可遠(yuǎn)程進(jìn)入溫成形仿真實驗系統(tǒng)教學(xué)系統(tǒng)。學(xué)生按照操作說明完成溫成形仿真實驗的學(xué)習(xí)過程,從而達(dá)到自主學(xué)習(xí)的目的。
3? 結(jié)語
該系統(tǒng)利用UG、3ds Max構(gòu)建了虛擬的實驗?zāi)P?,使用Unity3D引擎搭建整個虛擬交互平臺,真實再現(xiàn)了溫成形實驗過程,該系統(tǒng)界面簡潔、逼真度高,學(xué)生可以更清晰地了解溫成形實驗裝置結(jié)構(gòu)和工作原理,對材料類其他實驗的虛擬仿真化、網(wǎng)絡(luò)化提供一定的參考。
參考文獻(xiàn)
[1] 周杰.5083鋁合金板溫拉脹成形性能研究[D].重慶理工大學(xué),2018.
[2] 李阿樂,鄭曉雯,辛海林,等.基于Unity 3D的液壓支架運動仿真系統(tǒng)研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2014,27(5):79-81.
[3] 楊志文,張爭艷,楚蓓蓓,等.基于Unity3D的組合夾具虛擬拆裝教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2018,47(5):8-16.
[4] 陳康,劉慧.新型油浴式鋁合金板溫成形模具設(shè)計[J].熱加工工藝,2017,46(17):151-154.
[5] 熊平原,李建成,周玉梅,等.基于Unity3D的機(jī)械運動方案虛擬創(chuàng)新設(shè)計實驗平臺構(gòu)建研究[J].輕工科技,2017,33(7):67-69.
①基金項目:重慶理工大學(xué)實驗創(chuàng)新基金項目(項目編號:2018);重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院精英計劃項目。
作者簡介:陳康(1977—),男,四川廣安人,碩士,高級實驗師,主要從事材料加?CAM領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作。