李斌

摘 要：為了優(yōu)化注塑技術(shù)，改善傳統(tǒng)注塑安全隱患大、經(jīng)濟(jì)耗費(fèi)大、用戶體驗(yàn)局域等問題，對(duì)此特別提出基于Unity 3D的虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于PC端“線上”運(yùn)行，不受場(chǎng)地、時(shí)間、人員的約束，安全性能增加，適用于高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)。為了得到更加完善的系統(tǒng)，從系統(tǒng)構(gòu)架、模塊設(shè)計(jì)、成型工藝仿真及整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述方面做出闡述，證實(shí)了該系統(tǒng)的實(shí)用性，為以后校園實(shí)訓(xùn)用注塑機(jī)仿真模型的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：Unity 3D;注塑仿真系統(tǒng);模擬注塑機(jī)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1001-5922（2021）11-0161-04

Design of Campus Virtual Simulation System Based on Unity 3d

Li Bin

（Shangluo Vocational and Technical College， Shangluo 726000， China）

Abstract：In order to optimize the injection molding technology， improve the problems of large safety risks， large economic cost and user experience localization， the design of the virtual simulation system based on Unity 3D is specially proposed. The advantages of the system are that the PC terminal "online" operation， not subject to the site， time， personnel constraints， the safety performance increases， which is fully applicable for experimental teaching in colleges and universities. In order to obtain a more perfect system， the system architecture， module design， molding process simulation and the whole system design overview， the practicability of the system is proved and provides technical support for the design of injection molding machine simulation model for campus training.

Key words：Unity 3D; injection molding simulation system; simulation of injection molding machine

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)于工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)造型要求逐漸提高，注塑技術(shù)成為工業(yè)較常用的一種生產(chǎn)手段。傳統(tǒng)注塑實(shí)驗(yàn)存在安全隱患大、經(jīng)濟(jì)耗費(fèi)大、用戶體驗(yàn)局域等問題。為了改善傳統(tǒng)注塑實(shí)驗(yàn)存在的問題，更好的促進(jìn)校園實(shí)訓(xùn)，保證學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的安全。本文特提出虛擬注塑仿真實(shí)驗(yàn)，為校園實(shí)訓(xùn)提供便利。虛擬注塑仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于PC端“線上”運(yùn)行，不受場(chǎng)地、時(shí)間、人員的約束，安全性能增加，完全適用于高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是以Solid-Works、UG三維建模軟件在Unity 3D基礎(chǔ)上完成的，能完美復(fù)原注塑機(jī)在實(shí)際中的生產(chǎn)流程。

1 系統(tǒng)開發(fā)流程

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)構(gòu)架的建立是基于注塑機(jī)仿真系統(tǒng)的需求所設(shè)計(jì)的。如圖1所示，每個(gè)模塊獨(dú)立存在，使得各個(gè)模塊都能很好的發(fā)揮作用。

由圖1可看出，系統(tǒng)的中心點(diǎn)為邏輯控制中心，即邏輯控制中心決定著系統(tǒng)整個(gè)界面的操作，接下來對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行概述。首先，邏輯控制中心需要對(duì)輸入流進(jìn)行判定，根據(jù)判定結(jié)果選擇適合的操作模塊。該系統(tǒng)的具體模塊為獨(dú)立模塊，由邏輯控制中心集中控制，避免了模塊間的影響，提高了各模塊代碼的適用性，便于系統(tǒng)維護(hù)。

界面控制模塊是依靠Unity3D提供的GUI實(shí)現(xiàn)。主要組成部分為主控制面板、主菜單、右鍵菜單及各個(gè)輔助系統(tǒng)的顯示界面。界面控制模塊在接受操作信號(hào)的同時(shí)將信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，邏輯控制中心接受信號(hào)后根據(jù)要求進(jìn)行動(dòng)作。機(jī)器控制中心主要包含兩方面，一方面為機(jī)器動(dòng)作，主要是機(jī)器開合模動(dòng)作及注塑塑化;另一方面為制品成形，主要為工藝仿真，比如流動(dòng)動(dòng)畫及顯示缺陷等。圖形輔助控制中心也分為兩個(gè)部分：第一部分為控制圖像的操作，根據(jù)零件樹系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)顯示出該注塑機(jī)的零件與各個(gè)零件對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu);第二部分為輔助菜單。數(shù)據(jù)控制中心主要值數(shù)據(jù)的控制，集中、整合工作、注塑機(jī)維護(hù)工作及輔佐操作的數(shù)據(jù)都統(tǒng)一集中在數(shù)據(jù)中心，在需要時(shí)調(diào)取。

1.2 注塑機(jī)操作模塊設(shè)計(jì)

注塑機(jī)操作模塊設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)部分，一個(gè)是對(duì)注塑機(jī)的基礎(chǔ)操作;另一個(gè)是注塑機(jī)的控制面板操作。

1.2.1 注塑機(jī)的基礎(chǔ)操作

注塑機(jī)的基礎(chǔ)操作指的是直接在注塑機(jī)體的操作，如注塑機(jī)的開關(guān)及注塑機(jī)的活動(dòng)門操作。為防止操作工人被燙傷，要求在注塑機(jī)開機(jī)之前，將前、后活動(dòng)門關(guān)閉后把噴嘴防護(hù)門移動(dòng)到最前方。該操作雖然是基于實(shí)際，但仿真系統(tǒng)仍舊需要模擬這些操作，做到仿真與實(shí)際結(jié)合。

1.2.2 注塑機(jī)控制面板操作

注塑機(jī)控制面板能直接對(duì)注塑機(jī)進(jìn)行操作，該系統(tǒng)的控制面板操作主要分為模式操作、動(dòng)作操作及顯示器操作3部分。注塑機(jī)控制面板操作如圖2所示。

（1）模式操作。一般注塑機(jī)分為不同的模式，在不同模式下，操作方式也大有不同。手動(dòng)模式需要用戶自己完成的注塑機(jī)的所有操作。半自動(dòng)模式需要用戶完成部分操作，且一次成型以后，注塑機(jī)停止工作。全自動(dòng)模式為用戶進(jìn)行開合模操作后，注塑機(jī)一直工作到完成相應(yīng)的生產(chǎn)計(jì)劃。

（2）動(dòng)作操作。動(dòng)作操作指對(duì)注塑機(jī)的功能操作，主要用于無人車間操作時(shí)所用的操作。動(dòng)作操作除了能控制注塑機(jī)的料筒、電機(jī)主要開關(guān)之外，還能對(duì)生產(chǎn)異常時(shí)的急停開關(guān)以及各類按鈕完成注塑等進(jìn)行操作。

（3）屏幕數(shù)據(jù)操作。這個(gè)部分包含了注塑機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，主要由運(yùn)動(dòng)參數(shù)成型參數(shù)組成。通過屏幕操作監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的參數(shù)，也能通過改變的參數(shù)的設(shè)施改變注塑機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度。另外，還能通過改變工藝參數(shù)改變成型結(jié)果，不同的成型速度，保壓壓力，注塑成型的注塑制品也是不一樣的。

1.3 注塑機(jī)成型工藝的仿真

注塑機(jī)成型工藝的仿真主要包括流動(dòng)成型顯示、成型工藝以及缺陷識(shí)別處理等3個(gè)部分。流動(dòng)成型顯示指注塑成型時(shí)，產(chǎn)品在模具腔中流動(dòng)成型的過程。具體流動(dòng)顯示過程為：根據(jù)華塑CAE分析得到的網(wǎng)絡(luò)結(jié)果信息，將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重新顯示，如出現(xiàn)缺陷產(chǎn)品，也會(huì)對(duì)應(yīng)的顯示，則為完整的流動(dòng)成型顯示過程。

成型工藝是注塑注射成型過程，將具體成型過程繪制如圖3所示。參數(shù)決定了注塑產(chǎn)品的結(jié)果，操作者可以對(duì)每個(gè)階段的工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使注塑產(chǎn)品發(fā)生改變。同時(shí)，工藝參數(shù)仿真也是利用該原理，分析參數(shù)對(duì)成品的影響，得出結(jié)果。

缺陷處理主要是對(duì)缺陷產(chǎn)品的識(shí)別再進(jìn)行處理。常見缺陷有短射缺陷、燒焦以及黑點(diǎn)。仿真系統(tǒng)對(duì)于缺陷的處理為分析不同工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生的影響，根據(jù)華塑CAE分析結(jié)果，然后提取出軟件的工藝窗口，利用工藝窗口的形式判斷缺陷的產(chǎn)生。

2 模型準(zhǔn)備

2.1 注塑機(jī)三維模型建立

注塑機(jī)是一種由注塑、液壓、鎖模、加熱冷卻、電氣控制等系統(tǒng)，以及加料裝置和機(jī)身組成的一種機(jī)電一體化的機(jī)械設(shè)備。雖然各種類型的注塑機(jī)在成型時(shí)候運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，但是基本原理是類似的。為了開發(fā)出最實(shí)用的仿真系統(tǒng)，模型的建立是使用Solid-Works三維建模技術(shù)建立注塑機(jī)的 三維模型。為了讓仿真系統(tǒng)更貼近實(shí)際注塑機(jī)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)完美復(fù)原真實(shí)注塑機(jī)系統(tǒng)。由于注塑機(jī)仿真模擬技術(shù)不夠深入，故該系統(tǒng)只能考慮注塑機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真，以及簡(jiǎn)化版電器控制系統(tǒng)。圖4為注塑機(jī)模型整體和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2.2 零件模具三維模型建立

為了貼合復(fù)雜實(shí)體及造型的建構(gòu)，本系統(tǒng)的零件模具三維模型是運(yùn)用UG三維建模技術(shù)建立而成。UG（Unigraphics NX）是一個(gè)交互式CAD/CAM系統(tǒng)，由于其特性，能夠滿足系統(tǒng)的各項(xiàng)要求，是目前模具行業(yè)常用的一種系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)，在三維模型中建立了成型零件、澆注系統(tǒng)等所需模型。

3 系統(tǒng)概述

通過以上敘述，基本確定了該注塑機(jī)仿真系統(tǒng)的整體實(shí)現(xiàn)方案。此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)代碼編輯平臺(tái)為Unity 3D自帶的MonoDevelop，編程語言為C#，以此基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了整套注塑機(jī)模擬仿真系統(tǒng)。

從圖5可看出，本系統(tǒng)的主體包含虛擬注塑機(jī)，注塑機(jī)控制面板以及右鍵菜單。右側(cè)為注塑機(jī)面板，操作者可直接通過面板對(duì)注塑機(jī)進(jìn)行操作。在三維的基礎(chǔ)上，直接對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行操作，完成了注塑機(jī)操作模擬過程，同時(shí)基于實(shí)際，操作者可對(duì)該仿真系統(tǒng)進(jìn)行更換模具及植入模具操作。

4 運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)現(xiàn)

注塑機(jī)有多種不同的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，為了更好的模仿注塑機(jī)運(yùn)動(dòng)，本文以注塑機(jī)基本操作——開合模運(yùn)動(dòng)為例。

想要模擬注塑機(jī)運(yùn)動(dòng)，首先需要在UG中建立模型;其次需要在3D MAX中制作動(dòng)畫;最后在Unity 3D中對(duì)制作出來的動(dòng)畫進(jìn)行匹配播放。在前文中已經(jīng)對(duì)注塑機(jī)的所有模型建立完成，故只需要進(jìn)行第2、3步。

如圖6所示，將模型導(dǎo)入3D MAX中，以幀為單位，結(jié)合注塑機(jī)開合模的基本運(yùn)動(dòng)制作了如圖6的具體開模動(dòng)畫。

利用3D MAX將動(dòng)畫制作出來以后，需要將動(dòng)畫以FBX格式導(dǎo)出，再將其導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D中，在導(dǎo)入動(dòng)畫以后，將動(dòng)畫的幀數(shù)和時(shí)間通過程序控制與主控制面板的操作相匹配。不同速度匹配的不同操作即為該時(shí)段的開模操作。同時(shí)，程序控制動(dòng)畫還能實(shí)現(xiàn)倒序播放模式，即可將開模動(dòng)畫轉(zhuǎn)換合模動(dòng)畫，完成場(chǎng)合模操作過程。效果實(shí)現(xiàn)圖如圖7所示。

5 制品成型過程顯示

Unity 3D過程中的制品成型顯示主要分為3步：①將網(wǎng)絡(luò)面片信息和時(shí)間節(jié)點(diǎn)信息讀入該系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù);②用Unity 3D技術(shù)對(duì)讀取的網(wǎng)絡(luò)面片信息進(jìn)行組合處理，處理后的面片按照時(shí)間節(jié)點(diǎn)順序顯示，該過程為充型過程;③將充型過程結(jié)果與該系統(tǒng)注塑機(jī)的注塑運(yùn)動(dòng)相匹配，使系統(tǒng)真實(shí)性增加。

在Unity 3D中對(duì)讀取到的節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行網(wǎng)格處理，形成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，再與注塑機(jī)注塑結(jié)合，即可顯示出制品的流動(dòng)成型。圖8為制品流動(dòng)成型具體過程。

注塑成型動(dòng)作轉(zhuǎn)化為nft時(shí)間節(jié)點(diǎn)需要先將注塑成型動(dòng)作轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息，轉(zhuǎn)化過程為：確定注塑進(jìn)行程度，即注塑機(jī)注塑運(yùn)動(dòng)所處距離與注塑運(yùn)動(dòng)總距離的比例關(guān)系，同時(shí)可將該比例看做注塑當(dāng)前時(shí)間與總時(shí)間的百分比。由此可通過當(dāng)前運(yùn)動(dòng)比例與注塑總時(shí)間計(jì)算出當(dāng)前注塑時(shí)間。完成計(jì)算后可通過nft文件獲取該時(shí)間對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)單元號(hào)，再進(jìn)入of 9文件獲得各單元的節(jié)點(diǎn)信息，最后在2dc文件中尋找對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)信息。完成上述步驟后，可推算出要顯示的節(jié)點(diǎn)UV，建立正確的mesh，可形成當(dāng)前時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的制品。將該節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)位置進(jìn)行調(diào)整，即可讓其在模具的型腔中顯示。制品充型過程如圖9所示。該過程是根據(jù)注塑過程形成的，是因注塑機(jī)在注塑過程中，以幀為單位進(jìn)行刷新，與之對(duì)應(yīng)的計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)信息會(huì)隨之刷新，充型過程就能在虛擬系統(tǒng)中顯示。

6 結(jié)語

本文提出的基于Unity 3D的校虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)相較于傳統(tǒng)注塑技術(shù)具有安全性能高，不受時(shí)間、人員約束等特點(diǎn)。通過建立完善的系統(tǒng)構(gòu)架，確定該系統(tǒng)的可行性。本文分別對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)模塊設(shè)計(jì)的闡述，確定各個(gè)模塊在系統(tǒng)中的作用，更好的模擬實(shí)際注塑機(jī)。成型工藝的仿真試驗(yàn)，分別對(duì)流動(dòng)成型顯示、成型工藝及缺陷識(shí)別處理方面進(jìn)行研究，確保該系統(tǒng)與實(shí)際注塑機(jī)工藝保持同步。并且根據(jù)注塑機(jī)要求，在Solid-Works和UG三維建模軟件建立模型，實(shí)現(xiàn)了整套注塑機(jī)模擬仿真系統(tǒng)。最后通過3D MAX制作運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫，并將其導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D中，完成制品成型過程，確保了該系統(tǒng)的真實(shí)性。本文通過設(shè)計(jì)并驗(yàn)證模擬仿真系統(tǒng)，確定了該系統(tǒng)的實(shí)用性，為以后的研究奠定了基礎(chǔ)。

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