高職模具虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在手機(jī)客戶端的應(yīng)用

吳劍平，時(shí)虹，馮美龍

（九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江西九江332007）

高職模具虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在手機(jī)客戶端的應(yīng)用

吳劍平，時(shí)虹，馮美龍

（九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江西九江332007）

當(dāng)前職業(yè)院校模具專業(yè)教學(xué)中，由于受到設(shè)備、場(chǎng)地等多重條件的限制，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和智能手機(jī)的快速發(fā)展，開發(fā)富有現(xiàn)代職教體系特色的教學(xué)資源，是職業(yè)教育工作者不斷探索的重要課題。通過探討運(yùn)用三維建模軟件及虛擬現(xiàn)實(shí)軟件構(gòu)建虛擬模具及將虛擬模具移植到手機(jī)端的方法，實(shí)現(xiàn)虛擬模具交互控制的途徑。

模具；模具設(shè)計(jì)；虛擬現(xiàn)實(shí)；虛擬仿真；虛擬交互

模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)已成為一個(gè)國家制造水平的重要標(biāo)志，因此，掌握模具零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、模型設(shè)計(jì)與編程加工等對(duì)學(xué)生今后在專業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展起著重要作用。雖然目前各高職院校的教學(xué)條件已大為改善，有些院校已能夠大量采用多媒體與實(shí)訓(xùn)室相結(jié)合的教學(xué)模式，但這些仍難以全面達(dá)到模具教學(xué)的要求，因?yàn)槟＞呓虒W(xué)有其獨(dú)特的專業(yè)特點(diǎn)，即模具的復(fù)雜多樣性，多數(shù)圖例沒有實(shí)物模型與之對(duì)應(yīng)，更不可能有全部的模具機(jī)床，這就導(dǎo)致缺乏用實(shí)物模型去解釋其工作原理及設(shè)計(jì)要求，工作過程難以被學(xué)生理解，教學(xué)比較抽象，在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，學(xué)生會(huì)反映教學(xué)內(nèi)容枯燥，概念模糊，直接影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更難以理解不同產(chǎn)品需要設(shè)計(jì)出不同模具的方法。通過總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建虛擬模具空間，加強(qiáng)學(xué)生的感知認(rèn)識(shí)，并提供交互功能，會(huì)大幅提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，從而提高教學(xué)質(zhì)量，但這還不夠，因?yàn)樘摂M模具需要以電腦作為載體，機(jī)房的固定性難以滿足教學(xué)和學(xué)習(xí)要求，而智能手機(jī)的應(yīng)用很好地解決了這個(gè)問題，即把虛擬模具移植到手機(jī)端，讓學(xué)生不受時(shí)間、空間的制約隨時(shí)隨地的交互學(xué)習(xí)，大幅提高學(xué)習(xí)效率。

1模具模型的建立與數(shù)據(jù)交換

1.1 模具模型的建立

模具三維設(shè)計(jì)軟件很多，如UG、PROE、CATIA、SOLIDWORKS等，本文采用UG8.5作為數(shù)碼相機(jī)主體前蓋產(chǎn)品注塑模三維模型的開發(fā)工具，主要應(yīng)用的是UG的模型及裝配模塊，用的命令主要是拉伸、抽殼等常用命令，過程比較簡(jiǎn)單，但步驟繁瑣，在此不再贅述。模型創(chuàng)建的順序如下。

（1）依產(chǎn)品和注塑機(jī)確定外廓尺寸。圖1為產(chǎn)品三維模型，材料為工程塑料增強(qiáng)ABS，拉伸強(qiáng)度80 MPa，耐沖擊性80 J/m，彎曲彈性率在28 000 kg/cm.注塑成型后產(chǎn)品長104 mm、寬60 mm、高18 mm，最厚處1.8 mm，最薄處0.8mm.

圖1 產(chǎn)品三維模型

（2）設(shè)計(jì)進(jìn)料系統(tǒng)。澆口類型為點(diǎn)澆口。

（3）計(jì)算型腔、型芯尺寸。模仁尺寸為長155 mm、寬110mm、高50 mm.其中型芯高24 mm.型腔高26 mm.

（4）設(shè)計(jì)頂出方式。采用推桿推出機(jī)構(gòu)，拉料桿為Z型拉料桿。

（5）設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)。

（6）模架導(dǎo)入。

模架為三板模，尺寸為長400 mm、寬400 mm、高366 mm.其中定模板厚70 mm.動(dòng)模板厚80 mm.最終完成的模具三維模型如圖2所示。

圖2 模具三維模型

1.2 模型的數(shù)據(jù)交換

用UG建立的模型數(shù)據(jù)還不能直接導(dǎo)入到虛擬環(huán)境中，需應(yīng)用3DMAX等軟件進(jìn)行模型數(shù)據(jù)交換。3DMAX軟件是基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫渲染和制作軟件，其功能十分強(qiáng)大，應(yīng)用廣泛。數(shù)據(jù)交換的方法如下。

（1）在UG裝配模塊下，選擇文件菜單的導(dǎo)出命令，點(diǎn)擊STL彈出快速成型對(duì)話框，把三角公差和相鄰公差的默認(rèn)參數(shù)值設(shè)置小一些，分別為0.04和0.05，目的是為了提高模型曲面的顯示精度。確定后指出STL文件的路徑和名稱，注意路徑和名稱不得使用中文。再選擇要導(dǎo)出的UG實(shí)體模型，每次只需導(dǎo)出一個(gè)零件即可，暫不導(dǎo)出的模型可以先隱藏起來。

在UG裝配模塊下導(dǎo)出STL格式文件的優(yōu)點(diǎn)在于，保留了每個(gè)零件的系統(tǒng)坐標(biāo)值，以保證在下一步3DMAX導(dǎo)入時(shí)不必再重新裝配。STL格式文件是計(jì)算機(jī)圖形應(yīng)用系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)文件類型，是用三角形網(wǎng)格來表現(xiàn)的三維CAD模型，它的文件格式非常簡(jiǎn)單，應(yīng)用很廣泛。

（2）在3DMAX 2012軟件中，選擇文件菜單的導(dǎo)入命令，將上一步導(dǎo)出的STL文件逐個(gè)導(dǎo)入，導(dǎo)入完成后模具模型各零件的大小及相對(duì)位置保持完好。

接著制作模架展開過程的動(dòng)畫。主要應(yīng)用的是時(shí)間軸模塊，用到的命令主要是移動(dòng)、綁定等命令，動(dòng)畫制作過程比較簡(jiǎn)單，但步驟較多，在此不再贅述。動(dòng)畫制作完成后，將模型導(dǎo)出為FBX格式文件，導(dǎo)出時(shí)注意兩個(gè)參數(shù)的設(shè)置：勾選導(dǎo)出動(dòng)畫及坐標(biāo)軸Y軸朝上。

FBX格式是用于跨平臺(tái)的三維數(shù)據(jù)交換格式，目前被眾多的標(biāo)準(zhǔn)建模軟件所支持，常作為建模軟件的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)出格式。其優(yōu)點(diǎn)是軟件之間進(jìn)行模型、材質(zhì)、動(dòng)作和攝影機(jī)信息的互導(dǎo)。

2搭建虛擬環(huán)境并移植手機(jī)端

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）也稱人工環(huán)境，是利用電腦圖形技術(shù)模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬環(huán)境，提供關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，猶如置身其境的感覺[1]。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于模具教學(xué)，將發(fā)現(xiàn)自己置身于一個(gè)模具工廠之中，所有模具、機(jī)床應(yīng)有盡有，當(dāng)按下控制按鈕時(shí)，設(shè)備將開始工作，可以在任意角度觀察模具結(jié)構(gòu)及工作過程，甚至可以將某些零部件隱藏起來或進(jìn)行半透明處理，以便更好的觀察。

2.1 搭建虛擬環(huán)境

虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)軟件較多，如Unity、Virtools、中視典VRP、WebMax等，本文以英文版Unity5.2作為發(fā)布Android平臺(tái)的開發(fā)軟件。Unity是一個(gè)多平臺(tái)的綜合型游戲開發(fā)工具，其可視化編程界面易于完成各項(xiàng)開發(fā)工作，高效腳本編輯，通過Unity開發(fā)的網(wǎng)頁游戲、手機(jī)游戲，支持各個(gè)平臺(tái)良好。Unity開發(fā)環(huán)境需安裝配置Java JDK和Android SDK開發(fā)工具，開發(fā)環(huán)境搭建好后即可開始Unity虛擬環(huán)境的編輯。編輯方法概述如下。

（1）導(dǎo)入FBX模型資源并添加材質(zhì)。新建工程保存后，導(dǎo)入先前用3DMAX進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的FBX模型資源文件，在屬性面板中將該資源的屬性設(shè)置為：Model Scale Factor（1）；Rig Animation Type（Legacy）。設(shè)置完成后將FBX模型拖入Scene場(chǎng)景中，進(jìn)行可視化編輯。

FBX模型的XYZ坐標(biāo)值修改為（0，0，0），便于后面的精確操作，在場(chǎng)景中添加一個(gè)平行光、一個(gè)點(diǎn)光源和一個(gè)空游戲物體，空游戲物體的坐標(biāo)值修改為（0，0，0），半徑修改為FBX模型的120%大小，然后把FBX模型拖拽給空游戲物體作為子物體對(duì)象，這樣只要給空游戲物體添加滾動(dòng)、縮放程序腳本，F(xiàn)BX模型中全部零件都可做空游戲物體相同的動(dòng)作。

接著在項(xiàng)目面板中新建多個(gè)不同顏色的材質(zhì)，材質(zhì)類型均設(shè)置為高光類型，如Legacy Shaders/Specular.把創(chuàng)建好的材質(zhì)逐一拖拽給所有零件。

（2）添加C#腳本。滾動(dòng)與縮放腳本如下，該腳本拖拽給空游戲物體。

public Vector3 mousePos；

IEnumerator OnMouseDown（）{

mousePos=Input.mousePosition；

while（Input.GetMouseButton（0））{

Vector3 offset=mousePos-Input.mousePosition；

transform.Rotate（Vector3.up*offset.x*0.3f，Space. World）；

transform.Rotate（Vector3.right*offset.y*0.2f，Space. World）；

mousePos=Input.mousePosition；

yield return null；

}

}

void Update（）{

if（Input.GetAxis（"Mouse ScrollWheel"）＜0）{ if（Camera.main.fieldOfView＜=100）

Camera.main.fieldOfView+=2；

if（Camera.main.orthographicSize＜=20）

Camera.main.orthographicSize+=0.5F；

}

if（Input.GetAxis（"Mouse ScrollWheel"）＞0）{ if（Camera.main.fieldOfView＞2）

Camera.main.fieldOfView-=2；

if（Camera.main.orthographicSize＞=1）

Camera.main.orthographicSize-=0.5F；

}

}

還有界面及按鈕控制腳本，由于該腳本代碼較長，在此不再贅述，該腳本拖拽給主攝影機(jī)。

（3）發(fā)布PC平臺(tái)可執(zhí)行程序。

選擇文件菜單下的發(fā)布設(shè)置命令，在彈出的對(duì)話框中添加要發(fā)布的所有場(chǎng)景，然后選擇要發(fā)布的平臺(tái)PC，再點(diǎn)擊發(fā)布。發(fā)布的最終程序是EXE可執(zhí)行程序文件，可在PC平臺(tái)上操作應(yīng)用，對(duì)各操作系統(tǒng)的兼容性非常好。

2.2 發(fā)布Android平臺(tái)，移植手機(jī)端

發(fā)布Android平臺(tái)還需要添加必要的腳本，如觸屏腳本、屏幕設(shè)置腳本等，這個(gè)腳本拖拽給主攝影機(jī)。發(fā)布Android的步驟與發(fā)布PC的步驟基本相似，選擇要發(fā)布的平臺(tái)時(shí)選擇Android.發(fā)布的最終文件是一個(gè)APK文件，將該文件下載到手機(jī)端安裝后即可應(yīng)用。圖3是點(diǎn)擊展開模架按鈕后模具K02的效果圖，該系統(tǒng)中可以觸屏隨意滾動(dòng)、縮放模具，點(diǎn)擊返回按鈕后還可以選擇其它模具進(jìn)行操作，界面簡(jiǎn)潔直觀，符合手機(jī)屏幕小的特點(diǎn)。

圖3 虛擬模具在手機(jī)端的顯示效果

3結(jié)束語

智能手機(jī)作為一種新興的移動(dòng)通訊設(shè)備，其功能越來越強(qiáng)大，與互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換技術(shù)日趨成熟，越來越多的PC應(yīng)用媒體和軟件經(jīng)過程序轉(zhuǎn)換后可移植到手機(jī)端應(yīng)用。雖然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在手機(jī)端的開發(fā)應(yīng)用尚處初級(jí)階段，但其在教學(xué)中的應(yīng)用所帶來的效果是顯而易見的，可以預(yù)測(cè)，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和智能手機(jī)的發(fā)展，以及無數(shù)教學(xué)工作者的積極研發(fā)，移動(dòng)教學(xué)必將成為中國教育不可或缺的重要組成部分。

[1]王月蓉.淺談虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用[J].無線互聯(lián)科技，2013（11）：233-234.

The App lication of VocationalCollege Mould VirtualReality Technology in the Mobile Client

WU Jian-ping，SHIHong，F(xiàn)ENGMei-long
（School ofMechanical Engineering of Jiujiang Vocational and Technical College，Jiujiang Jiangxi332007，China）

In the current vocational collegesmould professional teaching，the limitation of equipment，sites，such asmultiple conditions reduce the student’s learning effect.With the rapid development of virtual reality technology and smart phones，the teaching resources of the system of characteristic modern vocational education is an continuously important theme of the vocational education workers.This paper discusses using three-dimensional modeling software and virtual reality software to build virtualmould and transfer tomobile phone sidemethod from the virtualmould，then the way of virtualmold interactive controlling realize.

themould；mould design；virtual reality；virtual simulation；virtual interaction

TP315

A

1672-545X（2016）12-0230-03

2016-09-14

江西省高等學(xué)校教學(xué)改革研究省級(jí)課題（課題編號(hào)：JXJG-14-45-1）

吳劍平（1968-），男，江西九江人，本科，副教授，主要從事模具設(shè)計(jì)與制造、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真等方面的教學(xué)研究工作。