【实验平台】
基于沉浸式虚拟现实技术的注塑模具结构认知实验开发
李玉胜1，董保香2，袁光明1
（1.山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博 255000；2.淄博职业学院 电子电气工程学院，山东 淄博 255000）
摘要： 针对模具方向注塑模具相关课程教学中出现的模具结构认知问题，提出基于沉浸式虚拟现实技术的模具结构认知虚拟实验室的建设方案，给出以UG与IdeaVR软件为平台的沉浸式虚拟现实实验室构建方法，开发集教、学、考、练多种功能于一体的注塑模具结构认知虚拟实验室，经过一年的实践应用，效果显著。
关键词： 虚拟现实；注塑模具；IdeaVR；UG
一、引言
一般情况下，认知注塑模具结构有两种途径：一是上课时教师利用文字、二维挂图、PPT课件、多媒体动画、视频等方式介绍模具结构；二是通过实物拆装实验，让学生了解注塑模具的结构、组成及各部分的作用。模具实验教学是模具课程教学中的一个重要教学环节，通过模具实验教学来认知模具的结构、功能。一般在实验室中做实物拆装实验，实验室提供了多套相同或者不同种类的模具及相应装拆工具，让学生做装拆实验，以达到结构认知的实验目的，但实验设备工具的种类及数量往往难以满足模具多样性的要求，无法跟上时代科技发展，导致结构认知效果不尽如人意。上述特点已经成为制约教学质量提高的重要因素。随着计算机技术的广泛应用，虚拟现实、虚拟实验室技术的研究得到广泛关注，并在实际中应用。虚拟现实技术是对传统实验教学模式的有益完善和良好补充，是高等院校培养应用型人才的重要手段。
二、注塑模具结构认知问题
我院材料成型及控制工程专业模具方向，要求学生掌握注塑模具设计的基本理论和技术，熟悉模具设计和制造的基本技术，包括设计、分析方法和加工技术；熟悉塑料成型的基本理论和技术；掌握塑料模具工艺及其模具设计的基本理论和技术；熟悉常用塑料成型设备的基本结构。为此，我们开设了模具制造工艺、模具设计制造高端技术、模具制造CAM、塑料成型工艺与模具设计等课程。这些课程涵盖模具的设计、制造、分析等全生命周期，其核心是掌握常用的注塑模具结构和相关理论。但传统的教材及授课所用课件，都是采用二维方式来表达模具结构。这种二维表达方法，存在很多问题，如图片不清晰而难以区分相邻零件，结构表达不清等，导致学生很难掌握模具结构的准确细节。在讲授模具设计制造高端技术时，其核心是UG的MoldWizard模块，该模块几乎涵盖模具设计的各个细节，需要学生对非常具体的结构进行定性选择与定量赋予各种参数。这种细节的具体化与理论的高度概括性之间相矛盾，因为学生的理论知识学习无法涵盖模具结构的所有细节。同时，学生面临很多外界诱惑，特别是手机等终端，外界的诱惑与上课的枯燥无味之间，学生很容易选择玩手机。因此，采用能吸引学生注意力的先进教学手段，非常有必要，沉浸式虚拟现实技术就是很好的选择。
三、虚拟现实实验室的组成
我院投资140万元构建了沉浸式虚拟现实实验室。虚拟现实软件采用可支持多人异地协同的虚拟现实教育平台IdeaVR，硬件是I-Wall样式的长4.5米、高2.5米、小间距、3D大屏幕LED显示系统，采用6个摄像头组成光学位置跟踪系统跟踪操作人员的位置与手柄，配备40副3D眼镜，一次容纳40名学生做实验。实际开设实验时，为保障实验效果，每批10人次。
四、注塑模具虚拟实验室场景方法
1.首先利用UG软件在MoldWizard模块下完成模具的设计，包括模架、型芯型腔、浇注流道系统、冷却系统、顶出机构、冷却系统、抽芯机构、各种标准件等，完善各种细节，如为各种标准件、抽芯机构建立腔体等。最终结果如图1所示。
2.把模型导入IdeaVR虚拟现实软件。导入有两种方法：一种是UG中的模型首先保存为低版本的*.X_T、STEP、STL等中性文件，然后把这些中性文件导入IdeaVR；另一种方法是直接在IdeaVR中读取UG8.0版本以下的文件，这要求IdeaVR是工业版，如果不是工业版，读取时会提示没有相应插件。
3.在虚拟现实软件IdeaVR中，建立实验室场景，创建光源，赋予模具各组成零件以材质，导入课件PPT，设置考题等；运用“动画编辑器”与“交互编辑器”建立模具结构的自动爆炸图，添加标注。最终效果如图2所示。
1.实现资源共享性。通过IdeaVR软件的发布功能，将制作好的虚拟现实注塑模具结构发布为EXE可执行文件，能够适配PC、HTC Vive以及Oculus等显示设备。学生在任何终端都可做实验，虚拟实验突破时空限制，通过云存储，方便地获得及发布大量的信息资源，实现资源共享。
学生头戴有跟踪球的3D眼镜，可以看到极具真实感的三维立体模型，利用操作手柄实现虚拟实验室中的漫游、模型拆装、动画方式的模具结构展示等功能，实现注塑模具结构认知的目的。学生做的实验内容分为两个方面：一是在虚拟现实环境中，采用装配序列及爆炸图的方式自动展示模具结构；二是在沉浸式虚拟现实环境中，利用3D眼镜与操纵手柄手动拆装模具、各零部件，通过漫游等方式各角度观察结构细节。这些方式使学生掌握模具各部分的结构，了解模具的工作原理。
图1 UG中的模具结构
图2 IdeaVR中的虚拟场景
图3 学生在虚拟实验室中做实验
五、注塑模具虚拟现实实验室的功能
4.构建好虚拟实验室后，在主控端IdeaVR软件的“VR设置”菜单中启动渲染端，在LED大屏幕中实现沉浸式虚拟环境。
2(年龄组：4～5岁、5～6岁)×2(性别：男、女)×6(问题维度)的重复测量方差分析发现，问题维度的主效应显著，生物学维度上，M=1.62，SD=0.08；精神生物学维度上，M=1.42，SD=0.11；知觉维度上，M=1.37，SD=0.11；认知维度上，M=1.08，SD=0.12；情绪维度上，M=1.06，SD=0.10；愿望维度上，M=0.99，SD=0.11。进一步两两比较分析发现，生物学维度与情绪、愿望、知觉维度差异显著，p<0.001，精神生物学维度与愿望维度差异显著，p=0.020，知觉与愿望维度差异显著，p=0.022。
六、沉浸式虚拟实验室的好处
NASA-TLX采用6个维度分析任务负荷，每个维度以1到21的刻度表示任务负荷。6个维度下的分数被重新量化为0(低任务负荷)到100(高任务负荷)的值。NASA-TLX 6个维度的平均值和标准偏差见表2。
4.模具种类更新快、成本低。购买实物设备投资大，维护困难，成本高，浪费人力，购买众多的实物模型，是不太现实的。但注塑模具技术的发展速度很快，学生实验中采用的模具更新较慢。虚拟实验室中，只需要把模具的三维模型导入IdeaVR并定制脚本就可，成本低，不需要任何场地，降低了管理成本，不需要考虑模具的磨损及损坏。
第三，资产日常管理变更包主要用于在日常帮助仓库管理人员、领物员等等进行资产信息查询、编辑与修改，例如对资产存放地点的修改调整等等，同时它也会记录每一次的系统维护信息，对每一次的日常购物进行审批检验，实现对高校固定资产基础信息的全面维护。
3.具有良好的交互性与近乎现实的真实感。沉浸式虚拟现实环境为学生提供了最贴近现实的真实感，可使学生在虚拟实验室中与模具结构交互，有身临其境的感觉。
2.扩展性好。虚拟现实实验室中，可随时添加不同种类、不同结构的模具。我们每年把优秀毕业设计放入虚拟环境，供在校生参考借鉴。不同制件、各种类型的模具，适用于不同基础的学生学习。
5.实验危险性小。现实中，考虑实验时人员的安全性，大型模具难以操作，一般选择拆装尺寸小、重量轻的模具，而在虚拟实验中无须考虑模具的尺寸与重量。
“别黑了。”柳哥关掉手机，放在了枕头底下，“我和你们不一样。我要是不能在外面混出名堂，家里要是有田我还能回去种田，没田了只好去流浪咯。”
6.有利于培养学生的创新能力。在模拟实验室中，学生可以自主研究模具结构，有利于发展学生的思维能力和空间想象力。学生加深对注塑工作原理、模具结构的理解，开阔了眼界，达到培养学生创新能力的目的。
七、结束语
沉浸式虚拟现实实验室形式新颖，模具结构认知表达方式生动，能很好地吸引学生的注意力，促进学生对所学理论知识的深入理解，增强对模具结构的感性认识，提高实际动手能力，对培养创新精神有积极的推动作用。
参考文献：
[1]单岩,苗盈,赵悦.基于虚拟现实的新型模具专业教学与实训平台应用[J].模具工业,2013,39(2)：70-72.
[2]赵悦,单岩.模具虚拟实验室的研究与开发[J].轻工机械,2011,29(6)：91-93.
[3]文建平.冲压模具虚拟实验室的研究与开发[J].机械职业教育,2014,(11)：33-34.
Cognitive Experiment of Injection Mold Structure Based on Immersive Virtual Reality Technology
LI Yu-sheng1，DONG Bao-xiang2，YUAN Guang-ming1
(1.ShanDong University of Technology，School of Mechanical Engineering，Zibo，Shandong 255000，China;2.ZiBo Vocational Institute，Electrial and Electronic Engineering，Zibo，Shandong 255000，China)
Abstract: For the problems of mold structure learning in the injection mold related courses teaching activities of injection mold professional,a construction method for virtual laboratory for mold structure cognition based on immersive virtual reality technology is proposed.Building methods of virtual reality lab construction based on UG and IdeaVR sofware are given.Virtual laboratory for injection mold structure cognition,with many functions such as teaching,study,examination,practice and so on,are constructed.The effect is remarkable proved by one year implementation.
Key words: virtual reality;injection mold;IdeaVR;UG
中图分类号： G642.423
文献标志码： A
文章编号： 1674-9324（2019）28-0273-02
收稿日期： 2018-10-16
作者简介： 李玉胜（1976-），男（汉族），山东昌乐人，硕士研究生，讲师，研究方向：先进制造技术。
标签：虚拟现实论文; 注塑模具论文; IdeaVR论文; ug论文; 山东理工大学机械工程学院论文; 淄博职业学院电子电气工程学院论文;