基于VR的塑料成型工艺与模具设计教学系统设计研究

基于VR的塑料成型工艺与模具设计教学系统设计研究

陈清奎魏鑫鑫李昊朱海轮刘怡婧

山东建筑大学山东济南250101

摘要：针对传统塑料成型与模具设计教学中学员的学习兴趣低、效果不理想等问题，提出用VR技术全方位的展示，完成了塑料成型与模具设计教学的三维立体模型的建立，通过VR技术全真的模拟了塑料成型与模具设计的全部过程。智能化的操作页面，方便简洁的操作方式方便了学员的学习，每一项的工艺所用的机器都可以通过拆解组装，让学员了解到机器的构造。全方位展示了每个工艺机器的细节，并且每一个零件都有标注，方便了学员对零件的记忆。激发学员兴趣和主动性，为学员提供一种全新的学习媒体和学习体验。

关键字：塑料成型；模拟；模具设计；学习

引言

目前人类使用的最广泛的材料是塑料。我国的塑料工业正在飞速发展[1]。塑料制品的应用已经深入到国民经济的部门塑料工程通常是指塑料制造与改性，塑料成型及制品后加工。塑料制品与模具设计是塑料工程中的重要组成部分[2]。由于实验教学在人才培养中具有特殊意义，所以高等教育的发展迫切要求高校加强实验教学。而传统的实验已经满足不了现代的教育模式和方法，新兴的虚拟仿真是以传统实验教学为理论基础的，是对传统实验教学的完善、补充和扩展。将两者结合起来才能发挥实验的最大作用，更大程度的培养学员动手能力、实践能力、创新能力[3]，所以开发了本系统，帮助学员更好的了解塑料成型与模具设计工艺的过程。

1.系统内容设计

该系统以山东建筑大学应用为例，通过结合各高校的金工实习规划要求，更加节约金工实习的成本，以及保证学生在金工实习的安全更好的进行塑料成型与模具制造工艺的学习。设计了这一个基于VR的塑料成型与模具设计。结合厚国旺等人虚拟现实系统的开发[4]，再基于传统的塑料成型与模具设计步骤组成进行设计[5]，包括单分型面注射模、双分型面注射模、活动镶件注射模、侧向抽芯注射模、自动脱螺纹注射模、定模推出注射模、热流道凝料注射模模块。因为每一个加工工艺都需要单独的讲解，所以我们在每个模块下设计出自动组装、自动拆卸、工作原理、速度组装拆卸速度调节的功能，如图1所示。

图1系统界面

2.系统组成介绍

为了全方位的向学员展示系统中想要传达的教学内容，整体系统的设计包括单分型面注射模、双分型面注射模、活动镶件注射模、侧向抽芯注射模、自动脱螺纹注射模、定模推出注射模以及热流道凝料注射模。并在各个页面下设计出自动组装、自动拆卸、工作原理、速度组装拆卸速度调节等多种功能。全方位的向学员展示各项操作的原理学习，实际操作以及形象展示。具体主要功能操作如下：

（1）自动组装、自动拆卸功能

自动组装，自动拆卸对每一个模块进行了动画解析，方便了学员对机器组装、拆卸的学习，通过鼠标右键，可以从不同的角度查看任意一个放大或者缩小的展示零件组装、拆卸的细节。通过暂停按钮，观看组装瞬时的具体细节。如图2所示。

图2细节界面

（2）工作原理功能

本设计方案中设计了工作原理学习模块，通过点击“工作原理按钮”，系统会自动播放该模块下相关知识点的工作原理，紧抓学生的眼球。该功能解决了书本上抽象学习的不足，激发了学员对所学知识的兴趣，解决了传统在书本上只是通过文字加剖面图等图片的抽象描述问题。通过系统中视频原理的讲解，帮助学员充分形象的理解工作原理，解决了学员学习困难、枯燥等一系列的问题。更好的形象生动的帮助学员介绍学习中的一系列知识点，更加清楚直观的解决学习困难、枯燥以及注意力不集中等问题。效果如图3所示。

图3原理界面

3.关键技术与开发工具

虚拟现实技术(英文名称：VirtualReality，缩写为VR)，又称灵境技术，是20世纪发展起来的一项全新的实用技术[6]。虚拟现实技术囊括计算机、电子信息、仿真技术于一体，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。

随着社会生产力和科学技术的不断发展，各行各业对VR技术的需求日益旺盛[7]。VR技术也取得了巨大进步，并逐步成为一个新的科学技术领域。在系统开发过程中主要依托3Dsmax三维建模软件，unity3D开发平台，VisualStudio代码编辑器。系统开发流程框架如图4所示。

图4开发流程

（1）实地机器测绘

首先根据所要构建的模块内容，进行塑料模型的实地考察和测绘，准确进行大小、相对位置、工作原理、相关配合等方面的模型测绘，并对所有的材料进行拍照总结，后期经过材料整合以及资料整理，对所针对的构建整理出完备的数据结构和相关知识点材料。并对目标软件进行模块划分，界面设置、动作计划等各方面做出详细的计划，方便后期的软件设计以及调试。

（2）软件建模

通过unity3D、solidworks等建模软件，对所需要设计的模型进行建模，并加以进行精度、实物对比、方位设计、构建搭配等进行对比核对，所建的模型要求完全符合实物的数据要求。SolidWorks制作的模型需转换成.step或.stl格式，导出.FBX格式文件导入unity3D开发引擎中进行下一步制作。建模软件下的文件需转换模型格式导入到3dsmax中进行操作。利用以上软件，能够减小使用计算机过程中产生的负载，增强流畅感。

（3）软件调试及发布

通过unity3D软件进行各个部分的界面设置，借助C语言等计算机编程与语言进行目标模具的运动仿真、构件自身流转、构件拆装、构件原理展示插入flash等功能的编写。并在后期进行软件的调试，对软件设置中，模型的各部分颜色贴图，包括灯光、阴影以及材质等、各个构件配合的先后顺序，展示的显示内容的取舍，以及整理流程以及流畅度进行综合的调试，利用交互技术完成各个模块之间切换顺畅，确保呈现最完备的效果。

4.结语

该系统将虚拟现实技术与塑料成型工艺与模具设计教育结合起来，效果完全逼真于现实，利用计算机的使用，节约了实验成本，但提高了教学效果，革新了空间与时间的限制条件，使学院能够随时随地进行认知学习，为学习新知识提供了更加方便的途径。本教学系统对整体结构展示、模型的组装、拆卸以及相关的工作原理进行展示，增强学员队相关知识点的认知和掌握。彻底打破传统讲解教学模式，抓住了学生的眼球和学习兴趣，改革教育的固定思维模式，对提高学生的学习兴趣、增强了学员的动手实践能力，极大地提高了学生的知识掌握效率，因此这种教学方式在创新教学以及提高教学效果上具有深远的研究意义。

参考文献：

[1]中国塑料加工工业(2017)[J].中国塑料,2018,32(04):1-5.

[2]鲁成伟.塑料成型模具课程教学改革工作思考[J].南方农机,2019,50(15):204.

[3]余建平,付佳.虚拟仿真与传统实验教学的结合[J].新教育时代电子杂志（教师版）,2016,(32):18-19.

[4]厚国旺,陈清奎,高博,朱肖龙,焦守群.《塑料成型与模具设计》虚拟仿真教学系统开发[J].模具工业,2018,44(09):74-77.

[5]邓万国.塑料成型工艺与模具结构[M].电子工业出版社,2006.

[6]虚拟现实[J].北方建筑,2019(04):68

[7]邓桂美.虚拟现实技术行业发展及应用探讨[J].绿色科技,2018,(24):195-197.