模具虚拟实验系统的开发

冯桂珍,池建斌

(石家庄铁道大学机械工程学院,河北石家庄 050043)

模具虚拟实验系统的开发

冯桂珍,池建斌

(石家庄铁道大学机械工程学院,河北石家庄 050043)

针对传统模具设计和当前实验课程的设备台套数、场地等的不足,在研究Cult3D构建交互式三维虚拟场景的过程、方法和相关技术的基础上,以塑料注塑模具为例,利用Cult3D及其它相关软件工具,构建了一个基于网络的模具虚拟实验系统,将模具的结构、工作原理、装配关系等抽象的理论具体化,具有三维、动态性、交互、基于低带宽网络传输等特性,克服了传统实验的不足,在实际应用中取得了良好的效果。

虚拟现实技术;模具虚拟实验系统;Cult3D技术;网络

随着生产的发展,注塑模具技术在国内外得到了快速发展,在汽车、摩托车制造和家电等领域得到广泛的应用。但传统的串行开发模式带有很强的经验性和盲目性,一般需要反复修改试制才能满足需求,导致模具的开发周期长,降低了市场响应速度和竞争能力。同时,国内各高校对实验课的教学,大都存在着实验形式、内容、要求越来越高,实验设备、器材、场地、经费的保障相对滞后的矛盾,实验保障条件的制约在一定程度上影响了实验教学的开展和学生实践创新能力的培养。

虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)技术是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术以及传感器技术的基础上发展起来的一门交叉技术[1-2]。它利用计算机生成一种模拟环境,并通过多种传感设备使用户沉浸到该环境中去。利用计算机网络支撑的虚拟现实技术,可有效地解决这种矛盾,使分布在不同地点的企业和技术人员形成一个动态联盟,通过网络迅速地进行技术交流和信息共享,发挥各自的技术优势,共同完成模具的设计与制造任务[3]。同时,基于网络的虚拟拆装实验不受时空的限制,能有效地解决实验室设备紧缺等不足,且操作安全[4-5]。

Web3D是网络三维图形技术的通称,目前Web3D的主要解决方案有:VRML/X3D、View point、Shout3D、Cult3D等。而Cult3D是全新的Web3D技术、一个跨平台的3D引擎[6-7].其目的是在网页上建立交互式的3D对象,基于Java内核,具有良好的跨平台性;可视化的开发界面使开发者可以轻松掌握;32位的高视觉渲染方式使其渲染质量远胜于VRML语言;特殊的压缩方式使得文件体积很小,适合低带传输。鉴于此,笔者利用Cult3D,结合Pro/E、3DM ax、Photoshop、fireworks、Dreamweaver等软件工具,开发了一个基于网络的模具虚拟实验系统。现将虚拟实验创建的方法和关键技术阐述如下。

1 模具虚拟实验系统框架

模具结构拆装实验是模具设计与制造专业必开的实验项目,目的是让学生熟悉典型模具的结构特点和工作原理,了解模具中各个零件相互间的装配关系,掌握导向件、卸料件的设计方法以及模具与使用设备的安装关系等。模具虚拟拆装系统采用服务器/浏览器模式,其模块结构划分如图1所示。其中虚拟拆装实验模块在服务器端存放由建模工具创建好的零件通过格式转换导入Cult3D中构建的动态交互虚拟场景,浏览器端是嵌入＊.co格式文件的主界面,提供Cult3D虚拟场景的浏览和基于鼠标的交互控制和操作。

图1 系统框架结构

2 虚拟场景的创建

2.1 Cult3D程序开发流程

Cult3D的开发步骤可分为三个阶段:建模、编辑、发布。本身不具有三维建模的功能,需要使用其他的三维建模工具。目前,Clut3D支持创建3D模型的主要工具有3DSMax、M aya等。在这些软件安装有对应的Cult3D插件后才能将三维模型导出为C3D文件(Cult3D模型文件)。鉴于3DSM ax是目前使用最多的三维建模、动画、渲染软件,其功能强大,可以外挂很多插件来弥补本身的功能不足。因此,采用3DSMax作为模型格式转化工具,利用 Pro/E创建零部件模型,导入到3DSMax后,通过Cult3D Export导出Cult3D模型文件(＊.c3d文件),然后在C3Ddesigner中完成交互式拆装。

2.2 注塑成型模具的建模

注塑成型模具的基本结构主要由浇注系统、成型零件和结构零件三大部分组成,如图2所示。用Pro/E完成模具各部分结构的设计。Pro/E模具设计的流程如下:

(1)模具组件设计

模具组件设计是整个模具设计中的主体部分,包括参考模型的布局、收缩率的设置、毛坯工件的设计、分型面的设计、分割体积块及抽取模具元件等。本虚拟拆装实验以电话机面板为例,根据零件的结构形状,采用一模两腔。

(2)浇注系统设计

浇注系统设计是模具设计中的重要组成部分,包括注道设计、分流道设计及浇口设计等。为了有效地传递保压压力,浇注系统主流道以及附近的塑料熔体应该最后固化。卧式注射机模具中,主流道垂直于分型面,为便于流道凝料的拔出,设计成具有2°～4°锥角的圆锥形。为了模具均衡地进料、补料,获得质量一致的制件,分流道采用平衡式布置,选用半圆截面分流道,直径取5 mm比较合理。浇口形状和位置应用Plastics A dviso r,即塑料顾问找出最佳浇口位置。

(3)铸模与开模

当浇注系统设计完成后,进行铸模设计,将模具型腔和浇道形成的空间填充塑料材料,完成产品的浇注。通过开模模拟开模过程,以便清楚地观看模具型腔、型芯及浇道系统结构。

(4)模架设计

图2 注塑模具结构

主要包括动模和定模两部分。定模部分包括定模板(A板)、定模固定板(T板)、导套、浇口套、定位圈及相应固定螺钉。动模部分包括动模板(B板)、动模垫板(U板)、垫块(C板)、动模固定板(L板)、顶杆固定板(E板)、顶板(F板)、顶杆、拉料杆、复位杆、导柱及相应固定螺钉等。

利用Pro/E完成最终模具装配效果图如图3。

Pro/E模型转换为Cult3D模型时需要注意以下几点:

(1)Pro/E与 3DM AX是通过 STL格式进行接口。

将Pro/E的模具装配后,逐个导出零件的STL文件,这样用3DMAX逐一导入Pro/E保存的STL零件副本后,是符合装配关系的装配体,定位准确。

(2)将拥有共同运动行为的物体成组并调整组的几何轴心到合适位置,以便在Cult3D中做交互运行时,该组物体以某一轴心做共同旋转运动而不是以各自轴心做运动。

(3)设置视点。

Cult3D支持3DMAX中的摄像机,自定义摄像机来设置合适的观察角度,还可以创设多个摄像机分别放在不同的位置,以便于后期制作虚拟装配和拆卸时视点的选择,展示最佳视觉效果。

2.3 交互性的设计和实现

C3Ddesigner是一个完全拖放式软件。从SceneGraph窗口选中将要操作的对象,拖入Event M ap窗口,然后在Action窗口中选择要实施的动作,把它也拖入Event M ap窗口,在 Event M ap中选择触发该动作的事件。Cult3D为用户提供了鼠标和键盘两种触发事件。通过预览窗口可以检查动作和事件以及操作对象之间的相互关系。图4是装配与拆卸的部分事件规划图及拆卸效果图。

图3 Pro/E完成的模具效果图

图4 部分事件规划图及拆卸效果图

由于模具的虚拟拆装过程必须符合一定的逻辑顺序,因而在动作设计中进行了相应处理,使得整个拆装过程具有动态性、交互性和逻辑控制性,符合实际的拆装要求。具体实现是,用时间线(TimeLine)控制动作的先后次序,用激活事件或解除激活事件控制每一步的拆卸或安装。同时,在拆装过程中,为了呈现最佳观察方位,程序实现了视点自动切换。视点自动切换是通过切换摄像机实现的。为了增强系统的交互操作提示,在拆装过程中添加了工具提示和语音提示,工具提示(Tool tip)与相关零部件绑定,提供相应信息,如拆卸顺序、零件相关信息等;语音提示可打开或关闭,提示操作步骤。交互和动态性设计完成后将文件保存并输出.co压缩类型的网络文件,用于系统集成时嵌入到网页中。

3 系统集成与实现

Cult3D专门开发了Cult3d for Dreamweaver插件,Cult3D的场景在Dreamweaver中显示为ActiveX控件。在File框中输入已输出的.co文件路径,开启抗锯齿选项Antialiasing以提高画面质量,做好3D与2D部分的结合,编辑网页并将.co文件插入到网页中,在Dreamweaver界面下进行编辑,将虚拟实验的3D部分与实验辅助信息部分统一风格,融为一体。根据系统框架结构设计的系统主页如图5所示,包括基础知识、资源下载、虚拟拆装实验、操作帮助和友情链接五个模块,其中基础知识包括模具概述、分类、注塑成型原理等内容;资源下载提供学习课件和相关视频的下载;虚拟拆装实验包括自动和手动装配与拆卸、工作原理展示、模具零件三维模型任意角度查看等。操作帮助说明系统的操作及Cult3D插件的安装。若要进入虚拟拆装实验,系统提示用户安装Cult3D插件,用户通过鼠标交互拆卸和安装零部件,并能任意角度多方位浏览,通过工具提示和语音提示为用户提供操作帮助,柔美的背景音乐增添了听觉享受。图6是虚拟拆装实验的拆卸效果图。

图5 系统主界面

4 结论

通过Cult3D平台实现塑料注射模的异地虚拟装配,方法简单。注射模的开模、合模以及模具各零件的装配、拆卸方法和步骤通过三维虚拟操作得以形象、生动地表达,并可让用户进行实时交互操作。该系统不仅能让学生尽快掌握模具的基本结构和工作原理,使抽象的理论具体化,有效地解决了实验室设备紧缺等不足,且操作安全。

图6 虚拟拆装实验的拆卸效果图

[1] 汪成为,高文,王行仁.灵境(虚拟现实)技术的理论、实现及应用[M].北京:清华大学出版社,南宁:广西科学技术出版社,1996.

[2] 周晓琪.虚拟现实技术[M].北京:电子工业出版社,2002.

[3] 徐路宁,张和明,张永康.关于模具协同设计的研究[J].电加工与模具,2005,(1):27-30.

[4] M.Casini,D.Prattichizzo,A.Vicino.The automatic control telelab:A remote laboratory of automatic control[C].Proc.40th IEEE Conf.on Decision Control,2001(12):3242-3247.

[5] 钱应平,刘小鹏.数字化模具实验室构成系统的研究与开发[J].湖北工学院学报,2004,(3):62-63,71.

[6] Cycore Cult3D Homepage[EB/OL].http://www.cult3D.com.

[7] Cult3D-the leading 3D technology for the Internet[EB/OL].http://www.c3donline.com/w hatiscult3D/w hitepaper.pdf.

The development of mold virtual experiment system

FENG Gui-zhen,CHIJian-bin

(M echanical Engineering Institute,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang Hebei050043,China)

In view of the discomforts of traditional mold design and the lack of experiment equipment and p lace,on the basis of studying the p rocess,method and related technology of constructing 3D interactive virtual scene w ith Cult3D,taking the p lastic injection mold examp le,a mold virtual disassembly and assembly experiment system based on Web is constructed w ith Cult3D and other related soft tools.The system makes the abstract theory concrete such as the structure,working p rincip le and the assembly relationship of mould concretization,and has a lot of characters such as three-dimension,dynam ic,interactive and transm ission based on low-bandw idth and so on,overcomes the discom fo rt of traditional experiment,and has go t good effect in p ractical app lications.

Virtual Reality Technology;Mold Virtual Experiment System;Cult3D Technology;Web

TP391

:A

1001-9383(2011)02-0021-05

2011-04-25

冯桂珍(1978-),女,内蒙古商都人,硕士,讲师,研究方向为计算机辅助设计及图形学、虚拟现实技术.