本文摘要：摘要:主要阐述一种虚拟现实技术，设计一套完整的虚拟现实模具教学系统。教学系统为模具装配与调试定制，完全按照模具装配过程工况以及操作需求设计，同时保证使用过程的友好与稳定。构建了整套大型覆盖件模具装配与调试数据库。使用者在操作的过程中基于虚拟
摘要:主要阐述一种虚拟现实技术，设计一套完整的虚拟现实模具教学系统。教学系统为模具装配与调试定制，完全按照模具装配过程工况以及操作需求设计，同时保证使用过程的友好与稳定。构建了整套大型覆盖件模具装配与调试数据库。使用者在操作的过程中基于虚拟现实环境，高效而又准确地实现设计理念，彻底摆脱有理念而无法快速在常规软件中实现的难题。如果此系统应用于高职高专的教学中，学生能快速获取相关知识，增加学生参与兴趣，从根本上解决模具教学的枯燥性。
关键词:虚拟现实,模具装配,模具教学,汽车模具
0引言
模具为制造之母，对振兴中国制造业有着至关重要的作用。在过去的半个世纪，精品模具的发展主要在欧美以及日本，而国内的发展则处在初级阶段。在最近10年，随着CAD(ComputerAidedDesign)与CAE(ComputerAidedEngineering)的普及，国内也进入了发展的快车道[1]，出现了大批优秀模具企业。但是要制造精品模具，还需要更多的投入。CAD与CAE在模具制造中的应用也进入白热化。
寻找新的发展动力势在必行[2]。当前行业内的研究重点主要在智能化与可视化，主要体现在模具工艺设计智能化与模具结构装配、调试虚拟可视化。美国华盛顿州立大学VRCIMA实验室开发了一个在线虚拟的装配环境，相关工作者运用这一系统可以在产品设计初期将装配、拆卸过程中存在的问题考虑进去，减少了装配设计过程中出现的问题[3]。
意大利Bologna大学研发了关于CAD的虚拟装配规划与验证系统。该系统可以用来评价混合样机的装配可行性、装配技术以及装配参数，而且其插入待装配元器件的设计标准，完成复杂装配流程[4]。国内也做过类似研究，其中国家CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)工程技术研究中心基于三维简易模具结构设计软件，其开发了模拟装配的支持系统，此系统考虑部分设计的标准[5]。
南京航空航天大学机电学院采用混合虚拟技术对飞机零件装配过程中的大量信息进行统一和集中管理，减少了装配误差并缩短了装配时间[6]。国外研究都相对宽泛，对于具体行业的应用没有深入，国内的研究以及应用主要集中在航空航天等前端制造业，而对于庞大经济体量的汽车模具则少有涉及。本文专注于汽车模具，充分考虑模具公差、间隙、强度、安全等方面，建立实体数据库，实现了装配与拆分的虚拟数字化。
1)模具职业教育。
职业教育旨在让受教育者获得某种职业或生产劳动所需要的职业知识、技能，基于基础工作需求，强调动手能力，职业教育主要强调精准与专业。同时，职业教育一般只有一年的强化学习，以实战为导向，强化训练符合社会企业需求的专业人才，以利用有限时间达到最佳效果[7]。
其中模具教学从设计到制造调试，涉及诸多知识。模具设计从点线面出发，构造可制造实体，并且实现工艺需求，知识范畴包括公差、装配、设备接口、安全等方面。按照冲压模具设计过程，首先按照工艺需求分成3个部分:拉延、分离(冲孔与修边)、二次成形(翻边与整形)，再在此基础上逐渐细分，最终着眼于点、线、面。特征与部件的装配过程所涉及的工具操作有标准流程，而部件在UG3D模具设计过程中完成。
当前教学正常状态在模具车间完成，但是受限于学生的安全意识的限制，大多数具有危险性的操作被取消了。所以模具职业教育的模具结构设计与装配贯穿于整个教学过程，安全与设备的限制是短板。受制于安全考虑与空间限制，学生在实训的过程中很难快速成长。高校也做过大量尝试，其中计算机专业虚拟现实技术在职业教育中成为创新热点[8]。
2)虚拟现实。
增强虚拟现实新技术也称基于工程师编制的数字环境，其依托于数字环境，拟合实际状态产生虚拟的多维状态，为用户提供友好的交互界面与所需专业内容，让使用者能够产生身临其境的感觉。当前5G普及成为大势所趋，虚拟现实技术也得到强大的推动。由于职业教育的特殊性，5G与虚拟技术的结合，让职业教育的发展更高效。
其强调的是虚拟环境带给受众强烈的沉浸感，从而达到受众能在类同于日常生活的状态与虚拟世界中的对象进行交互，并提供一个虚拟的场景来满足观察者在现实生活中难以实现的工况与真实世界之间的联系，有相对较低的硬件要求，同时由于用户与真实世界的联系仍然存在，人机交互方式也就显得更加自然[9-12]。经过长时间以来的研究与探讨，首先在游戏领域广泛推广。基于其规避了空间限制，现扩展到制造与教育行业。
1数据库构建
在模具的三大主要工艺上，模具多分成多工序来完成，其每一工序又需要一套完整的结构来实现功能性需求。在本文中，将每一工序所需要的零件归类，主要有24类。非标零件在此24项基本零件的基础上进行扩展。职业教育中，培养目标更趋向于实用性。学生对于模具所延伸以及涉及专业、标准都需要系统掌握。模型也需要关注其完整性与专业性。本系统包含的所有模型都是基于在产项目绘制，完全按照实际生产、国际标准的要求制作。
在本数据库中，基本元件都是直接调用，而其调用规则都是嵌套于系统后台。主数据包括底座、压料板以及上模本体，附带功能性器件为白色实体。如果需要扩充，可以在平台接口直接导入MISUMI(日本三住公司)标准库文件，通过简单设置即可实现更新。
在本体型面上各种颜色，形象具体地现实表征了加工以及配合公差，方便教学时讲解，力求教学的全面性。在模型的建立过程中，添加了机床接口参数设置。电器件以及压机、传感器设置在数据库中直接调用。同时添加安全相关设置，如起重棒、安全限位、安全侧销、安全平台、运输连接板、起吊螺钉等[13-16]。教学过程中可以根据教材标准逐一分解，同时配合虚拟视图展开教学。
2系统开发与实现
依托C#为基础，采用Windows7操作系统，利用Unity3D作为主要开发工具[17]，使用的插件有ToolKit2D、NGUI等。完成开发环境和项目搭建后，在本系统的项目中输入待测验的待测量，在各项数据(数据库)文件中保持待检测与应用的数据，包括图像与视频[18]。
由于教学使用，关键因素在装配关系以及模具结构与设计的基础认知上，所有使用到的模型以及场景都使用UG建模。减少实体场景识别，以及目标识别的不清晰与不及时的缺陷，提高系统运行效率。其真实世界所需场景都使用UG建模实现。直接导入到系统背景，无需现场识别。根据实际职业教育的知识点需求，将模具设计与装配的数据信息按教学中设计进度进行设计，分为坐标与视图基础知识、基础元素、装配体、表达语言、标准件、非标件爆炸图以及完整组装图共6个部分，与线上其他教学资源相对应，以增加模型库的用户相关度。
其为组建完成后的虚拟现实平台，完全可以满足教师、学生的交互。在模型库中全部实现三维数字模型，立体显示模具每个方位的状态。元件的外形与功能、名称都完美展现，使用者可以自由展示与操作，再辅助以教师讲解，以及视频补充说明，降低教学的枯燥性。
使用者理解更透彻、直接。教师或者学生打开平台主界面可以按照教学的章节需求逐步学习，同时集合的装配库自由选择。按照元件的功能需求直观地调用与浏览。考虑教学的实用性，该平台主要为PC版。
虚拟现实交互模型平台的制作方案主要开发流程如下:1)使用3DMAX渲染软件对模型进行视觉处理，模型为模具设计商用软件UG制作，以.prt格式保存。2)将处理后的模型导入Unity3D平台，同时为开发平台进行PC端模型系统制作，配置开发平台。3)选用HiAR作为增强现实开发包制作AR、HiAR以REST和API形式提供云端图像识别服务，支持规模的图库处理，同时进行后台管理工具内容的编辑与管理，通过C#编写实现交互程序。4)采用Unity3D平台将资源打包上传到服务器，使得平台内资源均为服务器加载[19-23]。其包含复杂模具结构所有零件。同时，零件个体可以在平台中根据教学中给定的标准移动与装配。
3模具教学推荐
有了平台与3D数据模型，从情景的创建、学生自主学习，再结合大量的虚拟练习，课后进入实训车间，娴熟操作，大幅度降低新手操作的危险系数。同时寓教于乐，学生积极性得到大幅度提升。
4结束语
模具业内当前以及未来的趋势是从二维绘图发展到三维，而CAE软件的蓬勃发展，促使在过去的10年，模具设计行业进入发展的快车道。当前计算机软件与硬件的发展势必促使模具设计与教学迎来新的创新点，虚拟设计技术成为发展的主力军，特别是在职业化教育中，其从根本上解决了空间、资金、安全等问题。
本文主要有以下成果:1)基于三维UG设计软件构建一整套完整汽车大型覆盖件模具设计与调试模型库，充分考虑了操作与教学的开放性。2)基于Unity3D平台，将数据库与虚拟现实联系起来，完成可视化平台。此平台除了满足教学所用外，还对于工程设计有参考作用。其强大的装配模块，包括所有大型覆盖件零部件，可直接调用，并可按照实际加工、装配、调试公差实现微调整。3)基于此平台，探讨教师与学生使用策略。从教学内容、活动、方法以及学生活动4个环节按照情景创建、自主学习、虚拟练习、实际练习、更新5个维度展开讨论。可作为推荐方案，教师按照实际工况安排。
参考文献:
[1]姚英学，蔡颖.计算机辅助设计与制造[M].北京:高等教育出版社，2002.
[2]任建平，欧艳，顾赛君，等.高职模具设计与制造专业课程体系改革和创新[J].模具工业，2018，44(3):72-77.
[3]KIMAH，BaeJH.Developmentofmobilegameusingmultiplatform(Unity3D)gameengine[J].InternationalJournalofIntelligentInformationProcessing，2014，5(1):29-36.
[4]SALEEMM，TAHIRMS，KRAMMERG.Measurementandsimulationofaxialvelocityinafilterbag[J].ChemicalEngineering&Technology，2012，35(12):2161-2169.
[5]赵骥，肖田元，韩向利，等.制造系统虚拟环境行为建模研究[J].清华大学学报(自然科学版)，2002，42(3):369-372.
科学技术论文范文：虚拟现实技术可视化计算应用
摘 要：虚拟现实技术是一项集成性极高的高新信息技术，本文通过对VR技术的讨论分析了VR技术土木工程中的应用，指出VR技术必将在土木工程中发挥越来越重要的作用。
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