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基于Unity3D温成形虚拟仿真实验的设计与开发

2019-07-08陈康姚云欢付成云高洁纯

科技资讯 2019年10期
关键词:虚拟仿真实验交互设计

陈康 姚云欢 付成云 高洁纯

摘  要:随着计算机技术及虚拟现实技术的迅速发展, 各高校对一些实验项目进行虚拟化设计,进而改善学生多、设备不足或者实验风险高等教学状况。结合UG、3ds Max、Unity3D、Photoshop等计算机工具构建了温成形虚拟仿真实验平台,实现了以第一人称视角的实验场景漫游、温成形设备的运动以及实验交互操作,使学生在安全可控的环境中对温成形实验进行操作,更方便直观地掌握实验。

关键词:温成形  虚拟仿真实验  Unity3D  交互设计

中图分类号:TP319                                 文献标识码:A                          文章编号:1672-3791(2019)04(a)-0014-02

传统温成形实验是对板料直接进行加热,然后放入模具中沖压成形,板料放入到模具的过程中温度会有所降低,具有一定局限性。针对上述不足,采用一种能准确控制板料温度的油浴式温成形装置。在现实实验中,由于该实验存在一定高温风险,且设备数量受限等原因,基本上都是由实验老师演示,很少有学生能参与实验的实际操作。温成形实验的虚拟仿真实验系统将彻底打破传统空间的限制,学生可以在虚拟环境下,模拟真实温成形实验过程。在使用过程中不存在任何操作风险及设备损坏等问题,且人人可参与,人人会操作。既促进了学生对温成形实验的认知,又节省了昂贵的实验经费。

1  实验内容

实验在25℃~400℃下设置8个不同温度。调整好温控系统加热温度,将坯料与模具浸入导热油中加热,待温度达到设定温度后进行拉深实验,将初始板料直径设为100 mm进行拉深,若板料未出现破裂,则增大坯料直径直到出现破裂为止[1],使用游标卡尺分别测出不同温度下拉深件的最大成形高度。

2  实验设计流程

对于温成形虚拟仿真实验系统的实现过程,首先利用UG建立温成形装置的零件图并装配,导入3ds Max中进行渲染,然后以Unity3D可以兼容的格式导入,导入后在Unity 3D中添加相关组件进行虚拟场景的搭建[2]。搭建完成后做系统的界面设计与交互设计,对平台进行性能测试,符合要求即可发布,生成Webplayer文件或exe文件。

2.1 温成形装置建模与导出

采取实地拍摄的方式收集温成形设备信息,利用UG建模技术1∶1还原温成形实验模具。建模的基本原则是,采用最简单的模型保证模型的真实性,可将不需要运动的模型合并为一体,减少模型数量[3],主要建立的模型有液压机、温成形模具、工件、坯料、实验室墙体、白炽灯、柜子、盆栽、办公桌椅等。生成的模型以STL格式导出。

2.2 模型的渲染和导入

将生成好的STL文件导入到3ds Max中,为模型添加材质、贴图及渲染处理,使模型更加逼真,调整好各部件的坐标位置关系,将其以FBX格式导入到Unity3D引擎的虚拟场景中。

2.3 系统交互模块的实现

2.3.1 第一人称漫游

为了方便操作与观察,以主摄像机的第一人称视角在虚拟实验室中进行操作与漫游,利用键盘上的上下左右键来进行移动,利用鼠标进行视野的旋转。在角色漫游时避免不了与墙体及实验设备发生接触、碰撞和其他形式的运动,为使这些运动符合自然规律、避免人与物体产生穿透现象,需要对相应的物体添加碰撞器。通过创建一个具有一定高度的胶囊体,并在胶囊体上绑定摄像机,这样摄像机变为一个带有刚形体组件和碰撞器的对象,同时受重力作用发生碰撞时产生相应的物理运动。

2.3.2 成形过程的交互与实现

(1)毛坯放入模具动作:编写Mousedrag.cs脚本实现利用鼠标左键拖拽毛坯放入压料板上方相应位置,为了方便观察,拖拽时毛坯处于1.5倍放大状态,松开鼠标后毛坯恢复正常大小。

(2)压力机冲压动作及回程动作:编写了move.cs脚本可实现通过触发按钮启动压力机,压力机带着上模下行,与压料板配合对浸在导热油中的坯料进行压边,压力机继续下行,配合凸模对毛坯进行拉深成形;成形完成后,上模回程过程中压料板在弹簧的作用下将工件从凸模中推出[4],并随着凹模一起离开油液面。

(3)冲压结束后取出工件动作:编写了xxx.cs脚本可实现利用推杆直接推动推件块,将卡在凹模内的工件推出,观察者拿起工件时,工件将放大2倍,自动弹出工件高度信息。

2.4 界面制作

在温成形虚拟仿真实验系统中,需要将冲压过程中各个动作布置到操作界面上,该系统使用Photoshop软件制作静态操作界面,利用Unity3D自带NGUI插件创建相关界面与按钮。

2.5 系统的发布

利用Unity3D软件完成温成形仿真实验系统(见图1),系统发布流程为File-Building Settings-PC,Mac&Linux Standalone-Player Settings-Build,检查完系统中脚本程序中没有出现Bug时,即可进行发布在Build Settings中打包成exe格式文件和web格式,发布的Web端可以以静态网页文件和数据包的形式存在, 用户可在客户机上以B/S模式运行[5],通过网页即可远程进入温成形仿真实验系统教学系统。学生按照操作说明完成温成形仿真实验的学习过程,从而达到自主学习的目的。

3  结语

该系统利用UG、3ds Max构建了虚拟的实验模型,使用Unity3D引擎搭建整个虚拟交互平台,真实再现了温成形实验过程,该系统界面简洁、逼真度高,学生可以更清晰地了解温成形实验装置结构和工作原理,对材料类其他实验的虚拟仿真化、网络化提供一定的参考。

参考文献

[1] 周杰.5083铝合金板温拉胀成形性能研究[D].重庆理工大学,2018.

[2] 李阿乐,郑晓雯,辛海林,等.基于Unity 3D的液压支架运动仿真系统研究[J].机电产品开发与创新,2014,27(5):79-81.

[3] 杨志文,张争艳,楚蓓蓓,等.基于Unity3D的组合夹具虚拟拆装教学系统设计与实现[J].河北工业大学学报,2018,47(5):8-16.

[4] 陈康,刘慧.新型油浴式铝合金板温成形模具设计[J].热加工工艺,2017,46(17):151-154.

[5] 熊平原,李建成,周玉梅,等.基于Unity3D的机械运动方案虚拟创新设计实验平台构建研究[J].轻工科技,2017,33(7):67-69.

①基金项目:重庆理工大学实验创新基金项目(项目编号:2018);重庆理工大学材料科学与工程学院精英计划项目。

作者简介:陈康(1977—),男,四川广安人,硕士,高级实验师,主要从事材料加 CAM领域的教学与科研工作。

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