基于Virtools的模具拆装教学虚拟实训室的研究与开发

彭红莲，赵矿军

（1.漳州职业技术学院 机械工程学院；2.漳州职业技术学院 信息工程学院，福建 漳州363000）

随着我国制造业技术以及实践水平的不断提高，我国的模具行业也逐渐得到了充分的发展，这就使得模具制造开发成为衡量我国制造水平高低的一个关键标志，并且相关技术也会对产品的质量、状态以及寿命产生极大的影响，一定程度上有利于提升相关行业的创新开发能力［1］．在模具的生产制造过程中，实训拆装教学是最为重要的一个环节，它会模拟出真实的拆装环境，并且帮助学生更好地将理论知识转化为实践操作，使其进一步了解整个模具制造的过程，对于模具生产的质量和效率也是一种提升［2］．传统的模具拆装教学实训通常是在课上完成的，虽然可以与理论知识建立一定的关联性，但是由于实训设备、实验耗材以及教学团队的影响，学生的实践能力没有充分地发挥出来另外，传统的模具拆装教学实训室的构建一定程度上也会受到经费的局限，无法购买一些较为先进的设备，实训内容也因此无法得到及时更新，导致教学质量难以保障．

Virtools实质上是一种具有整合性的处理软件，通常被应用于2D、3D等行业的模型和图形的制作上，取得了较好的实际应用效果．除此之外，Virtools也是一套拥有着极为丰富互动行为的虚拟环境模拟编辑器，它可以在较为复杂的网络环境之下，依据真实的数据信息，编织成虚拟的实践环境，更好地帮助使用者完成产品的制造与修改．所以，Virtools技术也时常被应用于网际网络、大数据及多媒体、计算机游戏、建筑设计、交互式电视、教育训练以及仿真产品的展示等［3］．基于Virtools的模具拆装教学虚拟实训室的研究与开发，在Virtools技术的真实辅助下，可以建立更加真实、完整、全面的教学实训室，另外，模具拆装实践的相关功能也会得到一定的创新与调整．真实的教学模拟也可以使得学生更加快速、精准地掌握实践的技巧，更容易将理论知识与实践操作相结合，进而提升自身的综合实践能力．对于学校来说，扩大教学的范围，打破传统教学模式的限制，大幅度提高教学质量和效率，进一步实现模具拆装实训的虚拟化和数字化．

1 模具拆装教学虚拟实训室的设计思路分析

在进行模具拆装教学虚拟实训室的设计之前，需要制定相关的设计思路，并形成有效的建设方案．模具拆装教学虚拟实训室主要包括以下几个区域，分别为拆装零件管理、装配结构以及功能模块等部分．首先是拆装零件管理，通常情况下，学生在进行模具的拆装训练时，会留下大量的分担零件，如果系统不进行处理，时间久了，很容易造成实训室的运行的困难，造成安全隐患，另外，还会间接影响虚拟实训环境的创建．所以，对于这部分，需要依据零件的种类，做出相对应的分类与整合；其次是装配结构的建立，实训室需要制定统一的装配结构，结构必须具备高效、快速等优势特征，同时较为简化，便于学生更快地上手操作，提升其综合实践水平；最后是功能模块区域，这部分是模具拆装虚拟实训室的关键组成部分，主要分为4个模块，如图1所示．

图1 模具拆装教学虚拟实训室结构图

根据图1，进行以下实训室建设思路分析．其一是模具知识模块，这部分主要是对于模具拆装的一些理论知识进行总结，并且对实训室的设计要点做出记录，帮助学生深化实训操作的细节，同时对于遗忘的知识也是一种补充［4］；其二是模具的结构模块，这部分模块是对多种浇注结构、成形零件以及侧向分型等操作方法进行管控处理的一种典型的结构；其三是对模具仿真模块的设计，仿真模块主要是对模具制造过程中所涉及的开模、熔炼、注塑、冷却、顶出脱模等进行仿真测试，以此来验证实训室相对应的性能效果和应用价值；最后，是实训室中模具的拆装模块，这部分以上三部分具有一定的关联性，需要一一展示各部分零件的名称、性能以及使用方式，配合效果相对较强，是对拆装作出管控的区域．

2 Virtools技术下模具拆装教学虚拟实训室的开发

2.1 模具拆装虚拟实训场景编辑

在进行实训室的研究与开发之前，需要进行基础性的虚拟模具拆装教学场景的设计与编辑．通常情况下，实训教学场景编辑需要考虑三维虚拟实验室是否具有一定的真实性和可操作性，这主要是因为本身在进行模具拆装的实训过程中，就需要通过较为真实的训练场景来激发学生的学习兴趣，同时帮助其更好地掌握实操技术，使学生将理论知识与实践知识更为紧密地联系在一起，更容易形成系统性和全面性的知识结构［5］．虚拟实训场景的编辑还需要计算场景的切换反转比值，具体公式如下：

其中，G为切换反转比值，f为映射指标，β为仿真结构标准比值．将实际的切换反转比值作为场景编辑的切换标准，在合理的范围之内建立相对应的置换范围，使使用者更加清晰、全面地掌握操作流程．完成之后，依据反转标准，设置场景的交互指标参数值，如表1所示．

表1 场景编辑交互指标参数标准表

根据表1中的数据信息，进行场景编辑的交互指标参数标准的设置.完成之后，将学校日常教学的模具拆装规则以及固定结构在相对应的场景中进行设定，并依据计算出来的切换反转比值安排对应的场景切换，以此来完成模具拆装虚拟实训场景编辑．

2.2 数据库以及交互脚本设计

在完成模具拆装虚拟实训场景的编辑之后，需要进行相对应的数据库以及交互脚本的设计．对于数据库，在拆装教学虚拟实训的过程中，数据库实际上是较为关键的一个环节，主要是对实训的数据信息以及相关的运行操作结构进行管控和处理的，在教学的过程中，学生可以依据数据库的提示，进行模具的拆装与装配，不仅如此，学生在面对较为复杂的问题时，数据库还可以适当给予一定的引导，帮助学生更加快速地掌握相关的拆卸技巧，完成从理论知识到实践操作的过渡.将日常的模具结构、相关数据以及规则等录入到实训室之中，在管控区域形成一个较为完整拆装建模，编写相对应的操作指令，并添加在数据库之中完成建设［6］．在此基础上，继续进行交互脚本的设计，利用Virtools软件中的BuildingBlocks功能建立对应的交互模块，并在场景编辑中实现交互功能．脚本采用流程图的方式编写，相对较为简单，快捷，结构清晰．脚本的格式设置如表2所示．

表2 脚本格式设置表

根据表2中的数据信息，进行脚本格式的转换设置．添加三维实操模式，并将其与脚本格式相互融合，形成符合数据库运行的新的脚本．

2.3 Virtools中Boolean运算构建实训室模型

在完成数据库以及交互脚本的设计之后，利用Virtools技术中Boolean运算矩阵来构建相对应的实训室模型．模型的开发主要包括以下几个阶段，分别为建模、交互制作以及发布．其实，Virtools本身是不具有三维建模功能的，但是由于最近几年三维技术的创新发展，使其允许外来插件的结合，这也就进一步提升了Virtools自身的性能．将日常的拆装教学数据汇总整合，添加在Virtools软件之中，采用3dsmax建模技术，将数据信息导入Virtools中完成交互式拆装的基础建模结构创建．初期所建立的实训室模型仅仅是一个简化的模型，如果要进行高层级的应用，需要添加实测数据，利用Boolean运算建立限位矩阵核心值，具体公式如下：

其中：M表示限位矩阵核心值，A表示限位距离，w表示误差距离．通过以上计算，最终可以得出实际的限位矩阵核心值，将其作为实训室的极限值．在此基础上，创建限位矩阵，计算公式如下：

其中：I、O、T表示限位函数，r表示冲压比值，e表示惯性函数，ℜ表示交互控制百分比．通过以上计算，最终可以得出实际的限位函数．将数值作为流动标准，设定在建模之中，利用交互技术进行图形化的编程，使用模块化的编程语言建立控制程序，完成虚拟实训室模型的建立［7］．

2.4 GetCell图化实训单元实现虚拟实训室的开发

在完成Virtools中Boolean运算构建实训室模型之后，需要利用GetCell图化实训单元技术实现虚拟实训室的开发．在建模之中创建虚拟实训模块结构，并通过文字和图片的形式来深化拆装教学的内容．在合理的范围之内，通过操作来限制教学页面的大小，但是在实际的教学过程中，模具的拆装界面通常不能一次性呈现，需要翻页来进行切换，可以利用GetCell图化技术将展示的页面分割成相同大小的单元格，通过特殊的指令将单元格以此划分、重组，在有限的界面之中，形成用户需要的拆装内容，并以图片或者视频的模式展现出来［8］．计算二维帧综合系数，计算公式如下：

其中：K表示二维帧综合系数，c表示限制帧数百分比，δ表示误差实测比．通过以上计算最终可以得出实际的二维帧综合系数并进行虚拟实训室运行帧数阵列的设置，如表3所示．

表3 虚拟实训室运行帧数阵列设置表

根据表3中的数据信息，进行帧数阵列的设置，完成之后，构建单元综合结构，最终完成虚拟实训室的开发．

3 实例分析

3.1 模具拆装教学虚拟实训室应用现状简述

我国的模具制造行业一直都处于较为领先的水平，这也使得我国的模具应用现状在不断发展．模具拆装教育虚拟实训室主要训练学生的模具实操技术，提升其综合操作水平．但是，最终几年，我国的实训室建设指标却一直处于较低的水平，日常的训练效果也受到了一定的局限，造成这种现状的主要原因是部分学校对于实训的重视程度有所下降，所以相应地投入到建设实训室的经费也就有所减少，这就导致实训设备无法实时更新至最先进的种类，同时也缺乏较为专业的教师团队对学生进行系统化、全面化、科学化的训练指导［9］．不仅如此，在虚拟实训室建设的过程中，部分学校会依照其他学校的结构以及模式建设，不依据本校学生的实际学习进度进行建立，这在一定程度上也会影响最终的教学效果，很容易造成学生理论与实践技术的脱节．

3.2 进行模具拆装实训室应用分析

根据以上现状简述，进行Virtools模具拆装教学虚拟实训室的应用研究分析．选取一项模具拆装教学课程作为实例分析的研究对象，分别在不同的虚拟序列指标中进行测试分析，共分为5组，每一组都需要进行独立的测试，并得出相对应的测试分析结果．首先，对当前的模具拆装虚拟实训室的功能菜单进行演示，通过设置以及相关的指令做出平移、旋转、缩放、隐藏、调节透明度、查看知识和部件等实际操作．计算拆装虚拟比例值，计算公式如下：

其中：表示拆装虚拟比例值，d表示标准演示百分比，γ表示仿真计划值．通过以上计算，最终可以得出实际的拆装虚拟比例值．依据比例进行三维虚拟装配演示以及学生自主的拆装实验，查看拆装演示模式，并建立相对应的实训室序列，进行仿真装配和拆卸的结构创建．具体结构如图2所示．

图2 仿真装配和拆卸的结构创建示意图

根据图2中的结构，进行实训室拆装结构的建立，按照自主实验模式，进行装配序列散开的零件的整合，将选中的零件相互装配起来，完成仿真．根据以上方法，在不同的虚拟序列中，进行多组测试分析，最终得出以下实例分析结果，对其进行分析讨论．

3.3 分析结果探析

通过上述虚拟序列指标测试，最终得出5组结果（表4）．

表4 虚拟序列指标测试结果分析表

根据表4中的数据信息，可以得出以下结论：随着虚拟序列区域的不断变化，最终虚拟实训室所得出的实测负载结果随之减小，这表明其开发的效果更佳，实训室的教学质量和效率也有所提升，具有一定的实际应用意义．

4 结论

模具的生产与制造具有较为悠久的历史，传统的制造方式相对缺乏实践，这也导致产品在完成后会存在一部分的问题以及缺陷，一定程度上会对实际应用造成较大的影响［10］．因此，对这项技术进行创新调整是十分有必要的，也是制造业进一步发展的重要推动力．Virtools技术可以在原本模具生产的基础上，扩大其实践训练范围，增强产品的综合性能以及质量，使其在实际应用的过程中与外部设备连接更为紧密，提升使用的效率．基于Virtools的模具拆装教学虚拟实训室的研究与开发，能更好地帮助学生掌握理论与实践的双向技能，提高模具制造专业的综合教学水平，使我国未来的制造技术更加均衡地发展，推动我国模具技术迈入一个新的发展台阶．