注塑虚拟仿真实验系统的设计与开发

李海丰 刘才远

（湖北汽车工业学院 材料科学与工程学院，湖北 十堰442002）

1 概述

相比于传统的线下注塑实验，虚拟的注塑仿真实验可以充分发挥安全性高、经济性及用户体验好的特点[1]。虚拟注塑机在PC 端上对实体的注塑机进行仿真，能有效的模仿真实注塑机的操作[2]。由于在PC 端上进行操作，不受场地、时间、人员的限制，对于高校实验教学而言，属于完全的“线上”运行，体现了现代化教学的优点。本文使用Solid-works 和UG 三维建模软件，借助Unity 3D 游戏开发引擎，完成了注塑虚拟仿真实验系统（1.0）的设计与开发，以期提高实验教学效果。

2 系统开发流程

2.1 系统架构

考虑到本仿真系统主要面向我校高分子材料科学与工程专业学生进行演示实验，教学目标是要求学生认识并掌握注塑工艺的过程、设备（含模具）的主要结构。因此仿真系统的设计应包含注塑工艺过程演示和设备演示两个模块。Unity 3D 是一款互动内容创作软件，可作为衔接虚拟产品和真实产品之间的桥梁[3]。基于此，借助Unity 3D 的实时渲染技术，以Mono Develop 为程序编辑平台、C#为编程语言来实现注塑虚拟仿真实验系统的开发，其开发过程均在Unity 3D 上完成。系统的架构如图1 所示。

图1 注塑虚拟仿真实验系统的架构

2.2 模型准备

2.2.1 注塑机三维模型建立

注塑机是一种机电一体化很强的机械设备，主要由注塑系统、锁模系统、液压系统、加热冷却系统、电气控制系统、加料装置和机身等组成。各种注塑机在成型时的运动状态可能不完全相同，但其基本过程是相似的[4]。仿真系统的开发首要的建立仿真对象的模型，Solid-works 是一款在Windows 上开发三维CAD软件，因其“全动感”界面和强大的特征建立能力在机械设计领域广泛运用。基于此，使用Solid-works 三维建模技术建立注塑机的三维模型，主要包括注射结构、锁模结构、开合模液压结构、加料机构和机身等。系统开发目前处于低版本阶段，因此暂且考虑设备的运动仿真，对电器控制系统进行简化设计，建立的注塑机整体结构和内部结构模型如图2 所示。

图2 注塑机结构模型

2.2.2 零件模具三维模型建立

UG（Unigraphics NX）是一个交互式CAD/CAM 系统，可轻松实现各种复杂实体及造型的建构，在模具设计行业广泛应用。基于UG 强大的模具开发插件，运用UG 三维建模技术建立模具的三维模型，主要包括成型零件、浇注系统、导向机构、顶出装置、冷却加热系统和排气系统等[5]。

3 系统的设计

3.1 工艺仿真的设计

考虑到学生初次接触注塑成型，所学知识暂时停留在书本理论阶段，为便于学生理解、认识，工艺过程的仿真按照注塑过程的五个阶段设计了对应的五个子系统，同时还加上了取件和零件外观展示，这样既方便学生认识了解注塑件外观质量及缺陷，也为后续版本的升级扩展（如注塑工艺有限元分析、质量缺陷改进等）提供了接口。所有的仿真过程都基于系统主界面的注塑机虚拟模型上进行，操作者可以通过控制UI 来进行仿真实验，工艺过程仿真系统如图3 所示。

图3 工艺仿真系统

3.2 设备仿真的设计

设备（含模具）的演示是整个仿真实验的难点，涉及到材料（特性）、工艺（成型原理）、设备（工作原理）三方面因素。对此，设计了注塑机结构演示、模具结构演示两个子系统（图4），其中后者加载有模具拆装的实训视频，方便学生观看学习了解，以有效的帮助学生更好的认识注塑机和模具的结构和运动过程。

图4 设备仿真系统

3.3 基于Unity 3D 引擎的虚拟仿真系统设计

本系统软件主体为注塑机的三维模型，注塑机的控制UI 分别为：UI1（注塑机演示）、UI2（模具演示）、UI3（工艺演示）、UI4（退出按钮）、UI5（合模按钮）、UI6（注塑成型按钮）、UI7（开模按钮）、UI8（顶出控制按钮）、UI9（取件按钮）、UI10（顺时针旋转按钮）、UI11（停止旋转按钮）、UI12（逆时针旋转按钮）。其中注塑机的控制UI 都独立于注塑机之外，便于学生对实验中的设备、模具、工艺选择性操作。开发的仿真系统界面如图5 所示。

图5 仿真系统界面

4 结论

虚拟仿真实验系统的设计与开发是高校实验教学改革的一个发展方向，其意义不仅仅是教学效果的提升，更关系到教学理念、教学方式乃至人才培养的变革，特别是在2020 年“新冠”疫情的影响下更甚。利用传统的三维软件建模，结合Unity 3D开发引擎，设计开发的注塑虚拟仿真实验系统真实度高、沉浸感强，不仅解决了线下教学“人、财、物”的问题，更激发了学生的学习动机，是高校“虚实结合”、“线上线下混合式教学”教学手段的重要体现。本仿真系统目前只是低阶版本，后续仍需要对注塑材质分析选择、流动性分析、质量缺陷改进、人机交互、教学考核评价、实验思考题等模块设计完善，以最终实现“功能齐全、效果显著、持续升级”的建设目标。