虚拟现实技术在模具设计教学课程中的应用

摘要:本文主要利用VRML技术将模具设计教学过程中的零件及工具以其3D虚拟形式展现,藉此制作出属于模具设计课程的新型教学课件,通过分析当前模具教学课程的教学现状和在教与学的过程中使用三维虚拟软件技术的优势,从模型设计及学习角度论述了基于VRML技术在模具教学中的应用。

关键词:VRML;WRL;模具

模具技术已成为衡量一个国家制造水平高低的重要标志,决定着产品质量、效益和新产品的开发能力。市场经济的发展对模具的要求是交货期短、精度高及成本化,模具正朝着高效率、高精度及高寿命方向发展。用模具生产的制品具有高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗等特点。掌握模具零部件的设计、计算方法、模具结构特点及设计程序等对学生今后在专业领域的深造起着重要作用,但由于教学条件限制,教学过程中不可能所有的图例都用模型库实体去解释其工作原理且比较抽象,工作过程难以被理解,在传统的讲述教学方式下,学生反映课程内容枯燥,有些概念模糊不清,直接影响了学生对模具设计的学习兴趣。通过总结以往的教学经验,利用虚拟现实技术构建模具虚拟空间,提高了学生

学习的积极性、主动性和趣味性,进而提高了本课程的教学质量。应用虚拟现实技术教学,可使枯燥无味的教学内容简单化、直观化、形象化,方便学生对学习内容的理解和掌握。例如,模具结构及成型设备的空间概念,许多人很难感应到的内部结构,这些都可以通过计算机虚拟将它做得更具体或将之转换成其他的知觉感受,使学生更易于学习及了解。 一、VRML语言 (一)技术和理论支持

虚拟现实(VirtualReality)是一项和多媒体通讯、因特网、虚拟现实等领域密切相关的新技术,是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界,用户在此环境中利用设备与其进行交互,产生身临其境的感觉,也可以走进这个环境并操纵场景中的对象。VRML(Virtual Reality Model Language)虚拟现实建模语言是一种三维造型和渲染的图形描述语言,VRML创造的是一个可进入、可参与的世界,并通过鼠标、键盘等输入设备与之进行交互。初级的虚拟状态,仅仅使用电脑作为视野的输入工具,参与者只能感知电脑屏幕中的平面世界,受到周围现实环境的干扰而缺乏沉浸感,但应成本相对较低,它的应用范围也相当广泛,本文就是利用这种技术进行教学设计的。在高级虚拟现实系统中,参与者基本上是和真实世界隔离的,即看不到真实世界,听不到真实世界等。由于这种系统可以将使用者的视觉、听觉与外界隔离,因此用户可排除外界干扰,全身

心地投入到虚拟现实中去。这种系统的优点是用户可完全沉浸到虚拟世界中去,缺点是系统设备价格昂贵,难以普及推广。 (二)虚拟现实的应用

在构造出的一个虚拟的境界中,使参与者获得与现实一样的感觉。如果真正实现了虚拟现实,那么对整个人类的生活与科学发展将会发生很大的变革。我们可以设想这样一幅情景:当你戴上特制的头盔与手套后,你就发现你已置身于一个虚拟的模具加工工厂或者产品生产工厂世界中,您就是这台设备的操作者,当你按下设备控制按钮时,你所看见的景象也会随之改变,机器开始运转。你可以穿过空间,查看机器里的物理结构,你甚至可以对结构的上上下下、里里外外仔细地观摩和研究……这就是虚拟现实技术给你带来地一切――近乎完美的真实感觉。

虚拟实境的应用领域有很多方面,像电脑游戏、电脑玩具机、虚拟电影院等娱乐方面;像虚拟科学实验室、虚拟天文馆、青少年数理、立体观念、生活教育、专业领域的教育训练等CAI软件方面;像驾车、飞行、滑雪、机械人操作模拟、火灾救灾演练及各式仪器、设备操作、安装与检修训练方面;像外科手术、远程遥控手术、身体复健、虚拟超音波影像牙齿校正及药物合成等医学方面;像器材、室内、景观、建筑、土木、管线工程、机械人辅助设计等方面;像广告(动产、不动产、一般业务推销及企业HomePage制作)、财产分析、电传会议

及虚拟购物中心等商业方面;像博物馆、纪念馆、捷运车站简介及游客道览系统等简报方面;像犯罪现场模拟刑事调查方面;等等。这些应用必将带来更大的技术创新。 二、教学设计与实施 (一)三维模型的设计

模具三维软件设计工具种类很多,UG、PROE、3DMAX、solidworks等都可以作为教学设计的原始工具,本文采用UG4.0作为模具三维模型的开发工具,三维模型设计完成后,导出后缀名为WRL格式的文件,VRML可以提供虚拟教学系统中所需的所有三维实体,并将其与操作者互动,如模型的透明度变化可使学生更能深层次理解设计过程中的内部结构变化。在虚拟漫游中可带访问者到一个比较理想的位置和方向进行机械设备的外观漫游,在所展开的空间中,点击按钮实现不同的显示风格,一边讲述原理,一边在虚拟出的模型中进行操作变化,通过不同的现象对比,让学生了解更多的模型内在结构和原理。

(二)教学过程的实施

在课堂中,引入VRML技术,通过三维环境中的实体模型及它的分解模型,重组教学设计,这样学生在学习过程中,更加直观的了解课程中所涉及到的设备的立体结构,而且在学习的过程中为了加深其理解,在操作过程中,还有系统相关零部件的内容提示。因模具设计中的大部分工具、零件、成型设

备都可以虚拟为是一种初级虚拟现实系统。它通过提供一个虚拟的模具平台,使学生使用个人电脑观察虚拟环境中模具及零部件来达到学习设计的目的。VRML中的三维对象通过sensor节点接受并及时处理发送过来的数值,并根据节点事件入口(eventIn)和事件出口(event0ut)设置属性,改变参数、触发事件,进而改变在空间中的位置、外型和显示效果,还可以将处理后的数据送到输出域,传递给其他模型节点。各节点通过相互路由(routeto)实现数据传输,场景中的对象会根据浏览者的不同动作实时做出反应,这也是创建VRML场景的重点和难点所在。如果零件在设计的时候没有考虑到实际制造情况,那么设计出来的模具在制造的时候可能根本就无法进行加工或者是制造出来的模具无法生产出预期的产品,从而导致模具的报废,延长产品的开发周期,这种经济损失是无法想象的。通过虚拟技术中的虚拟制造技术来完成

CAD/CAE/CAM/CAPP和仿真技术的更高阶段,不仅使学生学得更精,也为将来的就业打下良好的基础。所以说在计算机上实现模具原型从设计到制造的全过程,根据虚拟模型,加深原理理解,配合一定功能的仿真,从而达到缩短模具的开发周期、降低开发成本、提高生产效率的目的,这也是模具开发最有潜力最实用最有效的技术之一。 (三)动态过程的程序设计

在模型等基本素材建立并完成之后,通过VRMLPAD软件

进行编辑,加入不同对象的sensor节点,并通过route实施信息数据的传递。VrmlPad是由ParallelGraphics公司开发的基于文本格式、支持即时预览的VRMl专用开发工具,具有VRML代码下载、编辑、预览、调试功能,是当今VRML源代码编辑的最强工具之一。下面是通过点击虚拟对象,实现打开设备外壳的程序段。

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ROUTE?摇RightClose.value_changed?摇TO?摇Rightdoor.set_translation 三、结语

随着计算机信息技术的飞速发展和虚拟现实技术的不断完善,设计丰富多彩的虚拟现实教学案例具有现实意义和广阔的应用前景,利用VRML虚拟出零部件的三维模型,应用于教学过程中,其教学效果是其他媒体形式所无可比拟的。它可以创建具有交互性、多感知性、可操作性、可自由浏览的场景,可以通过提供的脚本语言的编程接口,使互动界面设计程序更大地满足用户需求,更加直观地再现真实世界的微细变化。若应用于互联网中,进行网上教学也是一种很好的尝试。 参考文献:

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