消失模铸造虚拟仿真实验系统的实现与应用

余晓武, 范淑媛, 薛冰洋, 廖敦明

(华中科技大学 材料科学与工程学院, 湖北 武汉 430074)

近年来,国内众多高校开设了消失模铸造课程,大多采用课堂为主的教学模式,在课堂上讲解消失模铸造的原理、设备、工艺、特点[1-3]。但这种模式在实际教学中缺乏实物演示,使学生较难理解且感觉枯燥乏味。在实验教学时,因场地有限、设备种类多、材料损耗多、实验周期长、安全隐患多、看不到铸件成形过程,消失模铸造实验教学往往达不到预期效果[4]。虚拟仿真教学为学生开展探究性学习、自主实验和创新实践提供了新手段、开放平台和优质资源[5]。

虚拟现实技术的一个重要特点是沉浸性,即虚拟场景与真实环境十分相近,使人有身临其境的感受[6]。运用场景仿真技术可以构建逼真的场景[7],较好地还原实际情况,使虚拟实验具有良好的沉浸性。虚拟现实技术还可以实现很好的人机交互,通过用户界面(user interface,UI),可以进行鼠标点击/悬浮、拖动物体、人物移动、视角转换等。

针对消失模铸造教学中存在的问题,利用虚拟现实技术和Unity3D虚拟引擎,开发了一套消失模铸造虚拟实验系统。通过该实验系统,可以解决设备不足、实验观察困难等问题[8],没有实验操作的安全隐患,缩减实验操作所需时间,使学生进行完整的消失模铸造实验,提高消失模铸造实验教学质量[9]。

1 系统的模块化设计

1.1 系统框架设计

以华中科技大学材料实验教学中心的消失模铸造实验环境为原型,进行消失模铸造虚拟实验系统的场景设计,包括实验设备、实验材料和实验环境等。根据教学目的不同,将虚拟实验系统划分为演示、认知、操作和考核等4个模块,由系统界面控制用户登录和用户切换操作。功能模块和系统界面构成系统框架如图1所示,所有模块和界面均在Unity3D平台上开发。

图1 系统框架图

1.2 功能模块设计

1.2.1 演示模块

演示模块的功能是演示和讲解消失模铸造工艺流程,目的在于使学生直观学习完整的消失模铸造工艺知识,并为理论教学提供范例。作为讲解消失模铸造理论和工艺的模块,演示模块是核心,是首先开发的模块,也是开发认知模块、操作模块和考核模块的基础。演示模块的内容包括泡沫珠粒的准备、预发泡、热化、发泡成型、铸件清理等工艺过程[10],可进行自动播放、暂停/开始、加速/减速等操作。

1.2.2 认知模块

认知模块主要是展示消失模铸造的实验场景和实验设备。在观看演示模块的实验过程演示后,可以通过认知模块对实验场景和实验设备有更清晰的认知,熟悉消失模铸造的实验环境,了解实验设备在场景中的位置,学习实验设备的名称、结构、特点、作用,熟悉实验设备的操作方法和注意事项等。教师也可以利用实验设备模型进行讲解,实现位置移动、视角转换、设备选择、文字介绍、场景漫游等演示功能。

1.2.3 操作模块

操作模块提供了消失模铸造实验实践的机会。理论与实践相结合,能使学生更好地理解和掌握消失模铸造成形工艺和过程。在学习了理论知识、完成了设备和场景的认知后,需要学生亲自动手进行消失模铸造实验操作,以更好地掌握消失模铸造工艺和操作的理论知识和实践技能。同演示模块一样,操作模块设计有泡沫塑料准备、泡沫预发熟化、发泡成型、开模取样、浇注系统制作、配料涂料、填砂造型、浇注与凝固、开箱落砂和铸件清理等10个场景模块。操作模块设计如图2所示。

图2 操作模块设计

1.2.4 考核模块

考核模块用于检验学生对消失模铸造中重要知识点的掌握情况。在经过观看演示、认知学习和操作实践后,对学生进行考核,以检测其学习效果,同时也可以验证消失模铸造虚拟实验系统的教学效果。考核模块设计包括内容设计(预发泡设计)和交互设计(视角转动、鼠标点击/悬浮、自由拆装等)。

2 虚拟实验系统实现

2.1 演示模块

演示模块的功能包括自动播放、视角转换和用户界面。自动播放功能包括视角自动切换、流程动作自动播放、提示文字自动加载变化和实验场景的呈现,按消失模铸造顺序自动加载播放。视角转换功能是通过鼠标变换视角,以方便用户观看。用户界面功能包括场景提示、切换场景、内容提示、暂停或开始、加速或减速和返回首页等功能,通过用户界面和鼠标点击实现场景名称提示、场景跳转、每步动作内容说明、暂停或开始实验演示、改变演示速度以及退出演示模块、返回主界面。

用户功能主要用Unity3D的UGUI系统和代码实现,演示模块界面如图3所示。

2.2 认知模块

认知模块基于真实实验场景进行设计。认知模块的界面设计包括设备选择、文字介绍和返回首页3部分。认知设备部分有相应的按钮,通过点击按钮可以快速将视角切换到相应设备的正前方；文字介绍部分可以在屏幕移动或隐藏,对鼠标所指向的设备进行介绍；返回首页UI用于退出认知模块并返回主界面。

图3 演示模块界面

认知模块有一项重要功能是场景漫游。场景漫游包括位置移动和视角转换。位置移动设计为键盘操作,使用键盘上的方向键或者WASD键控制人物前后左右移动。视角转换设计为鼠标操作,主要包括视角的转动和人物高度的调整,通过场景漫游可以查看不同设备和实验场景。认知模块部分虚拟设备浏览界面如图4所示。

2.3 操作模块

操作模块的功能包括UI界面功能、视角转动功能、鼠标点击触发功能、鼠标悬浮触发功能和鼠标拖动物体功能等。

图4 虚拟实验仪器设备

“UI界面”功能主要是对Scene模块当前操作步骤的文字提示(该提示可以移动和隐藏),标记已完成的每一步操作,通过点击Scene模块按钮在10个Scene模块间快速切换或重新加载。

“视角转换”功能主要设计为鼠标操作,以便变换到更好的视角进行操作。一些操作步骤直接采用鼠标点击触发功能进行操作。所有可以进行操作的物体,使用鼠标悬浮触发功能显示悬浮层,使用鼠标停留进行高亮显示,以便提示具体操作的物体或零部件。

“鼠标拖动物体”功能便于拖动部分物体进行观察,增加操作多样性。操作模块界面如图5所示。

图5 操作模块界面

2.4 考核模块

开模取样是消失模铸造过程中的一个关键操作,能够加深学生对模具的认识,是本专业经常开展的一项实验课。考核模块以开模取样为基础进行设计,通过进行不带任何文字提示的实验操作来考核学生完成实验的情况。在进行考核时,后台自动判断操作正确与否并计分; 考核结束后,系统自动计算成绩,生成考核报告并存储在系统中。考核模块界面如图6所示。

图6 考核模块界面

3 虚拟实验系统应用

采用虚实结合的教学方法,让每一个学生都能亲身体验消失模铸造的工艺流程,通过消失模虚拟仿真实验增强动手能力和解决问题的能力。

(1) 通过虚拟仿真实验系统中的实验演示,帮助学生快速了解消失模铸造的工艺流程。通过泡沫预发、发泡成型、金属液充型等原理视频播放,直观地向学生演示完整的消失模铸造过程。在实验演示过程中,学生还可以借助鼠标转换视角,可任意方向、近距离查看细节,也可以自由控制实验进度。

(2) 在实验操作模式下,学生可以沉浸式体验消失模铸造的操作过程。在实验过程中,学生手动拆装模具、设置设备参数、控制开关,并且通过设置导航选单、弹窗等功能进行实验。通过人机交互虚拟操作体验,可以加深学生对消失模铸造实验的认知和理解。

(3) 通过真实环境的分组实验,学生可以实际动手操作现有的消失模设备,包括三维振动台、负压系统、浇注系统、干燥箱等。

(4) 在虚拟系统中进行虚拟考核,检查学生对掌握消失模铸造工艺和设备的情况。学生和教师共同参与,降低实验考核的成本。

消失模铸造虚拟仿真实验系统涵盖消失模铸造的全部工艺过程和大多数工艺设备,有效地消除了设备、场地等硬件限制对消失模铸造实验教学的影响,避免了高成本、高能耗和安全隐患,让学生直观理解消失模铸造成形的全部过程,能有效促进学生的认知和进一步的创新活动。虚实结合的实验方式让学生对消失模铸造工艺流程理解更加深入,提高了学生动手实验的积极性,深受广大学生的欢迎。

4 结语

开发的消失模铸造虚拟仿真实验系统场景逼真,基于鼠标和键盘的操作简单多样,可以很好地辅助教师课堂教学和学生课前课后自学。该系统已用于华中科技大学材料科学与工程学院的消失模铸造实验教学中,提供了一种新的教学手段和教学方式,不仅解决了传统实验教育存在的教学成本高、实践机会少和存在安全隐患等问题,还提升了学生的学习兴趣和自学能力,有效提高了教学质量。