數(shù)字經(jīng)濟(jì)下模具虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)發(fā)展趨勢(shì)

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摘要：該文以模具虛擬實(shí)驗(yàn)室為例就目前國(guó)內(nèi)虛擬實(shí)驗(yàn)室的基本形式展開了分析，對(duì)應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)中模具虛擬實(shí)驗(yàn)室的基本情況進(jìn)行了剖析，并提出了存在的問題及發(fā)展趨勢(shì)，為各應(yīng)用型本科模具虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：模具結(jié)構(gòu)；虛擬實(shí)驗(yàn)室；應(yīng)用型本科；模具工藝分析

以人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)為背景，應(yīng)用型高校在人才培養(yǎng)中，對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的執(zhí)行方式也發(fā)生了變化，從傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室實(shí)物到新興的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)環(huán)境不受限于傳統(tǒng)的有限平臺(tái)設(shè)備，使學(xué)生這種技能級(jí)別較低的“新手”能放手操作設(shè)備，而不怕設(shè)備因操作不慎或參數(shù)設(shè)置不合理導(dǎo)致的破壞狀況，甚至在操作過(guò)程中有引導(dǎo)性提示，指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生興趣的開展和知識(shí)的掌握提供了基礎(chǔ)[1-2]。

1虛擬實(shí)驗(yàn)室的類型

目前國(guó)內(nèi)虛擬實(shí)驗(yàn)室類型大致有三種，①借助虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，如VR眼鏡，虛擬出現(xiàn)實(shí)環(huán)境，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；②借助虛擬軟件平臺(tái)，創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，建立一定量的實(shí)驗(yàn)參考模型，通過(guò)交互作用界面，在場(chǎng)景中完成實(shí)驗(yàn)，如圖1所示，此方法不需要虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備；③建立資源庫(kù)，將傳統(tǒng)的理論知識(shí)、實(shí)踐操作知識(shí)點(diǎn)、圖庫(kù)、試題等資料匯總到一個(gè)系統(tǒng)中，設(shè)定一定的考核環(huán)節(jié)，完成考核任務(wù)[3]。因?yàn)樘摂M軟件平臺(tái)不需要額外的輔助設(shè)備，操作環(huán)節(jié)流程可控性強(qiáng)的特點(diǎn)，成為目前虛擬實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用最為廣泛的類型。資源庫(kù)成為繼傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)交流平臺(tái)轉(zhuǎn)高校實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)的紐帶，將傳統(tǒng)的理論知識(shí)綜合歸納，融入部分實(shí)踐內(nèi)容，供學(xué)生學(xué)習(xí)，同時(shí)又可以與校外技術(shù)人員溝通、交流，達(dá)到實(shí)踐的目的。張勇亮等人[4]將3Dmax中建模的實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)軟件unity3D中，從而創(chuàng)建了船舶輪機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室。該虛擬實(shí)驗(yàn)室就是利用了虛擬軟件平臺(tái)，結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景，創(chuàng)建的全新虛擬實(shí)驗(yàn)室，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)原有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還開發(fā)出了新的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，增加了實(shí)驗(yàn)的可操作性降低了實(shí)驗(yàn)成本。李陽(yáng)等人[5]，利用實(shí)驗(yàn)室自行開發(fā)的快速運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)（RP-DMU），建立了沖壓模具運(yùn)動(dòng)仿真的虛擬系統(tǒng)，并建立了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程體系，進(jìn)行了干涉分析，對(duì)學(xué)生理解模具工藝過(guò)程具有重要意義。江星瑩等人[6]，基于COMSOLMultiphysics多物理場(chǎng)仿真模擬軟件，解決了傳統(tǒng)使用Deform軟件基礎(chǔ)操作環(huán)節(jié)，又增加了多物理場(chǎng)耦合，使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程更快捷、更可靠、易上手。大型高校以創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)為主，經(jīng)費(fèi)緊張的高校以單打獨(dú)斗的小系統(tǒng)開發(fā)為主。引申出CAI課件制作、某些課程的實(shí)驗(yàn)課程體系設(shè)計(jì)、課程復(fù)習(xí)平臺(tái)搭建等。張曉光等人[7]將模具設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程與CAE實(shí)踐綜合，形成部分虛擬、部分現(xiàn)實(shí)的實(shí)踐場(chǎng)景。以上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室演示、驗(yàn)證為主的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的補(bǔ)充，學(xué)生可以方便、快捷完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

2應(yīng)用型本科模具專業(yè)實(shí)驗(yàn)需求分析

由于各個(gè)高校模具專業(yè)研究方向的不同，實(shí)驗(yàn)課程也差別較大，本文以沖壓模具實(shí)驗(yàn)為例，分析應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)對(duì)沖壓模具實(shí)驗(yàn)課程的需求。從模具專業(yè)來(lái)看，應(yīng)用型本科教學(xué)目的是培養(yǎng)具備模具專業(yè)的基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識(shí)和應(yīng)用能力，能在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域從事模具工裝設(shè)計(jì)與制造、設(shè)備維護(hù)與管理等方面工作的應(yīng)用型工程技術(shù)人才。對(duì)于實(shí)驗(yàn)環(huán)境，要求能夠展示模具工裝設(shè)計(jì)及工藝過(guò)程為主。以沖裁模具為例，該實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)需要展示沖壓工藝過(guò)程、沖壓排樣、沖壓模結(jié)構(gòu)、沖壓模設(shè)計(jì)影響因素[8]。沖壓工藝過(guò)程對(duì)于應(yīng)用型本科來(lái)說(shuō)，需要了解工藝中間隙、凸凹模表面精度、沖壓力等工藝因素對(duì)工藝過(guò)程的影響，從而為沖壓模的設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)，如圖2所示，沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)部分對(duì)工藝影響的探討作為重點(diǎn)，而塑性成形原理理論知識(shí)其次。

3應(yīng)用型本科模具虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)現(xiàn)狀

根據(jù)應(yīng)用型本科模具設(shè)計(jì)課程需求，模具實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一般包含工藝分析和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩大分支。工藝分析部分，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是利用一定的設(shè)備，如壓力機(jī)或注塑機(jī)等，以適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)，對(duì)原材料進(jìn)行工藝過(guò)程的演示或試驗(yàn)，以分析工藝中存在的問題及各工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品的影響。而模具生產(chǎn)的連續(xù)性，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的影響較大，加之設(shè)備的維護(hù)條件不同，導(dǎo)致工藝參數(shù)的分析很難有較細(xì)節(jié)的區(qū)別。所以此部分內(nèi)容大部分高校是采用仿真分析的方式進(jìn)行，借助通用的三維軟件對(duì)工藝進(jìn)行模擬仿真。例如ProCAST軟件用于對(duì)鑄造模具工藝過(guò)程的模擬，而Deform對(duì)金屬的塑性成形工藝過(guò)程有較好的仿真，Moldflow用于塑料成型工藝過(guò)程的仿真。由于實(shí)驗(yàn)室條件的限制，工藝分析部分通過(guò)動(dòng)畫演示或者實(shí)物模型，以結(jié)果的形式展示給學(xué)生，學(xué)生則以課前預(yù)習(xí)的形式進(jìn)行，僅僅滿足演示功能。雖然此種數(shù)據(jù)庫(kù)不能滿足實(shí)驗(yàn)動(dòng)手的需求，但由于動(dòng)畫模型庫(kù)數(shù)據(jù)較多，種類豐富，滿足不同學(xué)生對(duì)各種工藝的需求，具有一定的適用性。部分小型設(shè)備模型也被用來(lái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，鄭國(guó)強(qiáng)等[9]通過(guò)試制桌面式擠出機(jī)，完成了聚合物成型原理的實(shí)驗(yàn)部分演示。沖壓過(guò)程仿真環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式通過(guò)演示，或者模擬，而因?yàn)樾枰匾能浖A(chǔ)，往往需要開設(shè)相關(guān)軟件的培訓(xùn)課程，而實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)一般只是以演示的形式進(jìn)行。教育部辦公廳在2017年開展了首次虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)，創(chuàng)建了實(shí)驗(yàn)空間—國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享服務(wù)平臺(tái)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的多樣性及普適性具有較大意義。西南石油大學(xué)的《塑性成型原理及工藝》的課程實(shí)驗(yàn)中“大型沖壓件成形過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目對(duì)沖壓工藝仿真部分是采用Deform軟件模擬，根據(jù)模擬分析結(jié)果評(píng)估設(shè)計(jì)內(nèi)容。沖壓模結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的教學(xué)，大部分高校是以模具實(shí)物拆裝實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行的，由于模具的復(fù)雜程度不同，以及學(xué)生缺乏必要的鉗工技能，在裝配過(guò)程中，難以有效裝配，并且拆裝過(guò)程不確定性因素較多。此部分內(nèi)容高校虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)容較豐富，創(chuàng)建虛擬裝配環(huán)境，或者利用VR技術(shù)虛擬裝配等，根據(jù)模具種類不同，形式各有區(qū)別。同樣在實(shí)驗(yàn)空間平臺(tái)，模具結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如河南工業(yè)大學(xué)的“沖壓模具拆裝及結(jié)構(gòu)分析虛擬實(shí)驗(yàn)”，是完全創(chuàng)建了一個(gè)模具車間虛擬場(chǎng)景，在場(chǎng)景中通過(guò)控制按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)模具拆裝的基本過(guò)程，將實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)手環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔X操作，解決了學(xué)生拆裝技能的問題，但由于模具種類限制，結(jié)構(gòu)數(shù)量較少，僅實(shí)現(xiàn)了本套模具的拆裝，多樣性較難滿足要求。另外，根據(jù)模具種類不同，模具設(shè)計(jì)工藝環(huán)節(jié)有不同的設(shè)計(jì)內(nèi)容，以沖壓模具為例，還需要進(jìn)行必要的排樣設(shè)計(jì)，該環(huán)節(jié)一般是以計(jì)算題題目的形式進(jìn)行，需要學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)幾種不同排樣類型，分別計(jì)算其材料利用率，一般在專業(yè)軟件的輔助下完成。前面介紹的三種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)類型對(duì)傳統(tǒng)的模具實(shí)驗(yàn)都有一定的改進(jìn)，也都存在一定的問題。首先，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的共享。由于系統(tǒng)開發(fā)投入較大，一般高校在建設(shè)實(shí)驗(yàn)室后也缺乏后期的維護(hù)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)平臺(tái)只能滿足本校學(xué)生的使用。其次，課程設(shè)置同步性問題。應(yīng)用型本科課程設(shè)置一般重應(yīng)用，重操作，而理論基礎(chǔ)相對(duì)較弱，而仿真平臺(tái)需要有理論基礎(chǔ)的相關(guān)課程設(shè)置，也對(duì)軟件基本技能也有一定要求，針對(duì)不同課程，平臺(tái)不能很好地兼容各軟件并直接打開進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。然后，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中實(shí)驗(yàn)的設(shè)置，會(huì)產(chǎn)生相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)的改革以及實(shí)驗(yàn)考核方式的變革。作為應(yīng)用型本科學(xué)校，實(shí)驗(yàn)的過(guò)程性考核方式?jīng)]有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，那么實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)置也應(yīng)該有所不同，實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置學(xué)期、課程內(nèi)容、考核標(biāo)準(zhǔn)等應(yīng)該有不同的標(biāo)準(zhǔn)。最后，二次開發(fā)難度較大。虛擬實(shí)驗(yàn)室搭建思路基本是以實(shí)物建模+虛擬軟件+計(jì)算機(jī)編程的模式進(jìn)行，對(duì)于傳統(tǒng)的工科教師來(lái)說(shuō)，在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，只能按照設(shè)定的流程逐步進(jìn)行，科研性較差，且對(duì)應(yīng)用型本科來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境相應(yīng)的比重較大，模型數(shù)量和實(shí)驗(yàn)條件應(yīng)該有所區(qū)別，但由于各虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)兼容性較差，對(duì)不同軟件環(huán)境的教師不夠友好，需要相應(yīng)的知識(shí)能力積累，進(jìn)行必要的調(diào)整、修改，或者后期優(yōu)化難度大。

4發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)以上分析，模具虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)目前的發(fā)展還在起步階段，針對(duì)存在的問題，筆者認(rèn)為可能的發(fā)展趨勢(shì)有以下四方面。①與企業(yè)協(xié)同創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。現(xiàn)有的模具虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)過(guò)分強(qiáng)調(diào)“虛”的演示，對(duì)于工科“實(shí)際問題”忽略不計(jì)[10]，應(yīng)用型本科對(duì)動(dòng)手能力強(qiáng)、有一定實(shí)踐訓(xùn)練并能夠綜合解決問題的人才的培養(yǎng)一直都是非常重視，這就需要加強(qiáng)與企業(yè)的合作，由企業(yè)提出實(shí)際問題，并共同搭建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，教師設(shè)置考核點(diǎn)及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生在真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境中自主完成實(shí)踐內(nèi)容。②虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的統(tǒng)一。從應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)看，不僅需要獨(dú)立的思考能力，較強(qiáng)的動(dòng)手能力，還需要與實(shí)際生產(chǎn)相匹配的能力。以模具設(shè)計(jì)為例，設(shè)計(jì)部分需要考慮到后期的加工與工藝過(guò)程，目前的虛擬平臺(tái)過(guò)分強(qiáng)調(diào)了每個(gè)考核環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)，甚至設(shè)置的選項(xiàng)中不考慮實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)的問題，模具加工部分?jǐn)?shù)據(jù)與數(shù)控加工虛擬平臺(tái)的統(tǒng)一配合，使學(xué)生從設(shè)計(jì)到加工各個(gè)環(huán)節(jié)綜合考慮，也實(shí)現(xiàn)了模具加工課程與設(shè)計(jì)課程的綜合。③相關(guān)配套資料的完善。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建使得實(shí)踐動(dòng)手能力明顯區(qū)別于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作，這就需要配套的相關(guān)操作說(shuō)明及教材等配套資料。該配套資料不同于通用軟件的使用教程，只適合本虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，相關(guān)教師及學(xué)生在實(shí)驗(yàn)開始前需要熟悉并掌握相關(guān)的理論知識(shí)及軟件基礎(chǔ)知識(shí)。④課程體系的改革。課程之間的銜接關(guān)系將進(jìn)一步放大，勢(shì)必影響課程體系設(shè)置的改革。模具虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與前期的三維建模、工程材料、互換性與技術(shù)測(cè)量、模具設(shè)計(jì)、數(shù)控加工、生產(chǎn)實(shí)踐，將在一個(gè)平臺(tái)中完成。傳統(tǒng)的以學(xué)期為單位的課程體系將被打破，變成以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)形式進(jìn)行的課程體系改革。

5總結(jié)

模具虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建為廣大學(xué)生及愛好者提供了一個(gè)實(shí)踐機(jī)會(huì)，減少了實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)，切實(shí)解決了應(yīng)用型本科部分設(shè)備不足的問題，為學(xué)生掌握必要的理論知識(shí)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操作提供了一定的條件，但在使用過(guò)程中還存在應(yīng)用局限，對(duì)教師、學(xué)生以及教務(wù)部門都提出了一定的要求。教師方面，需要具備課程相關(guān)的全科知識(shí)，又要有一定的建設(shè)思路，能從學(xué)生、企業(yè)、實(shí)操三個(gè)方面思考可操作性及考核標(biāo)準(zhǔn)，還需要具備一定的虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)知識(shí)，從數(shù)字化的角度分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建中的問題。學(xué)生方面，不再以一門課程的實(shí)驗(yàn)成績(jī)作為課程考核實(shí)踐部分的分?jǐn)?shù)，此時(shí)應(yīng)該綜合考慮各學(xué)科間的關(guān)聯(lián)，以及實(shí)踐問題的解決。教務(wù)部門應(yīng)該做好服務(wù)工作，為模具虛擬平臺(tái)的課程建設(shè)與改革提供必要的條件，并積極配合課程改革。模具虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的利用任重道遠(yuǎn)，各應(yīng)用型本科在實(shí)踐過(guò)程還需要努力探索一條適合自己的發(fā)展道路。

作者:趙小娟 張巍 鄧四平 單位:武昌工學(xué)院智能制造學(xué)院