冲压成形虚拟仿真实验系统构建与关键技术研究

为了解决目前高校机械专业实验设备价格昂贵、数量少、安全性差等问题，本文构建了一套基于Unity3D技术，具有高仿真性、强交互性的冲压成形虚拟仿真实验系统。通过对模型的建立与优化、系统漫游、碰撞检测等关键技术的研究，设计了具有演示模式、操作模式、认知模式的虚拟冲压实验系统。该系统依据板料冲裁间隙实验的实验原理，详细地模拟了金属板料冲裁实验的全过程，实现了冲压实验过程演示、模具拆装展示、设备认知和实验操作，获得了较好的实验教学效果。

虚拟仿真实验的概念于1989 年由美国弗吉尼亚大学的威廉·沃尔夫(William Wulf)教授最先提出[1]。

虚拟仿真实验通过人与周围实验环境进行交互，是对真实实验进行模拟或再现的一种实验模式。国外影响力较大的虚拟实验系统有Learn Anytime Anywhere Physics 物理实验室[2]、Newton 虚拟教学软件[3]、牛津大学的虚拟化学实验室[4]、加拿大西北大学的虚拟物理实验室[5]。我国虚拟实验的研究较晚，主要有中国科技大学的几何光学实验设计平台[6]、四川师范大学的虚拟仿真化学实验室[7]、清华大学的“电力系统及大型发电设备安全控制和仿真”国家重点实验室[8]等。

冲压成形实验教学存在实验设备数量少、仪器设备相对落后、实验资源不能突破时空限制、人均实验资源占有率低、实验教学模式单一、实验危险性较高等缺陷，难以达到较好的教学效果。虚拟仿真实验系统具有节省资金、突破传统实验在硬件设备上的限制和时空的局限等优势，具有开放性和共享性， 优化教育资源，拓展实验教学模式。学习者可通过交互设备与系统中的虚拟设备进行交互，完成与真实实验一样的操作。本文将虚拟仿真技术应用在冲压成形实验教学中，构建具有强烈的沉浸感、实时性、交互性的冲压成形虚拟仿真实验系统。

2. 冲压成形虚拟实验系统的构建 2.1. 虚拟实验系统设计流程的构建 冲压成形教学实验包括压力机和模具结构认知、板料冲裁操作、冲裁件尺寸测量和数据整理等内容， 为了构建一套具有现实意义的冲压成形虚拟仿真系统，根据冲压实验的目的和要求，系统主要由演示模式、操作模式、认知模式三个场景模式所组成，其总体结构及设计流程如图1 所示。