基于网络3D的落料成形模具虚拟装配

　　作为虚拟制造的关键技术之一，虚拟装配技术近年来受到了学术界和工业界的广泛关注，并对敏捷制造和虚拟制造等先进制造模式的实施具有深远影响。虚拟拆装是一种零件模型按约束关系根据产品设计的形状特性和精度特性，真实地模拟产品三维拆装过程，并允许用户以交互方式控制产品的模拟拆装过程，以检验产品的可拆装性。

　　通过建立产品数字化装配模型，虚拟装配技术可以在计算机上创建近乎真实的虚拟环境，可以用虚拟产品代替传统设计中的物理样机，能够方便地对产品的装配过程进行模拟与分析，预估产品的装配性能，及早发现潜在的装配缺陷，并将这些装配信息反馈给设计人员。运用该技术，不但有利于并行工程的开展，而且还可以大大缩短产品开发周期，降低生产成本，提高产品在市场中的竞争力。笔者在此介绍采用3D smax和Pro/ENGINEER等建模软件与Cult3D结合，制作可交互冲压模具虚拟拆装场景的方法。用户通过鼠标键盘的操作，即可进行落料成形模的虚拟拆装，并可以从任意角度浏览拆装过程，查看拆装细节。

　　一、三维模型的建立与导出

　　首先，利用3DS max、Solidworks和Pro/ENGINEER等三维图形建模软件，按照模具的真实尺寸建立三维模型时，应尽量提高模型的清晰度，使其更加真实。并应提前做好模型渲染，为Cult3D准备最优化的模型。建模完成后，以*.c3d格式导出模型，如果可选格式中无*.c3d格式，则须先在3D Smax软件中安装Cult3D exporter for 3dsmax插件，再导出选择*.c3d格式即可。

　　3D Smax是更关注于外形设计的软件，多用在建筑、家具和灯饰等的外形设计上。而工业中的零件设计及机械设计更多注重的是其内部结构和尺寸，所以如齿轮箱等工业模型用Solidworks和Pro/ENGINEER等工业建模软件来建立就更方便，结构尺寸更精确。然而Solidworks和Pro/ENGINEER并不支持导出Cult3D所用的*.c3d文件，因此利用Pro/ASSEMBLY来设计落料冲压模具的其他模座元件并组装，然后将Pro/ENGINEER中的*.prt文件导出为*.stl 格式的文件，再用3DSmax打开该文件并保存导出为*.c3d格式即可。

　　二、Cult3D简介

　　Cult3D由于其内在的高质量数据压缩和流式传输特性，所以其文件体积很小，适合网络上传输。Cult3D支持三维场景物体的多种运动方式和交互控制，包括对三维场景物体的平移、旋转和缩放，对鼠标和键盘事件的接收等。Cult3D通过其Event Map窗口交互式、图形化地编制三维物体运动的控制流程，使对物体复杂运动的控制变得十分简单。Cult3D还提供了Java API，用户可以通过Java实现更强大、更复杂的交互控制。Cult3D不仅可以嵌入到HTML页面中，还可以作为元素插入到微软的Office文档。正因为这些强大的功能和优秀的特性，Cult3D被广泛应用于互联网电子商务的3D产品展示领域，其E-Commerce的全套解决方案已被Acer、CNN、NEC、Sony和Disney等大公司的许多网站所采用。Cult3D包含了以下3个不同的程序组件。

　　(1)Exporter Plug-in：将由许多三维图形软件(3DSMax、MAY等)生成的三维图形转换为Cult3D能识别的格式。

　　(2)Designer：为三维场景加入交互动作、声音和动画等控制，并可最终发布为网络上使用的文件格式。

　　(3)Viewer Plug-in：安装该插件后，即可在浏览器(IE)中显示Cult3D对象。

　　Cult3D的开发过程也比较简单。首先使用三维图形软件(3DS Max或MAYA)制作物体的三维模型(或通过其他诸如Pro/ENGINEER、SolidWorks和MDT等三维图形软件制作物体的三维模型，再导入3DS Max或MAYA)，并将三维模型输出成Cult3D Designer的.C3D格式文件。基于Cult3D的虚拟装配开发流程如图1所示。

　　在制作时尽量用合适的面片来制作模型，以控制文件的大小，太多的面片会增加网络传输的时间，太少的面片数量也会降低模型的质量，使真实感下降。然后在Cult3D的De-signer中给模型加入交互动作、声音和事件等。Cult3D已经将很多基本命令模块化，即使不懂编程也可以很方便地制作出复杂的效果。如果熟悉Java还可以自己编写脚本，添加完后可将文件保存成Cult3D Project文件，其格式是“.c3p”，也可将三维模型导出成Cult3D Player文件，该文件是经过压缩的文件，格式为“.c o”。最后可将“.c o”文件嵌入到HTML文件中在网上发布，也可嵌入到Word或Powerpoint等文件当中。

　　三、基于Cult3D平台的落料成形模虚拟装配

　　1.落料冲压模具的结构

　　图2中的落料冲压模具为中间导柱模架，图中所示为落料成形冲压模具总图。该复合冲裁模将凹模装在上模上，小凸模装在下模座上，是典型的倒装结构。

　　2.模具工作原理

　　图2所示为模具闭合时的位置。工作时，滑块带动模柄、上模座等上部零件上行，毛坯被送入模具，并与挡料销接触，以保持毛坯在冲压时的正确位置。滑块向下运动时，首先机构当中的退料板与凹模夹住毛坯，随后开始冲裁，冲下的工件被卡在凹模内，并紧包在凸模上。冲孔的废料落在凸凹模的孔内，而外部的毛坯材料则紧包在凸凹模上。当冲床滑块回程时，毛坯由卸料板靠弹簧的作用而退出凸凹模。工件仍留在凹模的孔内，直到推杆碰到冲床的打料横梁而向下移动，推动打杆，再传到推销而推动顶出器向下运动，将工件顶出凹模孔而落下。

　　3.落料冲压模具虚拟装配

　　基于Cult3D平台，可以在网络上清晰地表达落料冲压模具的装配关系和工作原理，下面讨论实现这些功能的方法和步骤。

　　(1)在三维造型软件Pro/ENGINEER中建立落料成形模具各零件的三维模型并进行组装。

　　(2)将Pro/ENGINEER中的*.asm装配体文件按零件方式逐个导出为*.stl格式的文件。

　　(3)将*.stl格式的模型零件逐个导入3DSMax中，设置零件颜色和组群关系。借助于Cult3D的Exporter Plug-in插件，将3DSMax中的落料成形模三维装配模型输出为.c3d文件。

　　(4)将.c3d 文件导入Cult3D Designer。Cult3D Designer由许多窗口构成，其中场景图(Scene Graph)窗口显示了场景中所有对象物体。

　　为了便于控制和清晰地显示落料成型模中各零部件的装配层次关系，可对落料成形模具本身及其相对独立的部件建立虚拟物体(Dummy)，如图3中的下模座、凸模、凹模和顶出器部件等均为虚拟物体，从图中可以清晰地看到这些虚拟物体所包含的零(部)件及其层次结构。通过鼠标可方便地将窗口中的某一对象拖动到事件映射(Event Map)窗口中。

　　动作(Actions)窗口包含了许多动作，如第一级动作有对象运动(Object Motion)、交互(Interactivity)、相机(Camera)和事件(Event)等。每个一级动作下又可展开出许多二级动作，如对象运动(Object Motion)中包含旋转(Rotation XYZ)、平移(Translation XYZ)和比例(Scale XYZ)等。

　　事件映射(Event Map)窗口是产生交互动作的主要窗口，该窗口除了可以显示由场景图窗口中拖动过来的对象物体外，在窗口左侧还显示了各种事件(Event)图标，通过鼠标可方便地将各种事件(如鼠标操作、键盘按键等)拖动到事件映射窗口中，使其与各种对象和由动作(Actions)窗口中拖动过来的动作(Action)产生关联，并可对事件和动作的有关参数进行设置，从而实现指定对象复杂的交互动作控制。事件映射窗口如图4，其展示的是图3所示的落料成形模虚拟装配事件的映射(Event Map)窗口(局部)。设置完成后，即可在Stage Window中预览交互动作的效果。

　　图3是落料成型模拆卸后的爆炸图，当鼠标指向窗口下方的相应按钮时，会显示拆卸零件的名称，各按钮按下时激发的动作都在Event Map窗口中进行了合理设置，使其严格按照零件的拆卸顺序进行拆卸。完成上述设置后，将落料冲压模具模型保存为Cult3工程(.c3p)文件，并最终输出为“.co”压缩文件，即可将此“.co”压缩文件嵌入HTML页面，图5为将落料冲压模嵌入到HTML页面中的情形。

　　4.落料冲压模具冲压过程的展示

　　冲压模具工作原理的展示过程将“事件启动”拖入事件规划框，拖放动作“鼠标控制球”到“事件启动”，拖放场景要素“组01整体模具”到动作“鼠标控制球”上，再右键单击动作“平移XYZ”设置其参数及细节。右键单击事件“左键鼠标”设置动作的时间帧，图6为展示过程时间线编辑窗口。

　　完成以上操作后，落料冲压模的工作原理即冲压过程展示规划完成。冲压过程同样可以嵌入到HTML页面内，当在页面任意位置点击鼠标，网页就会展示落料冲压模具的工作全过程。

　　5.发布 Internet 文件

　　3D开发完成之后，就可发布Internet文件。发布Internet文件后将以下代码嵌入页面中。

　　<objectclassid = “clsid:31B7E-8B4B-28B4B2-11D1-A7892-00A0CC6651A8”

　　width=“400” height=“300“codebase=“http://www.Cult3D.com/ download/cult.cab”>

　　<param name=“SRC”value=”file.co”>

　　<embedpluginspage=“http://www.Cult3D.com/download/“

　　width=“400”height=“300”src=“file.co”type=“application/x2

　　Cult3D-object”>

　　</embed>

　　</object>

　　这样，该文件可以在网站上很方便快捷地被所有用户浏览，但无法被非授权用户修改。

　　四、落料冲压模具的网页虚拟展示操作过程

　　虚拟现实场景的系统设计，主要是设计一个操作简单且直观的虚拟过程，来展示这个落料冲压模具的装配结构和工作原理。图5为落料冲压模具齿轮泵的装配关系场景网页，用鼠标左键点击网页的任何位置，可动态拆卸落料冲压模具的相应零件，可清晰地观察到落料冲压模具的装配和拆分关系。因为各拆分触发命令按钮已做了互锁性设置，确保各零部件按拆卸顺序进行拆卸，不会因为误操作而产生不按拆卸顺序拆卸的情况(如退料板未拆卸之前，退料弹簧和退料螺钉部件不能被拆卸)。同时，鼠标移动到冲压模零件上面可以显示该零件的名称。通过网页发布的三维装配模型，鼠标左键按下窗口内部，可清晰地观察到落料冲压模具的部件运动关系、送料冲压过程及其工作原理。鼠标在窗口中拖动，可从各方位观察落料冲压模具的结构形状。

　　模具生产厂家通过网络发布这种落料冲压模模型，可实现各种模具组装的异地装配维修指导。用户根据这种指导，就能迅速、准确地组装或拆卸模具，并且能了解模具冲压的工作原理。

　　五、结论

　　通过对落料冲压模具进行三维实体建模，运用基于Cult3D虚拟现实装配技术能够动态真实地实现落料冲压模的安装拆卸过程展示，同时展示落料冲压模具的动态冲压过程。摒弃了现有的网络图片试教装配过程，通过强大的交互功能，在Internet平台上实现了交互式的装配过程指导，用户可通过鼠标方便地操纵模型，直观地展示了落料冲压模具的工作原理和装配关系，对于产品的改进与更新以及产品生产厂商指导售后服务，更为产品的推广营销创造了巨大的商业价值。