作為虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，虛擬裝配技術(shù)近年來受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并對敏捷制造和虛擬制造等先進(jìn)制造模式的實施具有深遠(yuǎn)影響。虛擬拆裝是一種零件模型按約束關(guān)系根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的形狀特性和精度特性，真實地模擬產(chǎn)品三維拆裝過程，并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的模擬拆裝過程，以檢驗產(chǎn)品的可拆裝性。

　　通過建立產(chǎn)品數(shù)字化裝配模型，虛擬裝配技術(shù)可以在計算機上創(chuàng)建近乎真實的虛擬環(huán)境，可以用虛擬產(chǎn)品代替?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)計中的物理樣機，能夠方便地對產(chǎn)品的裝配過程進(jìn)行模擬與分析，預(yù)估產(chǎn)品的裝配性能，及早發(fā)現(xiàn)潛在的裝配缺陷，并將這些裝配信息反饋給設(shè)計人員。運用該技術(shù)，不但有利于并行工程的開展，而且還可以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品在市場中的競爭力。筆者在此介紹采用3D smax和Pro/ENGINEER等建模軟件與Cult3D結(jié)合，制作可交互沖壓模具虛擬拆裝場景的方法。用戶通過鼠標(biāo)鍵盤的操作，即可進(jìn)行落料成形模的虛擬拆裝，并可以從任意角度瀏覽拆裝過程，查看拆裝細(xì)節(jié)。

　　一、三維模型的建立與導(dǎo)出

　　首先，利用3DS max、Solidworks和Pro/ENGINEER等三維圖形建模軟件，按照模具的真實尺寸建立三維模型時，應(yīng)盡量提高模型的清晰度，使其更加真實。并應(yīng)提前做好模型渲染，為Cult3D準(zhǔn)備最優(yōu)化的模型。建模完成后，以*.c3d格式導(dǎo)出模型，如果可選格式中無*.c3d格式，則須先在3D Smax軟件中安裝Cult3D exporter for 3dsmax插件，再導(dǎo)出選擇*.c3d格式即可。

　　3D Smax是更關(guān)注于外形設(shè)計的軟件，多用在建筑、家具和燈飾等的外形設(shè)計上。而工業(yè)中的零件設(shè)計及機械設(shè)計更多注重的是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和尺寸，所以如齒輪箱等工業(yè)模型用Solidworks和Pro/ENGINEER等工業(yè)建模軟件來建立就更方便，結(jié)構(gòu)尺寸更精確。然而Solidworks和Pro/ENGINEER并不支持導(dǎo)出Cult3D所用的*.c3d文件，因此利用Pro/ASSEMBLY來設(shè)計落料沖壓模具的其他模座元件并組裝，然后將Pro/ENGINEER中的*.prt文件導(dǎo)出為*.stl 格式的文件，再用3DSmax打開該文件并保存導(dǎo)出為*.c3d格式即可。

　　二、Cult3D簡介

　　Cult3D由于其內(nèi)在的高質(zhì)量數(shù)據(jù)壓縮和流式傳輸特性，所以其文件體積很小，適合網(wǎng)絡(luò)上傳輸。Cult3D支持三維場景物體的多種運動方式和交互控制，包括對三維場景物體的平移、旋轉(zhuǎn)和縮放，對鼠標(biāo)和鍵盤事件的接收等。Cult3D通過其Event Map窗口交互式、圖形化地編制三維物體運動的控制流程，使對物體復(fù)雜運動的控制變得十分簡單。Cult3D還提供了Java API，用戶可以通過Java實現(xiàn)更強大、更復(fù)雜的交互控制。Cult3D不僅可以嵌入到HTML頁面中，還可以作為元素插入到微軟的Office文檔。正因為這些強大的功能和優(yōu)秀的特性，Cult3D被廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)電子商務(wù)的3D產(chǎn)品展示領(lǐng)域，其E-Commerce的全套解決方案已被Acer、CNN、NEC、Sony和Disney等大公司的許多網(wǎng)站所采用。Cult3D包含了以下3個不同的程序組件。

　　(1)Exporter Plug-in：將由許多三維圖形軟件(3DSMax、MAY等)生成的三維圖形轉(zhuǎn)換為Cult3D能識別的格式。

　　(2)Designer：為三維場景加入交互動作、聲音和動畫等控制，并可最終發(fā)布為網(wǎng)絡(luò)上使用的文件格式。

　　(3)Viewer Plug-in：安裝該插件后，即可在瀏覽器(IE)中顯示Cult3D對象。

　　Cult3D的開發(fā)過程也比較簡單。首先使用三維圖形軟件(3DS Max或MAYA)制作物體的三維模型(或通過其他諸如Pro/ENGINEER、SolidWorks和MDT等三維圖形軟件制作物體的三維模型，再導(dǎo)入3DS Max或MAYA)，并將三維模型輸出成Cult3D Designer的.C3D格式文件。基于Cult3D的虛擬裝配開發(fā)流程如圖1所示。

　　在制作時盡量用合適的面片來制作模型，以控制文件的大小，太多的面片會增加網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r間，太少的面片數(shù)量也會降低模型的質(zhì)量，使真實感下降。然后在Cult3D的De-signer中給模型加入交互動作、聲音和事件等。Cult3D已經(jīng)將很多基本命令模塊化，即使不懂編程也可以很方便地制作出復(fù)雜的效果。如果熟悉Java還可以自己編寫腳本，添加完后可將文件保存成Cult3D Project文件，其格式是“.c3p”，也可將三維模型導(dǎo)出成Cult3D Player文件，該文件是經(jīng)過壓縮的文件，格式為“.c o”。最后可將“.c o”文件嵌入到HTML文件中在網(wǎng)上發(fā)布，也可嵌入到Word或Powerpoint等文件當(dāng)中。

　　三、基于Cult3D平臺的落料成形模虛擬裝配

　　1.落料沖壓模具的結(jié)構(gòu)

　　圖2中的落料沖壓模具為中間導(dǎo)柱模架，圖中所示為落料成形沖壓模具總圖。該復(fù)合沖裁模將凹模裝在上模上，小凸模裝在下模座上，是典型的倒裝結(jié)構(gòu)。

　　2.模具工作原理

　　圖2所示為模具閉合時的位置。工作時，滑塊帶動模柄、上模座等上部零件上行，毛坯被送入模具，并與擋料銷接觸，以保持毛坯在沖壓時的正確位置。滑塊向下運動時，首先機構(gòu)當(dāng)中的退料板與凹模夾住毛坯，隨后開始沖裁，沖下的工件被卡在凹模內(nèi)，并緊包在凸模上。沖孔的廢料落在凸凹模的孔內(nèi)，而外部的毛坯材料則緊包在凸凹模上。當(dāng)沖床滑塊回程時，毛坯由卸料板靠彈簧的作用而退出凸凹模。工件仍留在凹模的孔內(nèi)，直到推桿碰到?jīng)_床的打料橫梁而向下移動，推動打桿，再傳到推銷而推動頂出器向下運動，將工件頂出凹模孔而落下。

　　3.落料沖壓模具虛擬裝配

　　基于Cult3D平臺，可以在網(wǎng)絡(luò)上清晰地表達(dá)落料沖壓模具的裝配關(guān)系和工作原理，下面討論實現(xiàn)這些功能的方法和步驟。

　　(1)在三維造型軟件Pro/ENGINEER中建立落料成形模具各零件的三維模型并進(jìn)行組裝。

　　(2)將Pro/ENGINEER中的*.asm裝配體文件按零件方式逐個導(dǎo)出為*.stl格式的文件。

　　(3)將*.stl格式的模型零件逐個導(dǎo)入3DSMax中，設(shè)置零件顏色和組群關(guān)系。借助于Cult3D的Exporter Plug-in插件，將3DSMax中的落料成形模三維裝配模型輸出為.c3d文件。

　　(4)將.c3d 文件導(dǎo)入Cult3D Designer。Cult3D Designer由許多窗口構(gòu)成，其中場景圖(Scene Graph)窗口顯示了場景中所有對象物體。

　　為了便于控制和清晰地顯示落料成型模中各零部件的裝配層次關(guān)系，可對落料成形模具本身及其相對獨立的部件建立虛擬物體(Dummy)，如圖3中的下模座、凸模、凹模和頂出器部件等均為虛擬物體，從圖中可以清晰地看到這些虛擬物體所包含的零(部)件及其層次結(jié)構(gòu)。通過鼠標(biāo)可方便地將窗口中的某一對象拖動到事件映射(Event Map)窗口中。

　　動作(Actions)窗口包含了許多動作，如第一級動作有對象運動(Object Motion)、交互(Interactivity)、相機(Camera)和事件(Event)等。每個一級動作下又可展開出許多二級動作，如對象運動(Object Motion)中包含旋轉(zhuǎn)(Rotation XYZ)、平移(Translation XYZ)和比例(Scale XYZ)等。

　　事件映射(Event Map)窗口是產(chǎn)生交互動作的主要窗口，該窗口除了可以顯示由場景圖窗口中拖動過來的對象物體外，在窗口左側(cè)還顯示了各種事件(Event)圖標(biāo)，通過鼠標(biāo)可方便地將各種事件(如鼠標(biāo)操作、鍵盤按鍵等)拖動到事件映射窗口中，使其與各種對象和由動作(Actions)窗口中拖動過來的動作(Action)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，并可對事件和動作的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，從而實現(xiàn)指定對象復(fù)雜的交互動作控制。事件映射窗口如圖4，其展示的是圖3所示的落料成形模虛擬裝配事件的映射(Event Map)窗口(局部)。設(shè)置完成后，即可在Stage Window中預(yù)覽交互動作的效果。

　　圖3是落料成型模拆卸后的爆炸圖，當(dāng)鼠標(biāo)指向窗口下方的相應(yīng)按鈕時，會顯示拆卸零件的名稱，各按鈕按下時激發(fā)的動作都在Event Map窗口中進(jìn)行了合理設(shè)置，使其嚴(yán)格按照零件的拆卸順序進(jìn)行拆卸。完成上述設(shè)置后，將落料沖壓模具模型保存為Cult3工程(.c3p)文件，并最終輸出為“.co”壓縮文件，即可將此“.co”壓縮文件嵌入HTML頁面，圖5為將落料沖壓模嵌入到HTML頁面中的情形。

　　4.落料沖壓模具沖壓過程的展示

　　沖壓模具工作原理的展示過程將“事件啟動”拖入事件規(guī)劃框，拖放動作“鼠標(biāo)控制球”到“事件啟動”，拖放場景要素“組01整體模具”到動作“鼠標(biāo)控制球”上，再右鍵單擊動作“平移XYZ”設(shè)置其參數(shù)及細(xì)節(jié)。右鍵單擊事件“左鍵鼠標(biāo)”設(shè)置動作的時間幀，圖6為展示過程時間線編輯窗口。

　　完成以上操作后，落料沖壓模的工作原理即沖壓過程展示規(guī)劃完成。沖壓過程同樣可以嵌入到HTML頁面內(nèi)，當(dāng)在頁面任意位置點擊鼠標(biāo)，網(wǎng)頁就會展示落料沖壓模具的工作全過程。

　　5.發(fā)布 Internet 文件

　　3D開發(fā)完成之后，就可發(fā)布Internet文件。發(fā)布Internet文件后將以下代碼嵌入頁面中。

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　　這樣，該文件可以在網(wǎng)站上很方便快捷地被所有用戶瀏覽，但無法被非授權(quán)用戶修改。

　　四、落料沖壓模具的網(wǎng)頁虛擬展示操作過程

　　虛擬現(xiàn)實場景的系統(tǒng)設(shè)計，主要是設(shè)計一個操作簡單且直觀的虛擬過程，來展示這個落料沖壓模具的裝配結(jié)構(gòu)和工作原理。圖5為落料沖壓模具齒輪泵的裝配關(guān)系場景網(wǎng)頁，用鼠標(biāo)左鍵點擊網(wǎng)頁的任何位置，可動態(tài)拆卸落料沖壓模具的相應(yīng)零件，可清晰地觀察到落料沖壓模具的裝配和拆分關(guān)系。因為各拆分觸發(fā)命令按鈕已做了互鎖性設(shè)置，確保各零部件按拆卸順序進(jìn)行拆卸，不會因為誤操作而產(chǎn)生不按拆卸順序拆卸的情況(如退料板未拆卸之前，退料彈簧和退料螺釘部件不能被拆卸)。同時，鼠標(biāo)移動到?jīng)_壓模零件上面可以顯示該零件的名稱。通過網(wǎng)頁發(fā)布的三維裝配模型，鼠標(biāo)左鍵按下窗口內(nèi)部，可清晰地觀察到落料沖壓模具的部件運動關(guān)系、送料沖壓過程及其工作原理。鼠標(biāo)在窗口中拖動，可從各方位觀察落料沖壓模具的結(jié)構(gòu)形狀。

　　模具生產(chǎn)廠家通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布這種落料沖壓模模型，可實現(xiàn)各種模具組裝的異地裝配維修指導(dǎo)。用戶根據(jù)這種指導(dǎo)，就能迅速、準(zhǔn)確地組裝或拆卸模具，并且能了解模具沖壓的工作原理。

　　五、結(jié)論

　　通過對落料沖壓模具進(jìn)行三維實體建模，運用基于Cult3D虛擬現(xiàn)實裝配技術(shù)能夠動態(tài)真實地實現(xiàn)落料沖壓模的安裝拆卸過程展示，同時展示落料沖壓模具的動態(tài)沖壓過程。摒棄了現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)圖片試教裝配過程，通過強大的交互功能，在Internet平臺上實現(xiàn)了交互式的裝配過程指導(dǎo)，用戶可通過鼠標(biāo)方便地操縱模型，直觀地展示了落料沖壓模具的工作原理和裝配關(guān)系，對于產(chǎn)品的改進(jìn)與更新以及產(chǎn)品生產(chǎn)廠商指導(dǎo)售后服務(wù)，更為產(chǎn)品的推廣營銷創(chuàng)造了巨大的商業(yè)價值。