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利用虚拟现实技术建构塑料射出成型机虚拟训练教材

Asen

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发表于 2011-9-9 08:40:22 |只看该作者 |倒序浏览

本文主要利用Virtools Dev软件结合射出成型机将其3D虚拟仿真化，藉此制作出属于射出成型机的专属教育训练教材，便于训练初学人员，藉由虚拟现实教材可以不必局限于地点、时间，就能进行操作，可使初学者更了解射出成型机内部构造和作动功能，也可应用于远距离在线维修教学上。而且射出机为一危险机械，藉由虚拟的教育训练教材可让让初学者先在计算机上虚拟操作，对于发生危险的防范具有非常重要的功能。

前言

   有鉴于射出成型机机台本身过于庞大且昂贵，若以实际机器来进行教育训练，不仅教学地点局限，也无法看见机台内部的机构构造，且学员如操作不当更可能发生危险，造成损伤。另一方面，如果将机台销售至远地，以往有任何问题皆须派专人前往，造成时间上的浪费及成本的增加。或者仅以电话或传真沟通，常会觉得不知所云，对解决问题的效果很低。若能透过虚拟现实建立一套虚拟的教育训练教材，不仅可以达到很大的教育功效，而且此虚拟现实还可成为一个远距沟通平台，在其上进行虚拟机拆装及解说，公司内部人员即可透过因特网上教导客户进行维修，节省大量的维修成本。

虚拟现实在产业界上应用范围非常广泛，例如波音公司完全应用虚拟现实技术设计波音777新型客机；高雄市政府利用虚拟现实技术设计“东沙群岛”网页，藉由3D互动介绍东沙生态之美。日常生活中，则最常应用在卖场、图书馆的虚拟导览；在医学上则可应用于开刀、内视镜模拟；在工业界的应用上则利用工具机结合虚拟现实软件，建构一个虚拟的CNC加工机训练教材。

与本文所介绍相类似的研究有杨俊珉先生提出的“虚拟射出成型机操作学习系统之开发”，使用Visual Basic程序语言结合另一套虚拟现实软件EON，制作射出成型机作动流程，其动作(射出、开关模等)均运用参数设定，但参数太过复杂，初学者不易操作。另外还有章光耀先生所提出的“射出成型机虚拟教学平台之研究与制作”，让使用者透过平台画面的说明，输入相关之射出成型制程参数，进行交互式学习，并利用LabVIEW图控程序撷取模流分析软件C-MOLD之分析数据，并与Flash动画整合，产生机台运作画面。

CAD零件档案处理

   由于Virtools Dev为虚拟互动软件，不具备建构3D模型的能力，所以要进入制作虚拟互动之前须自行先建立3D模型。本文中所使用的CAD绘图软件为Pro/E，图1即为在Pro/E软件内所建构完成之射出成型机的所有3D对象。

   一般计算机辅助软件转文件到虚拟现实软件很多都使用公用转档格式，如stl或IGES等。但是这些公用格式常会出现破面或是文件格式不符合等诸多问题。在本文中是利用Deep Exploation转文件软件，其可将Pro/E文件格式转档到3ds max6中而不致产生破面，顺利解决了CAD软件及VR软件间的接口问题。

将射出成型机零件汇入3ds Max软件后，可在3ds Max中将机台外壳颜色的色泽调整至近似实际机台，再汇入Virtools中以供使用，如图2所示。虽然在转档过程中非常顺利，但是因整台射出机总共包含了约300多个零件，庞大的零件数量造成档案过大，而且因CAD软件及VR软件属性及目的的不同，也造成零件面数过多的问题，如果制作成网页文件发布在网络上，将会因为档案过大及面数过多而使用户链接下载速度严重迟缓，失去远距网络上快速操作的优势。所以在3ds Max内不仅要外壳颜色仿真化，最重要的一个步骤还要尽可能将不必要的零件删除，并将留存零件的面数降至最低。在面数降低的过程中常会碰到执行流畅度与拟真度相冲突的取舍，这一直都是一个难以下决定的问题，不过良好的贴图或可稍微解决这一方面的问题。

图1 Pro/E软件所绘制之射出成型机3D模型

图2 3ds Max 射出成型机3D仿真模型
   转文件汇入Virtools Dev后，先将3D模型定位，调整灯光参数，并套用了内建的行为功能模块(Building Blocks)，让机台能做基本的旋转、移动。同时为达到仿真的目的，也将射出成型机操作面板按键直接置于操作接口上，让用户有临场操作感，若搭配立体眼镜与3D手套更是犹如身在虚拟厂房内，每一按键动作完全依据机器实际动作，让操作者可以反复操作进行交互式学习，如图3所示。在操作接口上除了有主要操作面板，如图3的A部分所示外，还增加了一些辅助功能按键，如图4的B部分所示，其功能包括外壳透明度、射出成型机导览展示、鼠标和键盘的切换键、恢复初始状态等，而且还可在任何动作过程中随时暂停，方便解说。为了让操作者除了感受到互动技术外，更有身如其境的学习情境，所以在操作接口中也可用鼠标和键盘箭头键控制旋转物体角度，增加操作灵活度。最后并仿造实际机器制作出紧急停止钮，其功能与实际机器一模一样，按下后可使虚拟射出机紧急停止一切动作。

图3 虚拟射出成型机操作接口
肘节机构介绍

      在机构学中有一相当著名的肘节机构，其在接近死点构型时有接近无限大的机械利益，且有自锁效果(Self-locking)，所以需要大出力的机器，如冲床、碎石机等都选择适当的肘节机构作为其基本构型。除此之外，需要提供保持压力的机器，如射出成型机、拉吹成型机等，也常利用肘节机构作为其锁模的单元。图4即为射出成型机上最普遍使用的肘节夹模机构，其为一个具有双滑块的六连杆组，图5为其简图。其作动原理为当夹模机构进行夹模动作时，液压缸作线性移动，带动十字壁(杆2)与小连杆（杆4）前进，使后连杆(杆3)与前连杆(杆5)外张成一直线，并推动活动壁至预定位置上，达到夹模动作。

由于虚拟现实软件并不具备机构分析的能力。因此在进行射出机的开关模动作时，Virtools Dev一直无法将各个连杆零件的动作仿真得非常顺畅，为解决这个问题，本研究遂改用计算机辅助机构分析软件进行开关模运动模拟，完成后再整合进虚拟现实软件中，解决此问题。所选用的机构分析软件为MSC/Visual Nastran，先在该软件内进行肘节机构运动模拟，取得各连杆运动位置坐标值后，再将杆件位置及角度随着时间改变之坐标数据转至Microsoft Excel中，再用最小平方法进行曲线拟合(Curve Fitting)，求得一个近似的三次多项式曲线方程式，再利用虚拟现实软件Virtools中适当的行为模块驱动连杆运动，方才完成肘节机构的逼真动作。

图4 射出成型机夹模肘节机构图

图5 夹模肘节机构简易图示

教材建构

   在本研究中所采用的虚拟现实软件为Virtools Dev。此为一套功能强大的虚拟现实整合工具软件，可以将常用的文件格式如3D模型、2D图形、影音等整合在一起。Virtools Dev不是一个3DEngine，而是一套具备丰富互动行为模块的实时3D虚拟现实与多媒体互动编辑软件，可以做出不同用途的3D产品，如因特网、计算机游戏、多媒体、建筑设计、交互式电视、教育训练、仿真与产品展示等。此软件强调具有高度整合性与延展性，视觉与互动融入表现一流。而且其内部已经具备多项「交互式行为模块」，在其环境中建构虚拟场景就像在堆积木一样，可以利用Drag & Drop的拖放方式，将互动行为模块赋予在适当的对象或是角色上，再以流程判断的方式决定行为模块的前后处理顺序，逐渐编辑成一个完整的交互式虚拟世界。

在Virtools软件要驱动杆件运动，要先从场图管理中找出该3D对象(Object)，然后利用各种行为模块建构出动作模式(Scripts)。如果同时有多个零件一起移动，可以在场图管理中进行群组(Groups)设定。或者使用阶层管理(Hierarchy Manager)设定父子关系，当父零件移动，其他子零件亦会跟着移动，如图6所示。

图6 利用群组或父子关系设定多项对象同时移动
      在本虚拟教材中的机器主要动作包括对象的平移、旋转、透明化及碰撞侦测等动作，如以下之说明：

(1) 平移模块：在Virtools Dev中有一个Bezier Progression行为模块，其原理是根据2D贝塞尔曲线在所设定的范围内产生内插值。利用此行为模块及Translate行为模块即可产生对象的平滑移动效果，如图7所示。

图7 对象平移行为模块
(2) 旋转模块：旋转动作一样需要配合Bezier Progression行为模块使用，而且还要设定对象是对哪一个坐标轴进行旋转，如图8所示。

图8 对象旋转行为模块

(3) 透明化模块：透明化主要是利用Make Transparent行为模块，同时搭配Bezier Progression行为模块控制零件的透明化程度，如图9所示。

图9 透明化行为模块
(4) 碰撞侦测：在Virtools中对象可以加入属性以便让行为模块进行对象属性侦测。因此可先将主移动对象设定为移动障碍物，当主对象移动到接近固定障碍物时collision detection行为模块就会触发，如果已经碰到固定障碍物就会传递一个讯息给Deactive行为模块，这时移动物体就会停止位移并在画面上显示警告文字，如图10所示。

图10 碰撞侦测行为模块

操作示范

以下即以射出储料动作来详细示范本虚拟训练教材之操作过程：

(1) 按下操作面板的手动射出钮，如图11所示。

(2) 按下手动射出钮后机器外壳会透明化，如图12所示，操作者即可以很清楚地看到射出组动作。同时为求画面的显示效果，在按下任一按键后整个操作面板会自动向右移出画面之外，以便保有最大的显示画面显示射出机的动作，但考虑到紧急停止钮必须保持在随时都有可能被按下的情况，因此此钮则是一直停留在画面上。

(3) 外壳透明化后，摄影机镜头移动至料管组，同时料管呈现半透明状态，如图13所示，以显示螺杆作动情形。

(4) 螺杆前进至螺杆头抵住射出嘴即完成射出动作，如图14所示。

(5) 接着按下操作面板的手动射退钮，如图15所示。

(6) 按下手动射退钮后，螺杆会一边逆时针旋转一边后退，如图16所示，此时固态的塑料原料会因料管外部的电热及互相间的搅动摩擦而成融熔状态，并因为螺杆的后退而往前堆积于螺杆头前，准备进行下一次的射出。

(7) 影像画面除了显示螺杆旋转后退外，镜头也会移动至皮带部分，显示皮带亦同时进行转动，如图17所示。

(8) 最后，射退动作完成，画面回到初始状态，如图14所示，再等待操作者进行其他操作。

图11 按下手动射出钮

图12 机器外壳透明化图示

图13 料管半透明化图示

图14 射出完成图示

图15 按下手动射退钮

图16 螺杆倒退图示

图17 皮带转动图示

教材特色

   在本文所介绍的塑料射出成型机的虚拟现实训练教材中具有如下之几个特色：

(1) 透明化功能的特色

不论是公司厂房内或是学校授课上所介绍的射出成型机，参观学生看见机器时最想看到的是机器内部的作动方式，但通常都只能看见机器外壳而无法看清楚内部机构运作过程，因此运用透明化的功能将射出成型机外壳透明化，如此一来，不仅是操作人员更方便，对学生及非专业者而言，也更清楚容易学习。

(2) 镜头导览功能的特色

有别于传统式图片、文字教学，镜头导览功能可以使整台射出成型机在屏幕内的虚空间自动旋转360度，让操作者方便观看到机台各部位。对于教学者更便利，更能吸引学习者的目光。

(3) 鼠标、键盘功能的特色

在教材内不管执行何种动作，皆能有很好的灵活度，运用鼠标、键盘可以使机台自由旋转，在互动环境下，在场景中可随意操控机台，透过预先输入的机器说明资料，更可以强化教学效果。

(4) 紧急停止钮的特色

仿真的操作面板加上紧急钮更能有实际操作的临场感，在操作过程中若出现错误讯息时，按下紧急钮即可使机器在瞬间停止一切动作。在教材内紧急钮可以搭配视觉、听觉效果，让操作者更有印象，减少往后实际操作错误的发生。

(5) 夹模单元教育训练教材的特色

夹模块是机器运作时主要的重点部位，为了预防作业员被机器夹伤，在实际的射出成型机作动时是不可打开安全门的，因此受训人员无法看见内部的动作，在本虚拟教材内则无此限制，经由透明化功能，所有人员都可清晰的看见夹模单元的构造及动作，如开关模、调模、托模、中子等部分。

(6) 射出单元教育训练特色

和夹模单元一样，在进行射出动作时射出单元也有多项复杂的动作，如座进退、进料、射出、松退等。在实际的机器上，由于无法透视内部，所以受训人员都只能凭空想象。在本虚拟教材上，则可以清楚看见进料过程中，射出、松退时螺杆仅前进而不旋转，储料时则边旋转边后退的动作，同时也可以看清楚螺杆与皮带的旋转方向。还可以藉由操作得知各零件彼此配合情况和作动时的先后顺序。

(7) 远距沟通维修平台的特色

近年来e化学习的概念广泛地被使用在各项工程应用上，在线实时通讯愈趋普遍，远距教学方式已不分地域国界，运用在线实时通讯搭配射出成型机的训练教材更可以节省大量的人员往返费用。不管公司或厂房位在世界各地，只要能互传数据和使用在线即使通讯，就能建立起属于彼此的沟通平台，藉由此种方式，可以透过在线的沟通实时解决问题，因此公司不管将机器售至何地，只要有装配、维修问题，即可以藉由此沟通平台进行装配及维修教导，省下大笔人事费用。若应用在教育训练方面，不管是新进人员或学生，也不必再局限于厂房或教室，而可藉由网络资源共享学习。

结论

(1) 有鉴于传统射出成型机移动不便，为了便于教学，也为了使教学能够搭配时代潮流多元化，因此利用虚拟现实技术将以往单调的训练教材内容电子化。如此一来，训练的实施就不会受到时间、地点的局限，亦可提升学习质量，提高学生的学习兴趣。

(2) 针对学校实务教学而言，将一些属于贵重仪器、或者具操作危险性的机具或需反复操作的设备，透过虚拟化的教材，就可提高相当大的教学效果。本研究将射出成型机3D虚拟化，建立互动接口，对于初学者而言，可以在实机操作前，先利用本训练教材进行初步学习，熟悉机台的运作，如此一来即可减少操作的意外与机台的损耗，让操作学习者能更快进入状况、更有效率的学习，也能落实教学普及化。

(3) 在线即使通讯越趋普遍，远距沟通是一种趋势，用在线即使通讯搭配射出成型机虚拟训练教材，不管公司或厂房位在世界各地，均可透过在线沟通解决问题，如此一来，公司不管将机器售至何地，只要有装配、维修问题，都能藉由此沟通平台先解决，不仅省时又省费用。