基于Unity 3d的校園虛擬仿真系統設計

李斌

摘 要：為了優化注塑技術，改善傳統注塑安全隱患大、經濟耗費大、用戶體驗局域等問題，對此特別提出基于Unity 3D的虛擬仿真系統設計。該系統的優點在于PC端“線上”運行，不受場地、時間、人員的約束，安全性能增加，適用于高校實驗教學。為了得到更加完善的系統，從系統構架、模塊設計、成型工藝仿真及整個系統設計概述方面做出闡述，證實了該系統的實用性，為以后校園實訓用注塑機仿真模型的設計提供技術支持。

關鍵詞：Unity 3D;注塑仿真系統;模擬注塑機

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）11-0161-04

Design of Campus Virtual Simulation System Based on Unity 3d

Li Bin

（Shangluo Vocational and Technical College， Shangluo 726000， China）

Abstract：In order to optimize the injection molding technology， improve the problems of large safety risks， large economic cost and user experience localization， the design of the virtual simulation system based on Unity 3D is specially proposed. The advantages of the system are that the PC terminal "online" operation， not subject to the site， time， personnel constraints， the safety performance increases， which is fully applicable for experimental teaching in colleges and universities. In order to obtain a more perfect system， the system architecture， module design， molding process simulation and the whole system design overview， the practicability of the system is proved and provides technical support for the design of injection molding machine simulation model for campus training.

Key words：Unity 3D; injection molding simulation system; simulation of injection molding machine

隨著現代工業的發展，人們對于工業產品生產造型要求逐漸提高，注塑技術成為工業較常用的一種生產手段。傳統注塑實驗存在安全隱患大、經濟耗費大、用戶體驗局域等問題。為了改善傳統注塑實驗存在的問題，更好的促進校園實訓，保證學生在實驗過程中的安全。本文特提出虛擬注塑仿真實驗，為校園實訓提供便利。虛擬注塑仿真實驗的優點在于PC端“線上”運行，不受場地、時間、人員的約束，安全性能增加，完全適用于高校實驗教學。該虛擬仿真實驗是以Solid-Works、UG三維建模軟件在Unity 3D基礎上完成的，能完美復原注塑機在實際中的生產流程。

1 系統開發流程

1.1 系統架構

該系統構架的建立是基于注塑機仿真系統的需求所設計的。如圖1所示，每個模塊獨立存在，使得各個模塊都能很好的發揮作用。

由圖1可看出，系統的中心點為邏輯控制中心，即邏輯控制中心決定著系統整個界面的操作，接下來對系統架構進行概述。首先，邏輯控制中心需要對輸入流進行判定，根據判定結果選擇適合的操作模塊。該系統的具體模塊為獨立模塊，由邏輯控制中心集中控制，避免了模塊間的影響，提高了各模塊代碼的適用性，便于系統維護。

界面控制模塊是依靠Unity3D提供的GUI實現。主要組成部分為主控制面板、主菜單、右鍵菜單及各個輔助系統的顯示界面。界面控制模塊在接受操作信號的同時將信號進行轉發，邏輯控制中心接受信號后根據要求進行動作。機器控制中心主要包含兩方面，一方面為機器動作，主要是機器開合模動作及注塑塑化;另一方面為制品成形，主要為工藝仿真，比如流動動畫及顯示缺陷等。圖形輔助控制中心也分為兩個部分：第一部分為控制圖像的操作，根據零件樹系統提供的數據顯示出該注塑機的零件與各個零件對應的結構;第二部分為輔助菜單。數據控制中心主要值數據的控制，集中、整合工作、注塑機維護工作及輔佐操作的數據都統一集中在數據中心，在需要時調取。

1.2 注塑機操作模塊設計

注塑機操作模塊設計主要分為兩個部分，一個是對注塑機的基礎操作;另一個是注塑機的控制面板操作。

1.2.1 注塑機的基礎操作

注塑機的基礎操作指的是直接在注塑機體的操作，如注塑機的開關及注塑機的活動門操作。為防止操作工人被燙傷，要求在注塑機開機之前，將前、后活動門關閉后把噴嘴防護門移動到最前方。該操作雖然是基于實際，但仿真系統仍舊需要模擬這些操作，做到仿真與實際結合。

1.2.2 注塑機控制面板操作

注塑機控制面板能直接對注塑機進行操作，該系統的控制面板操作主要分為模式操作、動作操作及顯示器操作3部分。注塑機控制面板操作如圖2所示。

（1）模式操作。一般注塑機分為不同的模式，在不同模式下，操作方式也大有不同。手動模式需要用戶自己完成的注塑機的所有操作。半自動模式需要用戶完成部分操作，且一次成型以后，注塑機停止工作。全自動模式為用戶進行開合模操作后，注塑機一直工作到完成相應的生產計劃。

（2）動作操作。動作操作指對注塑機的功能操作，主要用于無人車間操作時所用的操作。動作操作除了能控制注塑機的料筒、電機主要開關之外，還能對生產異常時的急停開關以及各類按鈕完成注塑等進行操作。

（3）屏幕數據操作。這個部分包含了注塑機整個系統的數據，主要由運動參數成型參數組成。通過屏幕操作監視系統運行時的參數，也能通過改變的參數的設施改變注塑機運動的速度。另外，還能通過改變工藝參數改變成型結果，不同的成型速度，保壓壓力，注塑成型的注塑制品也是不一樣的。

1.3 注塑機成型工藝的仿真

注塑機成型工藝的仿真主要包括流動成型顯示、成型工藝以及缺陷識別處理等3個部分。流動成型顯示指注塑成型時，產品在模具腔中流動成型的過程。具體流動顯示過程為：根據華塑CAE分析得到的網絡結果信息，將網絡拓撲結構重新顯示，如出現缺陷產品，也會對應的顯示，則為完整的流動成型顯示過程。

成型工藝是注塑注射成型過程，將具體成型過程繪制如圖3所示。參數決定了注塑產品的結果，操作者可以對每個階段的工藝參數進行調整，使注塑產品發生改變。同時，工藝參數仿真也是利用該原理，分析參數對成品的影響，得出結果。

缺陷處理主要是對缺陷產品的識別再進行處理。常見缺陷有短射缺陷、燒焦以及黑點。仿真系統對于缺陷的處理為分析不同工藝參數對產品產生的影響，根據華塑CAE分析結果，然后提取出軟件的工藝窗口，利用工藝窗口的形式判斷缺陷的產生。

2 模型準備

2.1 注塑機三維模型建立

注塑機是一種由注塑、液壓、鎖模、加熱冷卻、電氣控制等系統，以及加料裝置和機身組成的一種機電一體化的機械設備。雖然各種類型的注塑機在成型時候運動狀態不同，但是基本原理是類似的。為了開發出最實用的仿真系統，模型的建立是使用Solid-Works三維建模技術建立注塑機的 三維模型。為了讓仿真系統更貼近實際注塑機，該系統設計完美復原真實注塑機系統。由于注塑機仿真模擬技術不夠深入，故該系統只能考慮注塑機的運動仿真，以及簡化版電器控制系統。圖4為注塑機模型整體和內部結構。

2.2 零件模具三維模型建立

為了貼合復雜實體及造型的建構，本系統的零件模具三維模型是運用UG三維建模技術建立而成。UG（Unigraphics NX）是一個交互式CAD/CAM系統，由于其特性，能夠滿足系統的各項要求，是目前模具行業常用的一種系統。利用該系統，在三維模型中建立了成型零件、澆注系統等所需模型。

3 系統概述

通過以上敘述，基本確定了該注塑機仿真系統的整體實現方案。此系統的設計代碼編輯平臺為Unity 3D自帶的MonoDevelop，編程語言為C#，以此基礎實現了整套注塑機模擬仿真系統。

從圖5可看出，本系統的主體包含虛擬注塑機，注塑機控制面板以及右鍵菜單。右側為注塑機面板，操作者可直接通過面板對注塑機進行操作。在三維的基礎上，直接對仿真系統進行操作，完成了注塑機操作模擬過程，同時基于實際，操作者可對該仿真系統進行更換模具及植入模具操作。

4 運動仿真實現

注塑機有多種不同的結構運動，為了更好的模仿注塑機運動，本文以注塑機基本操作——開合模運動為例。

想要模擬注塑機運動，首先需要在UG中建立模型;其次需要在3D MAX中制作動畫;最后在Unity 3D中對制作出來的動畫進行匹配播放。在前文中已經對注塑機的所有模型建立完成，故只需要進行第2、3步。

如圖6所示，將模型導入3D MAX中，以幀為單位，結合注塑機開合模的基本運動制作了如圖6的具體開模動畫。

利用3D MAX將動畫制作出來以后，需要將動畫以FBX格式導出，再將其導入Unity 3D中，在導入動畫以后，將動畫的幀數和時間通過程序控制與主控制面板的操作相匹配。不同速度匹配的不同操作即為該時段的開模操作。同時，程序控制動畫還能實現倒序播放模式，即可將開模動畫轉換合模動畫，完成場合模操作過程。效果實現圖如圖7所示。

5 制品成型過程顯示

Unity 3D過程中的制品成型顯示主要分為3步：①將網絡面片信息和時間節點信息讀入該系統后臺數據庫;②用Unity 3D技術對讀取的網絡面片信息進行組合處理，處理后的面片按照時間節點順序顯示，該過程為充型過程;③將充型過程結果與該系統注塑機的注塑運動相匹配，使系統真實性增加。

在Unity 3D中對讀取到的節點信息進行網格處理，形成網絡節點，再與注塑機注塑結合，即可顯示出制品的流動成型。圖8為制品流動成型具體過程。

注塑成型動作轉化為nft時間節點需要先將注塑成型動作轉化為對應的時間信息，轉化過程為：確定注塑進行程度，即注塑機注塑運動所處距離與注塑運動總距離的比例關系，同時可將該比例看做注塑當前時間與總時間的百分比。由此可通過當前運動比例與注塑總時間計算出當前注塑時間。完成計算后可通過nft文件獲取該時間對應的網絡單元號，再進入of 9文件獲得各單元的節點信息，最后在2dc文件中尋找對應的節點信息。完成上述步驟后，可推算出要顯示的節點UV，建立正確的mesh，可形成當前時間節點下的制品。將該節點對應的坐標位置進行調整，即可讓其在模具的型腔中顯示。制品充型過程如圖9所示。該過程是根據注塑過程形成的，是因注塑機在注塑過程中，以幀為單位進行刷新，與之對應的計算和網絡信息會隨之刷新，充型過程就能在虛擬系統中顯示。

6 結語

本文提出的基于Unity 3D的校虛擬仿真系統設計相較于傳統注塑技術具有安全性能高，不受時間、人員約束等特點。通過建立完善的系統構架，確定該系統的可行性。本文分別對系統中各個模塊設計的闡述，確定各個模塊在系統中的作用，更好的模擬實際注塑機。成型工藝的仿真試驗，分別對流動成型顯示、成型工藝及缺陷識別處理方面進行研究，確保該系統與實際注塑機工藝保持同步。并且根據注塑機要求，在Solid-Works和UG三維建模軟件建立模型，實現了整套注塑機模擬仿真系統。最后通過3D MAX制作運動動畫，并將其導入Unity 3D中，完成制品成型過程，確保了該系統的真實性。本文通過設計并驗證模擬仿真系統，確定了該系統的實用性，為以后的研究奠定了基礎。

參考文獻

[1]唐云龍，陳 平，何 麒. 基于Unity 3D技術的虛擬影視拍攝場景開發與實現研究[J]. 河北北方學院學報（自然科學版），2019，35（11）：16-19.

[2]張暢維，李紅斌，譚春鵬. 沉浸式虛擬校園仿真系統交互設計[J]. 信息與電腦（理論版），2019，31（23）：76-79.

[3]王玨璠，王海鷹，焦學軍. 基于Unity3D的三維虛擬地理教學系統初探[J]. 測繪與空間地理信息，2020，43（03）：26-30+33.

[4]陳亞靜.基于Unity3D和VR技術的數字校園體感交互系統設計[J]. 長春工程學院學報（自然科學版），2019，20（03）：67-71.

[5]宋傳磊，劉俊婷，張光亮，等. 基于Unity3D交互式三維虛擬校園平臺設計與研究[J]. 聊城大學學報（自然科學版），2017，30（01）：102-106.

[6]陳春偉，鄭仲元. 三維全景技術下的虛擬校園漫游系統設計方案[J]. 現代電子技術，2020，43（07）：169-172+177.

[7]陳 旭，鄒 濱，謝 靜. 三維虛擬仿真的學生校園活動監控系統[J]. 測繪與空間地理信息，2019，42（04）：34-37.

[8]周全明，楊茂云. 基于OPNET的校園網仿真研究[J]. 江蘇師范大學學報（自然科學版），2018，36（04）：58-62.

[9]賓哲桂，黃鎮謹. 基于CAD/CAE的平板電腦后殼倒灌注塑模具設計[J]. 塑料工業，2019，47（03）：55-61.

[10]柯志敏.QT600-10注塑機尾板鑄件的研制[J]. 鑄造設備與工藝，2019（02）：26-29.