作為虛擬制造的關鍵技術之一，虛擬裝配技術近年來受到了學術界和工業界的廣泛關注，并對敏捷制造和虛擬制造等先進制造模式的實施具有深遠影響。虛擬拆裝是一種零件模型按約束關系根據產品設計的形狀特性和精度特性，真實地模擬產品三維拆裝過程，并允許用戶以交互方式控制產品的模擬拆裝過程，以檢驗產品的可拆裝性。

　　通過建立產品數字化裝配模型，虛擬裝配技術可以在計算機上創建近乎真實的虛擬環境，可以用虛擬產品代替傳統設計中的物理樣機，能夠方便地對產品的裝配過程進行模擬與分析，預估產品的裝配性能，及早發現潛在的裝配缺陷，并將這些裝配信息反饋給設計人員。運用該技術，不但有利于并行工程的開展，而且還可以大大縮短產品開發周期，降低生產成本，提高產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。用戶通過鼠標鍵盤的操作，即可進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，查看拆裝細節。

　　一、三維模型的建立與導出

　　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，應盡量提高模型的清晰度，使其更加真實。并應提前做好模型渲染，為Cult3D準備最優化的模型。建模完成后，以*.c3d格式導出模型，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，再導出選擇*.c3d格式即可。

　　3D Smax是更關注于外形設計的軟件，多用在建筑、家具和燈飾等的外形設計上。而工業中的零件設計及機械設計更多注重的是其內部結構和尺寸，所以如齒輪箱等工業模型用Solidworks和Pro/ENGINEER等工業建模軟件來建立就更方便，結構尺寸更精確。然而Solidworks和Pro/ENGINEER并不支持導出Cult3D所用的*.c3d文件，因此利用Pro/ASSEMBLY來設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文件導出為*.stl 格式的文件，再用3DSmax打開該文件并保存導出為*.c3d格式即可。

　　二、Cult3D簡介

　　Cult3D由于其內在的高質量數據壓縮和流式傳輸特性，所以其文件體積很小，適合網絡上傳輸。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、旋轉和縮放，對鼠標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實現更強大、更復雜的交互控制。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秀的特性，Cult3D被廣泛應用于互聯網電子商務的3D產品展示領域，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，并可最終發布為網絡上使用的文件格式。

　　(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絡傳輸的時間，太少的面片數量也會降低模型的質量，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”，也可將三維模型導出成Cult3D Player文件，該文件是經過壓縮的文件，格式為“.c o”。最后可將“.c o”文件嵌入到HTML文件中在網上發布，也可嵌入到Word或Powerpoint等文件當中。

　　三、基于Cult3D平臺的落料成形模虛擬裝配

　　1.落料沖壓模具的結構

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

　　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，首先機構當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，并緊包在凸模上。沖孔的廢料落在凸凹模的孔內，而外部的毛坯材料則緊包在凸凹模上。當沖床滑塊回程時，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，直到推桿碰到沖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，可以在網絡上清晰地表達落料沖壓模具的裝配關系和工作原理，下面討論實現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行組裝。

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

　　(3)將*.stl格式的模型零件逐個導入3DSMax中，設置零件顏色和組群關系。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 文件導入Cult3D Designer。Cult3D Designer由許多窗口構成，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)件及其層次結構。通過鼠標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(Rotation XYZ)、平移(Translation XYZ)和比例(Scale XYZ)等。

　　事件映射(Event Map)窗口是產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，在窗口左側還顯示了各種事件(Event)圖標，通過鼠標可方便地將各種事件(如鼠標操作、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)產生關聯，并可對事件和動作的有關參數進行設置，從而實現指定對象復雜的交互動作控制。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)。設置完成后，即可在Stage Window中預覽交互動作的效果。

　　圖3是落料成型模拆卸后的爆炸圖，當鼠標指向窗口下方的相應按鈕時，會顯示拆卸零件的名稱，各按鈕按下時激發的動作都在Event Map窗口中進行了合理設置，使其嚴格按照零件的拆卸順序進行拆卸。完成上述設置后，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”拖入事件規劃框，拖放動作“鼠標控制球”到“事件啟動”，拖放場景要素“組01整體模具”到動作“鼠標控制球”上，再右鍵單擊動作“平移XYZ”設置其參數及細節。右鍵單擊事件“左鍵鼠標”設置動作的時間幀，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劃完成。沖壓過程同樣可以嵌入到HTML頁面內，當在頁面任意位置點擊鼠標，網頁就會展示落料沖壓模具的工作全過程。

　　5.發布 Internet 文件

　　3D開發完成之后，就可發布Internet文件。發布Internet文件后將以下代碼嵌入頁面中。

　　<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”>

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

　　Cult3D-object”>

　　</embed>

　　</object>

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

　　四、落料沖壓模具的網頁虛擬展示操作過程

　　虛擬現實場景的系統設計，主要是設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構和工作原理。圖5為落料沖壓模具齒輪泵的裝配關系場景網頁，用鼠標左鍵點擊網頁的任何位置，可動態拆卸落料沖壓模具的相應零件，可清晰地觀察到落料沖壓模具的裝配和拆分關系。因為各拆分觸發命令按鈕已做了互鎖性設置，確保各零部件按拆卸順序進行拆卸，不會因為誤操作而產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，鼠標移動到沖壓模零件上面可以顯示該零件的名稱。通過網頁發布的三維裝配模型，鼠標左鍵按下窗口內部，可清晰地觀察到落料沖壓模具的部件運動關系、送料沖壓過程及其工作原理。鼠標在窗口中拖動，可從各方位觀察落料沖壓模具的結構形狀。

　　模具生產廠家通過網絡發布這種落料沖壓模模型，可實現各種模具組裝的異地裝配維修指導。用戶根據這種指導，就能迅速、準確地組裝或拆卸模具，并且能了解模具沖壓的工作原理。

　　五、結論

　　通過對落料沖壓模具進行三維實體建模，運用基于Cult3D虛擬現實裝配技術能夠動態真實地實現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沖壓過程。摒棄了現有的網絡圖片試教裝配過程，通過強大的交互功能，在Internet平臺上實現了交互式的裝配過程指導，用戶可通過鼠標方便地操縱模型，直觀地展示了落料沖壓模具的工作原理和裝配關系，對于產品的改進與更新以及產品生產廠商指導售后服務，更為產品的推廣營銷創造了巨大的商業價值。