基于虚拟现实的铸造工艺流程仿真大部分机械工程专业的学生并没有真正意义上的进行铸造工艺实验，多数是从书上获得理论知识，或者是在金工实习时，听或观察老师的操作，使得很多学生并不熟悉真正的铸造是如何进行的。

针对这种情况，本文利用虚拟现实的技术仿真铸造工艺的流程，使得学生可以在没有现实设备的基础下，也能依靠自学或者书本的知识，自己进行虚拟的铸造实验。

铸造工艺有很多类型，本文选择了压力铸造工艺流程的仿真。

压力铸造是一种精密的铸造技术，是一种不可或缺的铸造技术，也是机械工程专业的学生必须掌握的铸造技术。

虚拟现实技术综合利用计算机仿真技术、计算机图形学等等多种技术，通过产生视觉、听觉等，使得用户产生一种身临其境的感觉。

其中很多软件能实现这种技术，本文采用了容易掌握和理解的EON Studio来实现压铸工艺的仿真。

本文首先对压力铸造作了简介，对其四种类型：热室压力铸造、冷室卧式压力铸造、冷室立式压力铸造和冷室全立式压力铸造的工艺流程进行了详细的分析，并且选择了热室压力铸造和冷室卧式压力铸造进行工艺仿真。

而后简单介绍了EON Studio的重要功能，采用多种节点的配合作用，实现了对压力铸造工艺流程的仿真。

I第一章绪论1.1 选题的背景及意义机械工程是社会发展和国民经济建设的基础学科之一。

机械类专业人才的培养在整个教育中是非常重要的一部分。

但我国机械专业的教学长期以来沿用原苏联的教学模式。

而这种教学模式存在着严重的弊端，例如专业口径较窄、专业划分过细、内容相对过深、体系过于陈旧。

随着我国的新技术的迅速发展，使机械工程、机械制造比以前的时代发生了根本性变化。

这种传统的机械类教学模式必须彻底改革，不然就不会有创新。

实验教学是一种将课本知识结合到实际的教学方式，实验教学不仅巩固了学生课本上的基础知识，而且还能够培养学生的实际操作能力和动脑能力。

由于机械专业属于工科类教学，对学生的实践动手操作能力要求极高，所以实验教学是提高机械工程专业学生实践动手操作能力的一个重要教学环节。

但是由于各种条件的限制，比如操作实验设备难度大、缺乏实验设备、容易精密仪器损坏、实验时间和资源的消耗大等，学生缺乏大量去尝试的机会，也因此这的相当数量的实验创新教学不能正常开展，另外一些抽象性的实验在现实情景中很难实现，例如铸造等等，从而耽误了对学生动手实践能力的培养。

将虚拟现实技术应用在实验教学中，可使虚拟出来的效果接近真实实验效果[1]。

铸造成型在现代加工中占有不可或缺的地位，是制造生产复杂零件最灵活的方法。

铸造实习是金工实习重要的环节之一，通过铸造实习学生可以学习到常规的铸造工艺，同时也能够了解到基本先进的铸造技术。

但是因为受到我国传统教育思想的影响，实验教学的模式一直有一下几个方面的问题:（1）教学方法基本上还是老师带学生的模式，老师做学生在一旁看和模仿，过多的约束使学生难以发挥自己的想象空间，形成了一种被动的模仿实习，而不是由学生自己摸索得到的知识。

在过去的实习教学中，都是由指导老师示范砂型的制作过程，然后由学生进行模仿进行操作，然而大部分学生做出来的作品都是基本的形状；（2）后续的浇注过程没有得到很好的展开，学生很难对砂型铸造的后续金属浇注过程有一个直观的认识，例如不同金属熔炼所需要具备的条件、浇注前金属液体的微观状态、铸件的成型过程以及铸件可能产生的缺陷等。

而且在这种情况下学生很容易失去对实习的兴趣以及实习的成就感，从而打击到了学生实习的积极性，并且影响到部分同学的学习热情；（3）学生在实际操作之前没有得到相关实习的理论教学。

例如学生没有掌握砂型铸造的要点，有的学生不是十分了解基本操作步骤。

华南理工大学机械工程虚拟仿真实验教学中心是首批国家级虚拟仿真实验教学中心之一，已经实现了一系列校内具有特色的虚拟实验教学。

但是仍然缺少一个虚拟铸造实验平台。

在学校现有的资源下，金工实习时砂型铸造都是用沙代替砂型，用蜡代替金属的简单实验。

即使学校重新建造铸造车间，一方面无法满足多人同时实验的要求，另一方面很难发挥学生们的想象力和创造性，而且实验室的维修和材料等的支出也是一个不小的成本。

所以有必要搭建一个基于虚拟现实的铸造仿真实验平台来解决以上问题。

这样做的意义有以下三点：（1）可以减少教学和研究成本，节约研制经费，充分发挥现有的科学仪器的作用，提高效率。

特别是通过网络能够实现许多仪器的资源共享，避免了大型仪器设备的重复添置，减少不必要的浪费[1]；（2）减少危险实验或操作给人带来的危害。

以往对于危险的或容易对人体造成伤害的实验，例如铸造时高温的金属溶液容易烫伤学生，一般采用观看老师操作或者观看电视录像的方式来取代实验，学生无法直接亲手操作，获得亲身的体会。

利用虚拟现实技术实现的虚拟实验，则可以避免这种顾虑；（3）提高学生的自学能力，学生通过网络实验平台，靠自己自学，摆脱了传统实验教学中教师做一遍学生跟着做的弊端，大大地提高了学生的积极性和创造性[2]。

1.2压力铸造技术简介1.2.1压力铸造的工艺原理压铸是指在高速高压的作用下，将液态或半液态金属填入压铸模型腔，并使金属液在一定的压力下快速凝固成铸件的一种精密铸造方法。

依照压铸机种类不同，压铸方法主要可以可分为热室压铸和冷室压铸两大类。

热室压铸中，压射系统的压室置于坩埚内，压铸过程中，压射冲头上升使进料口露出时，液态金属由坩埚进入压室中。

压射冲头下压时，液态金属沿着通道经喷嘴进入压铸模的浇注系统而填充模具的型腔。

等待金属冷凝成型后，即可开模，并由推出机构推出压铸件。

热室压铸的工艺原理如图1-1所示。

a）压射之前 b）压射之后图1-1热室压铸工艺原理简图冷室压铸中，熔化金属的坩埚和压室是分开的，压铸时，需要从熔化炉的坩埚内盛取液态金属注入压室再进行压铸。

压铸时，首先压铸模合拢锁紧后，用浇勺把液态金属由注口倒入横卧的压室中，然后压射冲头向前移动，把液态金属压入压铸模，接着动模移开，打开压铸模，成型的铸件连同浇注余料一起随动模移动，最后由推杆机构把铸件推离动模。

冷室压铸生产效率较热室低，但其应用范围较广，铝、锌、镁、铜等有色合金均可使用冷室压铸方法加工。

冷室压铸的工艺原理如图1-2所示。

a）压射之前 b）压射之后图1-2冷室压铸工艺原理简图1.2.2压力铸造的工艺特点高速充型和高压凝固是压力铸造时液态金属填充成型的两大特点，也是压力铸造工艺与其他铸造工艺的最根本区别。

压铸时得压射压力一般为20~200MPa，最高可达500MPa；充填速度可达0.5~150m/s；充填时间一般为0.01~0.2s。

另外，由于压铸时高压高速，因此压铸模具必须采用金属材料，并要求具有很高的加工精度和较低的表面粗糙度。

上述特点也决定了压铸工艺本身的优缺点。

1压铸工艺的主要优点：（1）压铸件尺寸精度高，而且表面粗糙度低；（2）可压铸薄壁复杂铸件；（3）压铸件的表面硬度和强度高；（4）生产效率高；2压铸工艺的主要缺点：（1）压铸件中的气孔很难避免；（2）压铸件合金类受到限制；（3）压铸件断面组织及性能变化较大；（4）压铸尺寸和质量受到限制。

1.2.3压力铸造发展概况压力铸造技术是目前铸造生产中技术含量较高的先进铸造方法之一，其产品质量好、生产效率高、经济效益佳，因此被普遍应用于各类制造行业。

以锌合金为代表的低熔点合金压铸件应用较为广泛，如电表骨架、汽车连杆、壳体、照相机零件等；铝合金压铸件性能不断改善，应用日益增多，大多使用在纺织机械配件、气缸体、车门、离合器、水泵外壳、减压阀、摩托车发动机曲轴箱、电机转子中；镁合金压铸件因其材料比强度较高而多应用在飞机零件中。

20世纪80年代以后，随着自动控制技术、电子计算机技术、检测技术的迅速发展，通过对这些先进技术的综合应用，压铸技术、工艺和压铸机日渐完善。

压射工艺参数的检测、压射过程监控和显示、故障诊断及报警手段不断更新，生产环境完善，压铸生产效率进一步提高[3]。

1983年，Toshiba公司实现了对压铸过程的计算机控制。

该控制系统具有远程设定压铸机预设程序、检测机器运行状态、参数检测显示并打印、锁模力及模具厚度调节的自动控制、生产管理的记录和储存、故障诊断等多种功能[4]。

1.3虚拟现实技术概述1.3.1虚拟现实技术的定义及特点虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)或称虚拟环境(Virtual Environment，简称VE)技术，是在计算机仿真技术、计算机图形学、传感器技术及多媒体技术等多种技术的基础上发展起来的一门综合性技术[4]。

它主要是通过视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉等来感觉到虚拟环境的图像、声音、力等等的信息，由此使用者产生出一种真实的感觉。

虚拟现实是一门集成了人与信息的科学。

它是以计算机技术为核心，生成逼真的虚拟环境，这些环境可以是真实的，也可以是完全虚拟构建出来的模型，使用者借助一定的硬件设备与虚拟世界中的物体进行交互，获得视觉、听觉、触觉等从而产生身临其境的感觉[5]。

虚拟现实技术作为计算机的一个新领域，近年来逐渐被重视，并广泛地应用在军事、建筑、工业仿真、医学、文化教育、农业和计算机技术等方面[6]。

虚拟现实技术的特点可归纳如下：（1）交互性：交互性是指使用者通过输入输出设备如鼠标、键盘、特殊头盔、数据手套等，来对虚拟环境中的对象进行调整或操作。

例如使用者利用数据手套用手去抓虚拟物体，这时手套产生作用力，使使用者有触摸到物体的感觉，并且显示屏上物体的位置产生位移，使用户看到被抓的物体随着手的移动而移动；（2）沉浸性：沉浸性是指用户在虚拟环境中感受到的真实程度。

虚拟现实世界通过计算机产生逼真的三维立体图像，使用者与虚拟环境中的对象各种交互作用，使用户如同在现实世界中一样。

这种感觉如此的真实，以至于能够迷惑人们全方位地沉浸于虚拟环境中，称为虚拟环境的一份子，产生身临其境的感觉；（3）多感知性：多感知性是指理想的虚拟现实技术具有出了一般计算机技术所拥有的视觉感知以外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知甚至是味觉或者嗅觉感知等；（4）自主性：自主性是指虚拟环境中物体依照现实中的物理定律的程度。

例如，把一个物体推倒，它的运动轨迹、运动速度等等[7]。

1.3.2虚拟现实技术的发展现状虚拟现实技术起源于美国，最初的目的是为了满足国防方面的航空和航天需要，近年来虚拟现实技术得到了很大的重视，发展迅速。

在这方面美国处于国际研究的前沿，他的研究最早，也是最广泛的。

早在20世纪80年代，美国国家航天航空局（NASA）就开始了对虚拟现实的研究，在1981年，他们就开始研究空间信息显示，1984年又开始了虚拟视觉环境显示（VIVED）项目，并开发了虚拟界面环境（VIEW）工作站cAmes完善了HMD。

北卡罗来纳大学（UNC）是一所进行VR研究最早的著名大学，他们从1970年开始研究交互式分子建模，并解决了分子结构的可视化，开发了名为“Walk Though”的漫游系统。