金属板料冲压成形实验主要内容包括压力机和模具结构的认知、冲压成形过程的学习和冲压工艺参数对冲压件尺寸精度的影响等。
在传统冲压成形实验教学中，存在大型精密机械设备内部结构封闭，模具结构复杂，冲压成形过程迅捷而不易观察，操作过程在危险性，实验成本高等缺点。
虚拟仿真教学系统作为一种先进的教学工具，不仅实验内容可以随虚拟现实技术的发展而不断更新，而且可以进行加工方法、加工原理和零件从毛坯到成品的加工过程的动态模拟仿真。
冲压成型虚拟车间仿真实验教学系统以金属板料冲压成形实验为对象，将虚拟现实技术应用到实验教学中，构建可辅助或者替代传统实验操作环节的虚拟仿真实验教学系统。将极大地丰富学生的实验教学内容，直观地展示冲压过程细节，有效地分析工艺参数对冲压件尺寸精度的影响，促进学生对设备、模具结构和实验原理的全面认识。同时，系统能充分发挥其教学功能，对学生进行课外辅导，引导学生进行实验协同操控，培养学生创新思维和团队合作能力，实现远程实验教学的延伸，为冲压成形实验教学提供了一种全新的教学模式。
1. 冲压成型虚拟车间仿真实验教学系统功能
冲压成型虚拟车间仿真实验教学系统包括压力机、冲裁模具、工具台、微机系统等虚拟实验设备以及相关课件资料，主要由演示模式、操作模式、认知模式三个场景模式构成，可借助鼠标、键盘及其他虚拟设备进行实验操作和学习。
实验操作演示主要是便于学生熟悉整个实验的操作步骤和冲压成形过程，从而建立金属板料冲压工艺的基本认识。对于熟练的用户，则可以直接选择操作模式，进行相应的实验操作。对于实验原理或实验设备不清楚的用户，可以先选择认知模式，在认真了解实验原理、冲压理论和实验设备之后再进行演示模式或操作模式的选择。
1.1 演示模式
演示模式是对实验操作过程的全流程播放，通过观看演示模式可迅速掌握整个实验操作过程及细节。演示模式中用户不需要进行太多的操作，只需要点击“播放”按钮，静静观看实验操作过程，并记住操作要点。任何时候都可以点击“播放停止”暂停播放。
1.2 操作模式
操作模式中用户不仅可以漫游浏览整个冲压实验室，还可以在逼真的虚拟实验场景中进行实验操作。用户可以点击左侧缩进框，弹出实验操作指导及注意事项，做到心中有数。在对冲压设备进行操作时，不仅可以直接按操作面板上的按钮，也可以按键盘 F1 键调出 UI 操作面板，实现对压力机的控制。操作模式实现了操作面板的手动控制、冲头的更换、板料冲裁过程模拟、游标卡尺测量多个冲裁件并随机生成数据记录表等交互功能。在进行实验时，操作错误也不会对人造成伤害或对实验设备造成损坏，此外系统还会给出操作提示，使操作更顺畅，加深用户对实验的理解。
1.3 认知模式
认知模式中当鼠标移动到实验设备附近即可高亮显示并查看设备细节。为了方便用户更清楚地了解实验原理及实验目的，更加有效的学习并掌握实验，在系统中添加一些辅助资料，如图片、音频、视频、 PPT课件等是非常有必要的。系统中认知模式中加入了实验课件，通过点击按钮实现课件图片的切换，增强了学习使用冲压成形虚拟仿真教学系统的效果。
2. 冲压成型虚拟车间仿真实验教学系统开发
冲压成型虚拟车间仿真实验教学系统开发主要包括实验场景的搭建、实验的实现细节、系统交互模块的实现。
2.1 实验场景的搭建
实验场景的搭建主要在 Unity3D 中完成。将前期工作准备的三维模型、贴图、动画等全部导入 Unity3D 中，根据真实实验室的布置情况，同时考虑操作的便捷性合理布置虚拟场景中的模型。通过Game 视图可以观看冲压成形实验室的整体风貌。
2.2 实验的实现细节
（1）运用材质编辑器为模型指定材质并建立材质库
3ds Max 中可通过快捷键“M”或者在菜单栏下找到渲染栏，点击“材质编辑器”，打开材质编辑器窗口。在材质编辑器中，用户可以根据需要编辑或修改对象的材质。可选择要获取其材质的对象，单击一个空的材质球将其激活，单击获取材质即可将场景中已有的材质应用在其他物体上。
3ds Max 中用户可通过建立一个常用的材质库，方便以后贴图时直接调用。首先点击材质编辑面板下的第一个按钮 get material，然后单击 material/map browser 面板最左上的小倒三角形按钮，找到下拉列表中的 new material library 选项并点击。给新建的材质库命名并指定保存路径。选中材质球，点击 put new library 按钮，即可将经常用到的材质保存在新建的材质库中。建立材质库大大减少了贴图的工作量，同时还避免了同种材质反复创建材质球浪费系统资源。
（2）UVW 贴图
为了使三维模型呈现真实的效果，通常使用贴图完成。 UVW贴图实际上是把一个平面的图贴到三维模型上，而三维模型形状各异，面数众多，因此需要用到 3ds Max 中两个重要的修改器，一个是 UVW 展开，即将三维模型的表面沿着某条线或某个面展开成二维的面，对展开的多个面进行移动、旋转、缩放、“焊接选定项”、“选定缝合”等操作完成想要的贴图效果；另一个是 UVW 贴图，即不用展开模型，而是给三维模型赋予 UVW 坐标，根据模型的形状特点和贴图要求为物体选择不同的贴图放置方式，如平面、柱形、球形、长方体等。
在 3ds Max 贴图时，二维的图往往不能准确对应到三维模型上去，需经过修改工具中的 UVW Mapping 编辑修改器来调整 UVW贴图坐标，使展开后的三维模型表面与二维贴图一一对应。贴图坐标的 UVW 坐标系与 XYZ 坐标系相似， U、 V 轴分别对应 X、 Y 轴，调整贴图坐标使对象网格和贴图相匹配，实现复杂模型的贴图。冲压实验室中地面、天花板等特殊地方是将纹理图片进行重复贴图得到。在 3ds Max 中还可设置贴图及映射的各项参数以期获得逼真的贴图效果。
（3）三维模型的导入导出
从 UG 建模到 3ds Max 贴图再到 Unity3D 中搭建场景，冲压实验设备复杂，零部件众多，需要不断地导入导出，不仅工作繁杂，而且极易出错。所以，在 3ds Max 中自定义设置导入导出快捷键能大大减少工作量，避免错误的产生。 3ds Max 中导入导出快捷键设置方法为：在菜单栏中选择自定义，依次选择自定义用户界面，键盘，然后在操作中选择导入文件或导出文件，指定到用户熟悉且与其他快捷键不重复的键。这样以后就可以直接选中模型，点击自定义的快捷键导入导出文件。
另外，为避免模型纹理材质的丢失，需要在模型导入 Unity3D之前先导入材质。
2.3 系统交互模块实现
交互操作是虚拟仿真教学系统的关键，也是衡量一个系统好坏的重要标准之一。交互功能的开发是在 Unity3D 中完成，冲压成型虚拟车间仿真实验教学系统不仅要实现用户在冲压实验室中漫游，而且能通过控制面板的操作使得压力机产生相应的动作，同时还要与用户界面发生交互实现场景跳转、主界面和子菜单功能的选择等。
（1）场景跳转
一个工程文件可包含多个场景，各场景之间既相互独立又保持关联，每个场景都有独立的功能和情景，场景之间可相互切换。冲压成型虚拟车间仿真实验教学系统将每种模式作为一个场景，然后利用 SceneManagement类中的方法调用各个场景。
（2）系统中常用到的鼠标输入方法
OnMouseOver （）当鼠标悬浮在 GUI 元素或碰撞体上方时调用。例如，当鼠标滞留在设备或零件上方，遍历颜色数组，使物体呈现红色高光。
OnMouseExit（）当鼠标移出 GUI 元素或碰撞体上时调用。例如，当鼠标离开设备或零件，遍历颜色数组，使物体呈现黑色，高光消失。
OnMouseDrag（）当鼠标拖拽 GUI 元素或碰撞体时调用。例如，系统中所有的图片拖拽都是使用该方法。
OnMouseDown（）当鼠标在 GUI 元素或碰撞体上点击时调用。操作面板上按钮的点击都是使用该方法。
Input.GetMouseButton（0） 当 点 击 鼠 标 左 键 时 调 用 ；
Input.GetMouseButton （1）当 点 击 鼠 标 右 键 时 调 用 ； Input.GetMouseButton（2）当点击鼠标中键时调用。例如，通过按住鼠标中键旋转视角，可以 360 度观察冲压成形实验室；通过鼠标右键拖拽冲头。
（3）系统中常用的键盘输入方法
Input.GetKey（KeyCode.P）。例如，当按下键盘 P 键，实验数据记录表出现，当按下键盘 F1 键， UI 操作面板出现，当按下键盘C 键，板料冲裁间隙实验的压力行程曲线出现；当按下键盘 L 键，筒形件拉深模拟实验的压力行程曲线出现。
（4）数据记录表的随机出现
板料冲裁间隙实验中的实验数据全部来自学生真实实验。通过对学生的实验报告进行整理，取 10 组实验数据。每次虚拟实验只出现一张数据记录表，且 10 组实验数据记录表是随机出现的。
（5）图片拖拽
首先调用图片组件 RectTransform，当拖拽代码执行时，将当前鼠标所对应的位置赋予给图片，图片即被拖拽到相应位置。
（6）高亮显示
遍历颜色数组，将物体的 EmissionColor 设为 red，实现物体的红色高亮显示。
（7）动画状态机：控制面板上按钮控制冲裁动画播放
为了让按钮的动画状态机具有通用性，将按钮进行编号。当鼠标点击该按钮会调用相应的编号，此编号所对应按钮的动画状态机的第 0 层就被调用，动画状态机之间相对应的布尔类型或触发类型的变量就会被激活，此时动画之间的过渡条件被满足，按钮的动画开始播放。
当总电源按钮的动画和单循环启动按钮的动画都播放了，布尔类型变量“chongc”变为 true，冲裁动画播放；当总电源按钮的动画和滑块上升按钮的动画都播放了，布尔类型变量“change”变为true，滑块执行上升命令；当总电源按钮的动画和滑块下降按钮的动画都播放了，布尔类型变量“change”变为 false，滑块执行下降命令。
（8）全流程播放：动画状态机之间的传参
动画状态机通过控制参数“CtrNum”进行参数传递，动画相继播放（最终传参到 62）。
冲压成型虚拟车间仿真实验教学系统的应用避免了真实实验操作对实验者造成的伤害和对设备的磨损或损坏，解决了实验教学中资源紧张、实验设备落后、实验现象表现不足、实验教学手段滞后等现实问题，给机械专业实验教学提供了一种全新的教学模式，丰富了教学手段，具有较高的社会经济效益和重要的学术价值。
