模具智能制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)改革研究

夏建生 周海 陳青

【摘 要】策應(yīng)“中國(guó)制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略，按照現(xiàn)代模具企業(yè)實(shí)際的數(shù)字化研發(fā)設(shè)計(jì)制造環(huán)境，構(gòu)建了高度仿真的、固化典型的制造業(yè)企業(yè)運(yùn)行模式，探討構(gòu)建與現(xiàn)代模具企業(yè)相統(tǒng)一的設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)、管理的一體化流程的模具智能制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，將企業(yè)的設(shè)計(jì)制造理念、工作模式融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織和教學(xué)流程之中，縮短學(xué)生和企業(yè)之間的距離，滿足行業(yè)企業(yè)用人需求，提高工科類學(xué)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

【關(guān)鍵詞】模具 智能制造 虛擬仿真 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1 引言

模具是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝裝備，被譽(yù)為“工業(yè)之母”。用模具生產(chǎn)制件所表現(xiàn)出來的高精度、高復(fù)雜程度、高一致性、高生產(chǎn)率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比擬的。近十年以來，模具智能制造相關(guān)技術(shù)得到迅速發(fā)展，CAD/CAM技術(shù)、熱流道技術(shù)和多工位級(jí)進(jìn)沖壓技術(shù)已得到較好推廣，CAE、CAPP、PLM、ERP等數(shù)字化技術(shù)已有一部分企業(yè)開始采用[1]。

隨著現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)制造不斷向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，設(shè)計(jì)制造過程信息集成度高、系統(tǒng)復(fù)雜，采用真實(shí)裝備來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在如下問題[2-3]：（1）模具制造裝備價(jià)格昂貴，前期投人大。運(yùn)行過程中電、液、氣等資源消耗大，設(shè)備后期維護(hù)成本高，有些設(shè)備操作風(fēng)險(xiǎn)高；（2）受資金、場(chǎng)地的限制，無法滿足學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力培養(yǎng)的需要，開放、自主設(shè)計(jì)、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)更是難以開展；（3）優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)資源無法開放共享；（4）模具生產(chǎn)企業(yè)給學(xué)生一線實(shí)踐的空間越來越小，生產(chǎn)實(shí)習(xí)難以達(dá)到預(yù)期效果。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

模具智能制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心本著虛擬仿真與實(shí)體驗(yàn)證相互結(jié)合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的指導(dǎo)原則，合理設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，開發(fā)和建設(shè)了一系列可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)，有利于學(xué)生設(shè)計(jì)能力、綜合能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的智能制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫、數(shù)字化設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)仿真和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)課內(nèi)與課外、校內(nèi)與校外、網(wǎng)上與網(wǎng)下、現(xiàn)實(shí)與虛擬的融合，致力于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革與創(chuàng)新。

2.1校企協(xié)同

與西門子等公司合作，在產(chǎn)品全生命周期系統(tǒng)平臺(tái)上，將模具制造企業(yè)典型的先進(jìn)設(shè)計(jì)制造理念、工作環(huán)境和工作模式，如模具設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的組織架構(gòu)、設(shè)計(jì)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等融入實(shí)踐教學(xué)過程之中，建設(shè)虛擬仿真企業(yè)環(huán)境下的模具設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，讓學(xué)生在具有企業(yè)文化和氛圍的實(shí)訓(xùn)環(huán)境中，領(lǐng)悟先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，把握先進(jìn)的設(shè)計(jì)工作模式，掌握運(yùn)用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)模具的工程能力，并得到工程素養(yǎng)的培養(yǎng)和鍛煉。

2.2虛實(shí)結(jié)合

以“世界先進(jìn)，國(guó)內(nèi)領(lǐng)先”的生產(chǎn)型全流程模具制造實(shí)驗(yàn)線為基礎(chǔ)，建設(shè)虛實(shí)結(jié)合、高度信息化的、全流程模具智能制造工廠實(shí)驗(yàn)室，以有色金屬成型、模具智能設(shè)計(jì)、高精加工技術(shù)、制造物聯(lián)、加工自動(dòng)化為研究領(lǐng)域，構(gòu)建面向校內(nèi)外相關(guān)學(xué)科的多學(xué)科集群的協(xié)同、集成、開放的學(xué)科建設(shè)與科技工作“大平臺(tái)”，創(chuàng)建學(xué)校教學(xué)、科研和社會(huì)服務(wù)等創(chuàng)新能力提升的創(chuàng)新載體，形成知識(shí)創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新融合的創(chuàng)新鏈[4-5]。

2.3全流程仿真

對(duì)企業(yè)案例的生產(chǎn)全工藝過程進(jìn)行規(guī)劃，制訂詳細(xì)的方案，作為虛擬仿真的開發(fā)依據(jù)，構(gòu)建模具設(shè)計(jì)全流程、高仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。該仿真體系一共分為4大類實(shí)驗(yàn)，37個(gè)典型仿真實(shí)驗(yàn)，覆蓋了從設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)、管理整個(gè)流程，具體如表1所示。

3 典型實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真項(xiàng)目

以現(xiàn)代模具企業(yè)實(shí)際案例，以全流程模具智能制造為載體，開發(fā)高度仿真企業(yè)產(chǎn)品制造全周期的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，搭建了符合現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)需求的綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。經(jīng)過中心實(shí)驗(yàn)室的虛擬仿真訓(xùn)練，學(xué)生能夠掌握面向模具智能制造全周期的產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)、有限元分析、計(jì)算機(jī)輔助工藝分析、虛擬制造、虛擬裝配、虛擬運(yùn)營(yíng)等核心專業(yè)技能。同時(shí)以模具智能制造為代表的制造業(yè)信息化技術(shù)，能將企業(yè)的設(shè)計(jì)制造理念、工作模式融入實(shí)訓(xùn)教學(xué)組織和教學(xué)流程之中，能夠培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力。下面以模具設(shè)計(jì)、CAE模流分析及運(yùn)動(dòng)仿真分析為例介紹項(xiàng)目情況。

3.1 項(xiàng)目1：注塑模三維設(shè)計(jì)

MoldWizard（注塑模向?qū)В┦腔赟iemens NX開發(fā)的、針對(duì)注塑模具設(shè)計(jì)的專業(yè)模塊，模塊中配有常用的模架庫和標(biāo)準(zhǔn)件，用戶可以根據(jù)自己的需要方便的進(jìn)行調(diào)整用，還可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件的自我開發(fā)，很大程度上提高了模具設(shè)計(jì)效率。本實(shí)驗(yàn)在Teamcenter平臺(tái)下，通過NX MoldWizard注塑模向?qū)?，學(xué)習(xí)模具設(shè)計(jì)整個(gè)流程，包括產(chǎn)品裝載、排位布局、分型、模架加載、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及工程制圖等，實(shí)現(xiàn)模具的三維快速設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程強(qiáng)調(diào)并行設(shè)計(jì)的思想。

3.2項(xiàng)目2：注塑成型CAE分析

本實(shí)驗(yàn)通過Moldflow Plastic Insight軟件，讓學(xué)生來模擬制件在注塑成型過程中的填充、流動(dòng)、冷卻以及翹曲分析過程，以此來確定制件的最佳成型工藝方案，為工程實(shí)際生產(chǎn)提供合理的工藝設(shè)置依據(jù)，減少因工藝引起的制件缺陷，有助于降低實(shí)際生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

3.3項(xiàng)目3：注塑模運(yùn)動(dòng)仿真

一個(gè)完整的模具裝配通常包含成百上千個(gè)零件，這些零件在模具打開和閉合的工作過程中，都有著一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，特別是對(duì)于那些包含復(fù)雜斜頂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、滑塊運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和頂針的模具來說，它們的運(yùn)動(dòng)關(guān)系尤其復(fù)雜，因此，很難從靜態(tài)的模具中完全準(zhǔn)確無誤地判斷是否出現(xiàn)干涉的情況。本實(shí)驗(yàn)通過NX軟件Motion模塊，通過設(shè)置構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)副及運(yùn)動(dòng)屬性，模擬模具的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況，找出運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)干涉問題的零件，避免了在模具生產(chǎn)后才發(fā)現(xiàn)問題的情況出現(xiàn)。

3.4項(xiàng)目4：注塑模零部件裝配干涉檢查

本實(shí)驗(yàn)使用NX moldwiard模塊中的靜態(tài)干涉檢查（Static Interference Check）功能，對(duì)模具部件間的關(guān)系進(jìn)行分析、檢查，發(fā)現(xiàn)它們之間的干涉問題，例如推桿與水道間的干涉情況，分析結(jié)束后同時(shí)提供相應(yīng)的報(bào)告。靜態(tài)干涉檢查可以幫助設(shè)計(jì)人員快速地找到那些干涉區(qū)域或者沒有開腔挖槽的標(biāo)準(zhǔn)零件，及早發(fā)現(xiàn)問題，從而提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確率。

4 結(jié)語

整合多學(xué)科的信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，利用信息化虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)，面向模具設(shè)計(jì)制造過程進(jìn)行全流程的高度仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，可以打破時(shí)間、空間上對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降南拗?，將工業(yè)軟件融入教學(xué)過程，改革現(xiàn)有教學(xué)模式，培養(yǎng)大批制造業(yè)所迫切需要的熟悉和掌握數(shù)字化設(shè)計(jì)制造工業(yè)軟件的應(yīng)用型專業(yè)人才，也就成為模具專業(yè)人才培養(yǎng)的重要著力點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李金國(guó)，張國(guó)慶，何向華.模具專業(yè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)探討[J].職業(yè)教育研究，2011（9）.

[2]李超，劉月群，李彩霞.模具專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)與教學(xué)實(shí)踐[J].職業(yè)技術(shù)，2012（4）.

[3]莫麗萍.數(shù)控模具教學(xué)中WEB虛擬仿真技術(shù)的使用[J].機(jī)械工程師，2010（4）.

[4]彭玉亮.構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的電子類實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式研究[J].教育界，2015（12）.

[5]丁明亮等.虛實(shí)結(jié)合的X-Y數(shù)控實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015，32（3）.