淺談虛擬制造在模具設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用

袁鵬

（中國振華集團(tuán)永光電子有限公司，貴州 貴陽 550000）

淺談虛擬制造在模具設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用

袁鵬

（中國振華集團(tuán)永光電子有限公司，貴州 貴陽 550000）

隨著信息技術(shù)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬制造技術(shù)也呈現(xiàn)出更新?lián)Q代速度不斷加快的趨勢，尤其是在模具設(shè)計(jì)與制造行業(yè)當(dāng)中，虛擬制造技術(shù)更是起到了技術(shù)革新的作用。本文基于上述背景，對虛擬制造的基本概念和技術(shù)在模具設(shè)計(jì)與制造過程中的各項(xiàng)應(yīng)用進(jìn)行了闡述，并結(jié)合模具虛擬技術(shù)的發(fā)展前景，得出了虛擬技術(shù)能提高模具設(shè)計(jì)制造的效率和質(zhì)量的簡要結(jié)論。

虛擬制造；模具；設(shè)計(jì)；制造；應(yīng)用

將信息技術(shù)應(yīng)用到制造業(yè)當(dāng)中進(jìn)行技術(shù)改造，是我國制造業(yè)朝現(xiàn)代化發(fā)展的必經(jīng)之路。從1980年開始，以信息集成為核心的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)開始交付使用，經(jīng)過了十多年的發(fā)展后，到20世紀(jì)90年代中期，制造技術(shù)得到了更進(jìn)一步的發(fā)展，出現(xiàn)了虛擬制造技術(shù)等新興概念，即采用計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來完成設(shè)計(jì)與制造的過程，加強(qiáng)計(jì)算機(jī)群組和產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)上的協(xié)同作用，增強(qiáng)了各級決策和控制能力。因此，虛擬制造雖然不是實(shí)際的生產(chǎn)制造，但卻可以對實(shí)際生產(chǎn)制造進(jìn)行本質(zhì)過程的模擬，通過計(jì)算模型對產(chǎn)品功能進(jìn)行預(yù)估，并檢測出產(chǎn)品隱藏問題，提高預(yù)測和決策水平。本文就虛擬制造在模具設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，以期能為同行提供參考價(jià)值。

1 虛擬制造核心技術(shù)

虛擬制造是以信息技術(shù)、仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為支持的一種新型制造技術(shù)，其涉及到很多領(lǐng)域，包括環(huán)境構(gòu)成技術(shù)、元模型、集成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及過程特征抽取等等，以下講選取最具有代表性的幾項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行論述：

1.1建模技術(shù)

虛擬制造系統(tǒng)的建模主要包括生產(chǎn)建模、產(chǎn)品建模以及工藝建模等信息體系。

（1）生產(chǎn)建?？蓺w納為動態(tài)描述和靜態(tài)描述兩方面，前者是指在已知系統(tǒng)狀態(tài)和需求特征的前提下，對產(chǎn)品生產(chǎn)全過程進(jìn)行預(yù)測的過程；后者是指對虛擬系統(tǒng)生產(chǎn)能力和特性方面的描述。

（2）產(chǎn)品建模，指模具制造過程中實(shí)體對象模型的集合，通常包括結(jié)構(gòu)明細(xì)表，產(chǎn)品形狀特征等等，對于虛擬制造系統(tǒng)而言，要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全部活動集成，首先需具備完整的產(chǎn)品模型，因此在虛擬系統(tǒng)下制造的產(chǎn)品模型不僅僅是單一的靜態(tài)特征模型，而是集合了抽象、映射等方法，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品活動所需的模型。

1.2仿真技術(shù)

是指利用計(jì)算機(jī)對復(fù)雜現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠進(jìn)行抽象和簡化，從而形成的系統(tǒng)模型，在對模型進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)用，從而得出產(chǎn)品的性能統(tǒng)計(jì)。首先，仿真技術(shù)主要以系統(tǒng)模型為研究對象，且不會對實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)造成干擾；其次，仿真系統(tǒng)可充分利用計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)算功能，在短時(shí)間內(nèi)對生產(chǎn)過程很長的生產(chǎn)周期進(jìn)行模擬，因此能有效縮短決策時(shí)間，避免人力、時(shí)間等資源的浪費(fèi)；最后，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可重復(fù)進(jìn)行仿真模擬，從而得出最優(yōu)實(shí)施方案。

產(chǎn)品制造過程仿真技術(shù)可歸納為加工過程和制造系統(tǒng)兩方面，制造系統(tǒng)中的產(chǎn)品涉及到設(shè)計(jì)思維、規(guī)劃、建模、交互行為等多個(gè)方面仿真，從而用來對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，對設(shè)計(jì)過程進(jìn)行早期反饋，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤降到最低；而加工過程中的仿真包括切削、裝配、檢驗(yàn)以及實(shí)際操作（焊接、鑄造等）的仿真。

1.3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指可計(jì)算信息的交互沉浸式環(huán)境，具體來講就是以計(jì)算機(jī)核心技術(shù)為基礎(chǔ)，采用高科技手段，生成逼真的虛擬環(huán)境，包括視覺、聽覺、觸覺一體化的特定感官體驗(yàn)，用戶借助設(shè)備以自然方式在虛擬環(huán)境中與設(shè)計(jì)對象進(jìn)行交互作用，從而產(chǎn)生身臨其境的真實(shí)感受。

利用該技術(shù)可將產(chǎn)品直觀呈現(xiàn)給用戶，用戶在體驗(yàn)后可對產(chǎn)品提出整改意見，針對于大型重工業(yè)產(chǎn)品，例如航天、大型電子設(shè)備生產(chǎn)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可保證體驗(yàn)過程的安全性。

2 虛擬制造在模具設(shè)計(jì)與制造產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

2.1虛擬產(chǎn)品與模具設(shè)計(jì)

通常情況下，借助CAD、CAM等技術(shù)無法將模具設(shè)計(jì)、制造等多項(xiàng)步驟結(jié)合起來，導(dǎo)致在實(shí)際使用過程中返工修改次數(shù)多，且模具裝配性能欠佳，無法滿足客戶需求。而利用虛擬制造技術(shù)則能有效克服這項(xiàng)缺點(diǎn)，由于虛擬制造技術(shù)可充分利用CAD軟件平臺，體現(xiàn)出制造設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)的思想，在利用虛擬制造和裝配等技術(shù)對模具設(shè)計(jì)方案進(jìn)行裝配可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題并進(jìn)行改進(jìn)。

虛擬設(shè)計(jì)與三維CAD模型想結(jié)合，可迅速對模具型芯、凹模、凸模等主要零件進(jìn)行確定，再從模架庫中選擇模架，而標(biāo)準(zhǔn)庫中也可迅速生成其他的輔助零件，有效縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，此外，虛擬設(shè)計(jì)還可提供完整的三維產(chǎn)品模型的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，用于適應(yīng)不同的加工需求，并可根據(jù)需求將三維數(shù)據(jù)生成模具設(shè)計(jì)圖紙，快速制作出樣品。

2.2模具制造

在模具虛擬制造過程中，各個(gè)零部件的加工方法以及機(jī)床工藝參數(shù)選用和加工過程中可能出現(xiàn)的缺陷均可在虛擬制造過程中進(jìn)行，從而得出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。以銑削仿真加工為例，虛擬系統(tǒng)可對實(shí)際銑削加工的外形銑削、面銑削、鉆孔、挖槽等形式的物理和幾何因素變化進(jìn)行預(yù)測和模擬，利用虛擬制造的優(yōu)勢構(gòu)建出逼真的加工環(huán)境，集銑削加工從設(shè)計(jì)到制造的全部步驟于一身，設(shè)計(jì)人員可在虛擬過程中對刀具路徑和從中存在的問題進(jìn)行精確觀察，并予以修正，最終向數(shù)據(jù)銑床輸出NC碼，進(jìn)一步加快模具設(shè)計(jì)與制造的周期，具體虛擬加工環(huán)境如圖1所示。

圖1　銑削加工虛擬流程示意圖

2.3模具裝配

采用虛擬制造可在模具設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行裝配驗(yàn)證，保證加工精度，避免損失。模具裝配虛擬主要包括裝配過程仿真、工藝規(guī)劃、公差研究、動態(tài)過程裝配仿真等，并可進(jìn)行大裝配過程漫游，從而準(zhǔn)確找出裝配問題。

由于模具設(shè)計(jì)與制造對精度要求極為嚴(yán)格，因此設(shè)計(jì)中必須解決運(yùn)動構(gòu)件在工作中的協(xié)調(diào)關(guān)系、運(yùn)動范圍、動力學(xué)性能、強(qiáng)度、剛度、韌性等問題，例如模具生產(chǎn)線上各環(huán)節(jié)動作協(xié)調(diào)配合較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員為了消除對精度誤差的擔(dān)心，可采用仿真技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)實(shí)模擬，對構(gòu)件配置進(jìn)行直觀體驗(yàn)，并通過仔細(xì)觀察和測算，促進(jìn)工作協(xié)調(diào)，從而能將誤差值控制在最低水平。

2.4虛擬調(diào)試

虛擬調(diào)試是指對模具生產(chǎn)出的產(chǎn)品進(jìn)行模擬，并檢驗(yàn)其是否符合客戶需求，以確保模具投產(chǎn)的合理性，例如注塑模具可通過虛擬注射過程試驗(yàn)，對生產(chǎn)出的塑料工件是否存在缺陷，以及澆道、澆口是否完全合理進(jìn)行檢驗(yàn)，對不合理的地方進(jìn)行反饋，并加以調(diào)整，從而生產(chǎn)出符合客戶要求的模具。

3 結(jié)束語

在計(jì)算機(jī)中建立虛擬的模具加工環(huán)境是實(shí)現(xiàn)虛擬制造的第一步，將這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用與模具行業(yè)當(dāng)中，可有效縮短模具開發(fā)周期，由于設(shè)計(jì)、制造、裝配、調(diào)試等工作均可在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真模擬，從而有效提高了生產(chǎn)效率和模具質(zhì)量，同時(shí)節(jié)約了生產(chǎn)資源，我國企業(yè)應(yīng)抓好虛擬技術(shù)目前的發(fā)展機(jī)遇，積極引進(jìn)虛擬制造技術(shù)，改善模具設(shè)計(jì)與制造水平，提升模具企業(yè)的市場競爭力。

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Application of virtual manufacturing in mold design and manufacturing

TP391.72

1009-797X（2016）10-0064-03

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10.13520/j.cnki.rpte.2016.10.025

袁鵬（1981-），男，本科學(xué)歷，畢業(yè)于貴州工業(yè)大學(xué)，車間副主任，研究方向?yàn)槟＞咴O(shè)計(jì)與開發(fā)。

2016-04-25