刍谈虚拟制造技术在模具制造中的应用

刍谈虚拟制造技术在模具制造中的应用

黄荣

关键词：虚拟制造技术；模具制造；应用

引言

“虚拟制造技术”是一种通过计算机虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，提高人们的预测和决策水平，使得制造技术走出主要依赖于经验狭小天地，发展到了全方位预报的新阶段。本文论述了虚拟制造技术在模具设计与制造中的应用。

一、虚拟制造技术概述

虚拟制造技术是以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真。这样能在产品的设计阶段就模拟出产品及其性能和制造过程，以此来优化产品的设计质量和制造过程，优化生产管理和资源规划，以达到产品开发周期和成本的最小化，产品设计质量的最优化和生产效率最高化，形成企业的市场竞争优势。虚拟制造是融合计算机仿真技术与虚拟现实技术、由多学科先进知识组成的综合系统技术，是为实现企业或产品的柔性，快速响应市场及一次制造成功而提出的一种虚拟现实技术。其是CAD/CAE/CAM/CAPP和仿真技术的更高阶段，能在计算机上实现产品从设计到制造到检验的全过程：根据物体的虚拟模型，在计算机上模拟“实际”加工的全过程及产品的装配情况；还能及时修改设计，避免在生产过程中可能出现的问题，达到新产品一次开发成功，以缩短开发周期、降低开发成本、提高生产效率的目的。

二、典型的虚拟制造技术

2.1多学科协同仿真

多学科协同仿真就是要在系统工程理论的指导下，基于复杂产品中各学科之间的内在交互关系，将位于不同地点、基于不同计算机平台、采用不同建模方法建立的混合异构仿真模型，在分布式环境中联合起来进行多学科协同仿真。

2.2虚拟装配

装配是产品设计开发过程中的重要环节，虚拟装配则是装配过程在计算机上的本质实现，是虚拟装配的重要组成部分。其基于产品的数字化实体模型，在计算机上分析与验证产品的装配性能及工艺过程，提高产品的可装配性。

虚拟装配模型是分析装配问题的基础，因此，面向装配过程的、支持虚拟装配中各种需要的产品装配模型在虚拟装配中十分重要，模型的特点和优劣在很大程度决定了系统所能实现的功能。

2.3虚拟车间布局设计

制造系统的布局设计就是在企业经营策略的指导下，针对生产过程，将人员物料及所需的相关设备设施等，做最有效的组合规划，并与其他相关设施协调，以期获得安全、效率与经济的操作，满足企业经营需求。运用面向对象的模拟仿真，可帮助使用者建立用于规划、设计和流程优化的虚拟模型，依据不同决策变量之组合，分析设备使用率、系统产能、有效产出率，及交货期、成本等策略，达到产能最大化、排程最优化、半成品及库存最小化等目标。

三、虚拟制造技术在模具工业中的应用

3.1虚拟产品和模具设计

企业可根据市场要求进行产品设计。在保证产品用途要求的前提下，外观和产品的最终成本也要兼顾。产品设计是模具工业中的第一环节，也是影响后续工作的重要一环。一般借助计算机进行的模具设计不能有效合理地把产品设计、模具设计、模具制造等结合起来考虑，在实际制造过程中造成返工修改次数多、装配性不好，在交付使用过程中则发现满足不了用户要求，且设计出来的模具生产灵活性差。虚拟制造技术的虚拟设计过程能克服上述缺点，因为虚拟设计能充分利用现有的CAD软件，基于特征设计的设计平台，体现面向制造设计、面向装配设计的设计思想。在虚拟设计的过程中，可充分利用虚拟制造、虚拟装配技术等初步设计方案进行虚拟装配，并及早发现设计上的问题。

3.2虚拟制造与模具加工

“质量好”、“精度高”、“价格低”、“交货期短”等是人们对模具制造的基本要求。但许多模具体积庞大、结构复杂、尺寸精度和表面粗糙度要求较高，设计制造相当困难。在模具设计阶段无法预料制造过程中将出现的问题，有可能造成制造困难或无法进行加工。采用虚拟制造的方式，可优化模具零件加工过程中的工艺参数，及时解决加工过程中出现的问题。数控仿真加工是目前应用较广的加工方法，在计算机上采用仿真软件根据Pro/E产生的零件图即可生成零件的加工程序代码。通过计算机构造出一个虚拟的加工环境，在虚拟加工过程中可观察到刀具完整的运行路径，完成常规加工的各种功能，还可以发现加工过程中存在的问题，并及时修正。仿真加工结束后，将加工程序输入数控机床即可进行实物加工。

3.3虚拟制造与模具装配

在传统模具装配过程中，需要反复修改和调试，才能得到满意产品。在调模过程出现的缺陷，主要凭装配人员的经验，通过反复试模、修模、再试模、再修模的循环过程才能解决，经常导致零件的报废或工期延长。而虚拟制造技术能大大缩短这一过程，因为在虚拟现实环境下不需要建造实体模型，工程师可利用虚拟的“自然”环境、可视化优势进行设计，避免出现干涉等问题，避免反复修模，保证模具的精度和制造周期。在模具装配中，通过虚拟现实技术可直观进行设计，避免可能出现的干涉和其他不合理问题。产品设计必须解决运动构件工作时的运动协调关系、运动范围设计、可能的运动干涉检查、产品动力学性能、强度、刚度等。

3.4虚拟调试

模具的调试是指虚拟模具的动作过程，对不合理的地方及时反馈信息进行调整。试模是具出厂前必须经历的一个阶段。虚拟试模是虚拟制造模具生产的产品，对虚拟生产出的产品是否满足顾客需求予以检验，以确定模具能否投入正常生产。

从时间上讲，产品的开发有先后顺序，例如设计、工艺、制造，只有在设计进行后才能进行工艺设计；从数据上来说，工艺性分析在设计数据给出后才能进行。然而，关键问题在于设计后何时及数据生成多少时进行工艺分析、工艺设计。在模具工业中，产品设计开始生成某些数据后，就可以将数据传递给模具设计、模具制造、模具装配等，即下游的工作人员可根据产品设计传递来的数据对其进行模具设计、制造、装配方面的分析，并将分析结果反馈给设计人员。但产品设计与其相关领域的局部数据的一致并不能说明全局数据信息的一致性。

结束语：模具工业企业首先必须立足于企业的现有条件，根据虚拟制造的思想发现问题，挖掘潜力；其次必须在组织结构、技术、人才和管理等方面进行进一步改革，为虚拟制造技术的应用奠定基础；再次，模具工业有关的科研单位必须紧紧跟踪国外虚拟制造技术的发展动态，加大国内的研究力度。

参考文献

[1]韩宝菊，王卫东.虚拟制造技术及应用[J].液压气动与密封.2010

[2]李和平.虚拟制造与现代模具技术[J].热加工工艺，2010，36（1）：62-64.