袁鵬

（中國振華集團永光電子有限公司，貴州 貴陽 550000）

淺談虛擬制造在模具設(shè)計與制造中的應(yīng)用

袁鵬

（中國振華集團永光電子有限公司，貴州 貴陽 550000）

隨著信息技術(shù)和科學技術(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)計與制造行業(yè)當中，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)計與制造過程中的各項應(yīng)用進行了闡述，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)計制造的效率和質(zhì)量的簡要結(jié)論。

虛擬制造；模具；設(shè)計；制造；應(yīng)用

將信息技術(shù)應(yīng)用到制造業(yè)當中進行技術(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算機集成制造系統(tǒng)開始交付使用，經(jīng)過了十多年的發(fā)展后，到20世紀90年代中期，制造技術(shù)得到了更進一步的發(fā)展，出現(xiàn)了虛擬制造技術(shù)等新興概念，即采用計算機仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)來完成設(shè)計與制造的過程，加強計算機群組和產(chǎn)品工藝設(shè)計上的協(xié)同作用，增強了各級決策和控制能力。因此，虛擬制造雖然不是實際的生產(chǎn)制造，但卻可以對實際生產(chǎn)制造進行本質(zhì)過程的模擬，通過計算模型對產(chǎn)品功能進行預估，并檢測出產(chǎn)品隱藏問題，提高預測和決策水平。本文就虛擬制造在模具設(shè)計制造中的應(yīng)用進行了分析，以期能為同行提供參考價值。

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技術(shù)進行論述：

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)全過程進行預測的過程；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體對象模型的集合，通常包括結(jié)構(gòu)明細表，產(chǎn)品形狀特征等等，對于虛擬制造系統(tǒng)而言，要實現(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，實現(xiàn)產(chǎn)品活動所需的模型。

1.2仿真技術(shù)

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

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)計思維、規(guī)劃、建模、交互行為等多個方面仿真，從而用來對設(shè)計結(jié)果進行評價，對設(shè)計過程進行早期反饋，將產(chǎn)品設(shè)計中的錯誤降到最低；而加工過程中的仿真包括切削、裝配、檢驗以及實際操作（焊接、鑄造等）的仿真。

1.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是指可計算信息的交互沉浸式環(huán)境，具體來講就是以計算機核心技術(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，用戶借助設(shè)備以自然方式在虛擬環(huán)境中與設(shè)計對象進行交互作用，從而產(chǎn)生身臨其境的真實感受。

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)實技術(shù)還可保證體驗過程的安全性。

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

2.1虛擬產(chǎn)品與模具設(shè)計

通常情況下，借助CAD、CAM等技術(shù)無法將模具設(shè)計、制造等多項步驟結(jié)合起來，導致在實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)則能有效克服這項缺點，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、裝配設(shè)計的思想，在利用虛擬制造和裝配等技術(shù)對模具設(shè)計方案進行裝配可及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題并進行改進。

虛擬設(shè)計與三維CAD模型想結(jié)合，可迅速對模具型芯、凹模、凸模等主要零件進行確定，再從模架庫中選擇模架，而標準庫中也可迅速生成其他的輔助零件，有效縮短了設(shè)計時間，此外，虛擬設(shè)計還可提供完整的三維產(chǎn)品模型的準確數(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，各個零部件的加工方法以及機床工藝參數(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行，從而得出準確的數(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行預測和模擬，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)計到制造的全部步驟于一身，設(shè)計人員可在虛擬過程中對刀具路徑和從中存在的問題進行精確觀察，并予以修正，最終向數(shù)據(jù)銑床輸出NC碼，進一步加快模具設(shè)計與制造的周期，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)計階段就進行裝配驗證，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，并可進行大裝配過程漫游，從而準確找出裝配問題。

由于模具設(shè)計與制造對精度要求極為嚴格，因此設(shè)計中必須解決運動構(gòu)件在工作中的協(xié)調(diào)關(guān)系、運動范圍、動力學性能、強度、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)配合較為復雜，設(shè)計人員為了消除對精度誤差的擔心，可采用仿真技術(shù)進行現(xiàn)實模擬，對構(gòu)件配置進行直觀體驗，并通過仔細觀察和測算，促進工作協(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)品進行模擬，并檢驗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，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行檢驗，對不合理的地方進行反饋，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

在計算機中建立虛擬的模具加工環(huán)境是實現(xiàn)虛擬制造的第一步，將這項關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用與模具行業(yè)當中，可有效縮短模具開發(fā)周期，由于設(shè)計、制造、裝配、調(diào)試等工作均可在計算機上進行仿真模擬，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)展機遇，積極引進虛擬制造技術(shù)，改善模具設(shè)計與制造水平，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

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.10.025

袁鵬（1981-），男，本科學歷，畢業(yè)于貴州工業(yè)大學，車間副主任，研究方向為模具設(shè)計與開發(fā)。

2016-04-25