淺談虛擬制造在模具設計與制造中的應用

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計與制造中的應用

袁鵬

（中國振華集團永光電子有限公司，貴州 貴陽 550000）

隨著信息技術和科學技術的不斷發展，虛擬制造技術也呈現出更新換代速度不斷加快的趨勢，尤其是在模具設計與制造行業當中，虛擬制造技術更是起到了技術革新的作用。本文基于上述背景，對虛擬制造的基本概念和技術在模具設計與制造過程中的各項應用進行了闡述，并結合模具虛擬技術的發展前景，得出了虛擬技術能提高模具設計制造的效率和質量的簡要結論。

虛擬制造；模具；設計；制造；應用

將信息技術應用到制造業當中進行技術改造，是我國制造業朝現代化發展的必經之路。從1980年開始，以信息集成為核心的計算機集成制造系統開始交付使用，經過了十多年的發展后，到20世紀90年代中期，制造技術得到了更進一步的發展，出現了虛擬制造技術等新興概念，即采用計算機仿真與虛擬現實技術來完成設計與制造的過程，加強計算機群組和產品工藝設計上的協同作用，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制造，但卻可以對實際生產制造進行本質過程的模擬，通過計算模型對產品功能進行預估，并檢測出產品隱藏問題，提高預測和決策水平。本文就虛擬制造在模具設計制造中的應用進行了分析，以期能為同行提供參考價值。

1 虛擬制造核心技術

虛擬制造是以信息技術、仿真技術、虛擬現實技術為支持的一種新型制造技術，其涉及到很多領域，包括環境構成技術、元模型、集成基礎結構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進行論述：

1.1建模技術

虛擬制造系統的建模主要包括生產建模、產品建模以及工藝建模等信息體系。

（1）生產建模可歸納為動態描述和靜態描述兩方面，前者是指在已知系統狀態和需求特征的前提下，對產品生產全過程進行預測的過程；后者是指對虛擬系統生產能力和特性方面的描述。

（2）產品建模，指模具制造過程中實體對象模型的集合，通常包括結構明細表，產品形狀特征等等，對于虛擬制造系統而言，要實現產品全部活動集成，首先需具備完整的產品模型，因此在虛擬系統下制造的產品模型不僅僅是單一的靜態特征模型，而是集合了抽象、映射等方法，實現產品活動所需的模型。

1.2仿真技術

是指利用計算機對復雜現實系統能夠進行抽象和簡化，從而形成的系統模型，在對模型進行分析的基礎上進行運用，從而得出產品的性能統計。首先，仿真技術主要以系統模型為研究對象，且不會對實際生產系統造成干擾；其次，仿真系統可充分利用計算機的快速運算功能，在短時間內對生產過程很長的生產周期進行模擬，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，計算機系統可重復進行仿真模擬，從而得出最優實施方案。

產品制造過程仿真技術可歸納為加工過程和制造系統兩方面，制造系統中的產品涉及到設計思維、規劃、建模、交互行為等多個方面仿真，從而用來對設計結果進行評價，對設計過程進行早期反饋，將產品設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虛擬現實技術

虛擬現實技術是指可計算信息的交互沉浸式環境，具體來講就是以計算機核心技術為基礎，采用高科技手段，生成逼真的虛擬環境，包括視覺、聽覺、觸覺一體化的特定感官體驗，用戶借助設備以自然方式在虛擬環境中與設計對象進行交互作用，從而產生身臨其境的真實感受。

利用該技術可將產品直觀呈現給用戶，用戶在體驗后可對產品提出整改意見，針對于大型重工業產品，例如航天、大型電子設備生產，利用虛擬現實技術還可保證體驗過程的安全性。

2 虛擬制造在模具設計與制造產業中的應用

2.1虛擬產品與模具設計

通常情況下，借助CAD、CAM等技術無法將模具設計、制造等多項步驟結合起來，導致在實際使用過程中返工修改次數多，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則能有效克服這項缺點，由于虛擬制造技術可充分利用CAD軟件平臺，體現出制造設計、裝配設計的思想，在利用虛擬制造和裝配等技術對模具設計方案進行裝配可及時發現設計問題并進行改進。

虛擬設計與三維CAD模型想結合，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，有效縮短了設計時間，此外，虛擬設計還可提供完整的三維產品模型的準確數據，用于適應不同的加工需求，并可根據需求將三維數據生成模具設計圖紙，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選用和加工過程中可能出現的缺陷均可在虛擬制造過程中進行，從而得出準確的數據信息。以銑削仿真加工為例，虛擬系統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，利用虛擬制造的優勢構建出逼真的加工環境，集銑削加工從設計到制造的全部步驟于一身，設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，最終向數據銑床輸出NC碼，進一步加快模具設計與制造的周期，具體虛擬加工環境如圖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、工藝規劃、公差研究、動態過程裝配仿真等，并可進行大裝配過程漫游，從而準確找出裝配問題。

由于模具設計與制造對精度要求極為嚴格，因此設計中必須解決運動構件在工作中的協調關系、運動范圍、動力學性能、強度、剛度、韌性等問題，例如模具生產線上各環節動作協調配合較為復雜，設計人員為了消除對精度誤差的擔心，可采用仿真技術進行現實模擬，對構件配置進行直觀體驗，并通過仔細觀察和測算，促進工作協調，從而能將誤差值控制在最低水平。

2.4虛擬調試

虛擬調試是指對模具生產出的產品進行模擬，并檢驗其是否符合客戶需求，以確保模具投產的合理性，例如注塑模具可通過虛擬注射過程試驗，對生產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，并加以調整，從而生產出符合客戶要求的模具。

3 結束語

在計算機中建立虛擬的模具加工環境是實現虛擬制造的第一步，將這項關鍵技術應用與模具行業當中，可有效縮短模具開發周期，由于設計、制造、裝配、調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效率和模具質量，同時節約了生產資源，我國企業應抓好虛擬技術目前的發展機遇，積極引進虛擬制造技術，改善模具設計與制造水平，提升模具企業的市場競爭力。

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（P-01）

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，畢業于貴州工業大學，車間副主任，研究方向為模具設計與開發。

2016-04-25