浅谈虚拟制造在模具设计与制造中的应用

袁鹏

（中国振华集团永光电子有限公司，贵州 贵阳 550000）

浅谈虚拟制造在模具设计与制造中的应用

袁鹏

（中国振华集团永光电子有限公司，贵州 贵阳 550000）

随着信息技术和科学技术的不断发展，虚拟制造技术也呈现出更新换代速度不断加快的趋势，尤其是在模具设计与制造行业当中，虚拟制造技术更是起到了技术革新的作用。本文基于上述背景，对虚拟制造的基本概念和技术在模具设计与制造过程中的各项应用进行了阐述，并结合模具虚拟技术的发展前景，得出了虚拟技术能提高模具设计制造的效率和质量的简要结论。

虚拟制造；模具；设计；制造；应用

将信息技术应用到制造业当中进行技术改造，是我国制造业朝现代化发展的必经之路。从1980年开始，以信息集成为核心的计算机集成制造系统开始交付使用，经过了十多年的发展后，到20世纪90年代中期，制造技术得到了更进一步的发展，出现了虚拟制造技术等新兴概念，即采用计算机仿真与虚拟现实技术来完成设计与制造的过程，加强计算机群组和产品工艺设计上的协同作用，增强了各级决策和控制能力。因此，虚拟制造虽然不是实际的生产制造，但却可以对实际生产制造进行本质过程的模拟，通过计算模型对产品功能进行预估，并检测出产品隐藏问题，提高预测和决策水平。本文就虚拟制造在模具设计制造中的应用进行了分析，以期能为同行提供参考价值。

1 虚拟制造核心技术

虚拟制造是以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为支持的一种新型制造技术，其涉及到很多领域，包括环境构成技术、元模型、集成基础结构以及过程特征抽取等等，以下讲选取最具有代表性的几项技术进行论述：

1.1建模技术

虚拟制造系统的建模主要包括生产建模、产品建模以及工艺建模等信息体系。

（1）生产建模可归纳为动态描述和静态描述两方面，前者是指在已知系统状态和需求特征的前提下，对产品生产全过程进行预测的过程；后者是指对虚拟系统生产能力和特性方面的描述。

（2）产品建模，指模具制造过程中实体对象模型的集合，通常包括结构明细表，产品形状特征等等，对于虚拟制造系统而言，要实现产品全部活动集成，首先需具备完整的产品模型，因此在虚拟系统下制造的产品模型不仅仅是单一的静态特征模型，而是集合了抽象、映射等方法，实现产品活动所需的模型。

1.2仿真技术

是指利用计算机对复杂现实系统能够进行抽象和简化，从而形成的系统模型，在对模型进行分析的基础上进行运用，从而得出产品的性能统计。首先，仿真技术主要以系统模型为研究对象，且不会对实际生产系统造成干扰；其次，仿真系统可充分利用计算机的快速运算功能，在短时间内对生产过程很长的生产周期进行模拟，因此能有效缩短决策时间，避免人力、时间等资源的浪费；最后，计算机系统可重复进行仿真模拟，从而得出最优实施方案。

产品制造过程仿真技术可归纳为加工过程和制造系统两方面，制造系统中的产品涉及到设计思维、规划、建模、交互行为等多个方面仿真，从而用来对设计结果进行评价，对设计过程进行早期反馈，将产品设计中的错误降到最低；而加工过程中的仿真包括切削、装配、检验以及实际操作（焊接、铸造等）的仿真。

1.3虚拟现实技术

虚拟现实技术是指可计算信息的交互沉浸式环境，具体来讲就是以计算机核心技术为基础，采用高科技手段，生成逼真的虚拟环境，包括视觉、听觉、触觉一体化的特定感官体验，用户借助设备以自然方式在虚拟环境中与设计对象进行交互作用，从而产生身临其境的真实感受。

利用该技术可将产品直观呈现给用户，用户在体验后可对产品提出整改意见，针对于大型重工业产品，例如航天、大型电子设备生产，利用虚拟现实技术还可保证体验过程的安全性。

2 虚拟制造在模具设计与制造产业中的应用

2.1虚拟产品与模具设计

通常情况下，借助CAD、CAM等技术无法将模具设计、制造等多项步骤结合起来，导致在实际使用过程中返工修改次数多，且模具装配性能欠佳，无法满足客户需求。而利用虚拟制造技术则能有效克服这项缺点，由于虚拟制造技术可充分利用CAD软件平台，体现出制造设计、装配设计的思想，在利用虚拟制造和装配等技术对模具设计方案进行装配可及时发现设计问题并进行改进。

虚拟设计与三维CAD模型想结合，可迅速对模具型芯、凹模、凸模等主要零件进行确定，再从模架库中选择模架，而标准库中也可迅速生成其他的辅助零件，有效缩短了设计时间，此外，虚拟设计还可提供完整的三维产品模型的准确数据，用于适应不同的加工需求，并可根据需求将三维数据生成模具设计图纸，快速制作出样品。

2.2模具制造

在模具虚拟制造过程中，各个零部件的加工方法以及机床工艺参数选用和加工过程中可能出现的缺陷均可在虚拟制造过程中进行，从而得出准确的数据信息。以铣削仿真加工为例，虚拟系统可对实际铣削加工的外形铣削、面铣削、钻孔、挖槽等形式的物理和几何因素变化进行预测和模拟，利用虚拟制造的优势构建出逼真的加工环境，集铣削加工从设计到制造的全部步骤于一身，设计人员可在虚拟过程中对刀具路径和从中存在的问题进行精确观察，并予以修正，最终向数据铣床输出NC码，进一步加快模具设计与制造的周期，具体虚拟加工环境如图1所示。

图1　铣削加工虚拟流程示意图

2.3模具装配

采用虚拟制造可在模具设计阶段就进行装配验证，保证加工精度，避免损失。模具装配虚拟主要包括装配过程仿真、工艺规划、公差研究、动态过程装配仿真等，并可进行大装配过程漫游，从而准确找出装配问题。

由于模具设计与制造对精度要求极为严格，因此设计中必须解决运动构件在工作中的协调关系、运动范围、动力学性能、强度、刚度、韧性等问题，例如模具生产线上各环节动作协调配合较为复杂，设计人员为了消除对精度误差的担心，可采用仿真技术进行现实模拟，对构件配置进行直观体验，并通过仔细观察和测算，促进工作协调，从而能将误差值控制在最低水平。

2.4虚拟调试

虚拟调试是指对模具生产出的产品进行模拟，并检验其是否符合客户需求，以确保模具投产的合理性，例如注塑模具可通过虚拟注射过程试验，对生产出的塑料工件是否存在缺陷，以及浇道、浇口是否完全合理进行检验，对不合理的地方进行反馈，并加以调整，从而生产出符合客户要求的模具。

3 结束语

在计算机中建立虚拟的模具加工环境是实现虚拟制造的第一步，将这项关键技术应用与模具行业当中，可有效缩短模具开发周期，由于设计、制造、装配、调试等工作均可在计算机上进行仿真模拟，从而有效提高了生产效率和模具质量，同时节约了生产资源，我国企业应抓好虚拟技术目前的发展机遇，积极引进虚拟制造技术，改善模具设计与制造水平，提升模具企业的市场竞争力。

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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

袁鹏（1981-），男，本科学历，毕业于贵州工业大学，车间副主任，研究方向为模具设计与开发。

2016-04-25