虚拟制造技术与模具CAD-CAE-CAM.pdf

锻压技术 2001年 第6期 模具 虚拟制造技术与模具CAD CAE CAM 四川大学 610065 刘强 3 蒋玉明 杨屹 齐慧 摘要 简要介绍了虚拟制造的概念 特点及其核心内容与关键技术 并论述了虚拟制造技术的 研究与应用现状以及在模具工业中应用的可行性 同时对模具CAD CAE CAM在此技术中的应用前 景进行了探讨与展望 关键词 虚拟制造 模具工业 计算机辅助设计 计算机辅助工程分析 计算机辅助制造 Virtual manufacturing technology and die修改稿收到日期 2001206218 一 引言 当今世界 全球制造企业之间的竞争越来越激 烈 随着我国逐步建立社会主义市场经济体制 特 别是加入WTO日益迫近 国内市场将成为国际市场 的一部分 国内制造业要赢得竞争 就要以市场为 中心 以满足顾客需求为主线 以技术创新为驱动 力 快速地响应市场变化 并迅速占领市场 换句 话说 就是要以最短的产品研发周期 Time 最优 的产品质量 Quality 最低廉的制造成本 Cost 及最好的技术支持和售后服务 Service 来生产适 销对路的产品 Product 即 TQCSP 去进入市 场 占领市场 进而领导市场 面对不可预测 瞬 息多变的市场 企业的生产活动必须具有高度的敏 捷性 动态性和柔性 随着计算机软 硬件技术及网络技术的迅速发 展 各种现代先进制造技术 CAMT 应运而生 例 如计算机辅助设计 CAD 计算机辅助工程分析 CAE 计算机辅助制造 CAM 柔性制造 FM 计算机辅助工艺设计 CAPP 产品数据管理 PDM 计算机集成制造 CIM 等 这些技术为实 现这一目标 TQCSP 提供了强有力的支持与保障 但它们还难于完全解决制造行业存在的产品开发及 生产周期较长的问题 无法在开发新产品而投入大 量人力 物力 财力之前就对其开发价值及对所取 得的效益与风险进行行之有效的评估 不能在产品 设计开发的各个阶段把握产品制造过程各个阶段的 实况 不易有效地协调设计和制造各阶段的关系 基于这些难点和问题 20世纪90年代以来产生了 一种用于新产品开发的方法论和生产哲理 虚拟 制造 Virtual Manufacturing VM 其全新的制造体 系和模式已成为现代制造技术与系统发展的必然趋 势 对于模具工业 虚拟制造不仅考虑了产品本身 的集成与建模 而且还考虑了毛坯加工过程的建模 等等 运用这项技术 可以充分发挥各个技术实体 在模具制造中的优势 二 虚拟制造 11 虚拟制造的概念 虚拟制造 VM 是一种新的制造技术 它以仿 真技术 信息技术 虚拟现实技术为支撑 对产品 54 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 设计 工艺规划 加工制造等生产过程进行统一建 模 在产品设计阶段 实时 并行地模拟出产品未 来制造全过程及其对产品设计的影响 使得在产品 设计或制造系统的物理实现之前 就能使人体会或 感受到未来产品的性能或者制造系统的状态 从而 更有效 更经济 更柔性灵活地组织生产 使工厂 和车间的资源得到合理配置 并使新产品一次性开 发成功 以达到产品的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的最高化 以此 可以作出前瞻性的决策来优化实施方案 21 虚拟制造的核心内容和关键技术 虚拟制造的核心内容主要有 虚拟制造的理论 体系 虚拟环境的构建 虚拟设计及虚拟机器 虚 拟作业过程等 目前的重点是根据我国国情 进行 产品的三维虚拟设计 加工过程仿真和装配仿真 研究如何构建可信度高的产品虚拟样机 虚拟制造的关键技术包括适合产品 制造资源 制造环境等的建模技术与工具 面向产品性能分析 评价 制造过程分析评价和生产管理与控制分析评 价等生产活动的仿真技术与工具 综合应用图形用 户界面技术 虚拟现实技术 信息技术 虚拟产品 设计技术 虚拟成形技术等 也就是说计算机仿真 建模和优化技术是实现虚拟制造的核心关键技术 这也是现代模具制造的关键技术之一 31 虚拟制造的特点 虚拟制造中的 虚拟 是相对于实物产品的实 际制造系统而言的 它强调的是制造系统运行过程 的计算机化 虚拟制造是实际制造的抽象 生产出 的是全数字化产品 其主要特点有 1 虚拟制造不是真实的制造 而是在计算机 及网络系统和相关软件系统中进行的制造 其使用 的制造工具不是机床等物质设备 而是计算机及网 络系统和相关软件系统 2 虚拟制造所处理的对象是有关产品和制造 系统的信息和数据 主要是产品和过程建模以及制 造设备的数字化模型 而不是原材料等真实物质 3 虚拟制造的处理结果是全数字化产品 而 不是真实的物质产品 但是它是现实物质产品的一 个数字化模型 即是一个虚拟产品 是现实产品在 虚拟环境下的影射 并具有现实产品所必须具有的 特征和性能 4 企业生产经营活动是基于Internet Intranet 的 整个虚拟制造活动具有高度的并行性 产品设 计 加工过程和装配过程的仿真可以并行完成 5 虚拟制造可以是分布式的 完成虚拟制造 的人员和设备在空间上是能够相互分离的 不同地 点的技术人员可以通过网络来协同完成同一个虚拟 制造过程 41 虚拟制造的分类 一个现实产品从构思到报废一般要经过概念设 计 详细设计 加工制造 测试 市场销售 技术 培训及维护保养等阶段 而虚拟制造则能够应用计 算机进行模拟一个真实产品在整个生命周期内的各 个阶段 因此 从这个角度出发通常把虚拟制造分 为3类 1 以设计为中心的虚拟制造 DVM 以设计为中心的虚拟制造强调以统一制造信息 模型为基础 对数字化产品模型进行仿真与分析 优化 进行产品的结构性能 运动学 动力学 热 力学等分析和可装配性分析 以获得对产品的设计 评估与性能预测结果 2 以制造为中心的虚拟制造 PVM 以制造为中心的虚拟制造是在现有资源约束下 对企业的生产过程进行仿真 对不同的加工过程及 其组合进行优化 使其对产品的 可生产性 进行 分析和评价 对制造资源和环境进行优化组合 通 过提供精确的生产成本信息对生产计划与调度进行 合理化决策 3 以控制为中心的虚拟制造 CVM 以控制为中心的虚拟制造是将仿真技术引入到 控制模型中 提供模拟实际生产过程的虚拟环境 允许评价产品的设计 生产计划和控制策略 使企 业在考虑生产车间行为的基础上对制造过程进行优 化控制 并提供在模拟过程中改进的手段 51 虚拟制造的主要软硬件技术 虚拟制造技术的实现需要计算机软硬件方面的 各项关键技术 在软件方面 主要包括可视化技术 环境构造技术 信息描述技术 集成结构技术 仿 真技术 制造的特征化技术及在VM环境下的人 机 人 人等关于人机工程学方面的评价和优化技 术等 在硬件方面 主要包括各种输入 输出设备 如头盔式立体显示器 三维鼠标 可视化眼镜 数 据手套和数据衣等 与输入 输出设备有关的存储 信息设备 能支持各种设备 数据存储和高速运算 的计算机系统以及各种网络设备 61 虚拟制造技术的研究现状和应用 虚拟制造是一个处于发展中的极具应用潜力的 新技术 许多国家都在进行这方面的研究与应用 64 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 但作为一项高新技术 虚拟制造技术尚未形成完整 的理论体系 还远未达到成熟 目前 在这一领域 美国处于国际研究的前沿 许多大学都在从事虚拟 制造的研究工作 如华盛顿州立大学有一个虚拟现 实和计算机集成制造实验室 密执安大学在进行虚 拟加工机床的研究 爱荷华州大学在进行虚拟车间 的研究等 在我国 清华大学 北京航空航天大学 和哈尔滨工业大学等单位也在陆续开展这一领域的 研究工作 但总体来说仍处于起步阶段 主要还停 留在国外理论的消化与国内环境的结合上 虚拟制造技术在国外生产 销售和管理等领域 已经有了一些成功的应用 例如 美国波音飞机公 司的虚拟飞机设计维护系统 该系统可用头盔式显 示器和数据手套对虚拟飞机进行观察和控制 可以 让设计人员身临其境似地观察飞机设计的结果 并 对其外形 内部结构及实验性能进行考察 美国 John Deere公司开发的虚拟弧焊生产系统 它是用一 个虚拟的3D环境进行机器人生产系统的设计 评 价和测试 日本Matsushita公司1994年开发的虚拟 厨房设备制造系统 它可以允许消费者在购买商品 之前 在此虚拟的厨房环境中体验不同设备的功能 按自己的喜好评价 选择和重组这些设备 他们的 选择被存储 并通过网络送至生产部门进行生产 以达到快速响应用户和市场需求的目的 德国柏林 art com公司在1997年为Mercedes Benz公司开发 的VRF VirtuellesFarhzeug 系统 该系统允许顾客 按照自己的需求 在虚拟环境中对经过充分美术加 工的Mercedes A级汽车的三维模型进行改造并亲身 体验其感受 虚拟制造技术在国外模具工业中也有成功的应 用 如美国的Foundry Service FSC 公司采用虚拟制 造技术对整个工艺生产过程进行仿真 并根据仿真结 果更改设备参数后 成功地完成了生产系统的改造工 程 节约了大量的资金 AUTODIE公司采用虚拟制造 技术后 在8 10个月内完成一种车型的设计与制 造 一年内可以接受5种车型的模具定货 三 模具工业采用虚拟 制造技术的可行性 11 模具工业现状 模具对于一般产品来说属于工具范畴 精度高 结构复杂 并有较高的材质要求 使得模具的设计 与制造相当困难 此外 以模具为工具的成形过程 的封闭性和某些类型的成形理论的不完善 更使得 模具设计与制造带有很强的经验性和盲目性 因此 目前模具设计与制造有如下特点 1 模具造价昂贵 制造过程复杂 它涉及产 品设计 模具设计 电加工 机械加工 表面工程 快速原型制造等方面 稍有不慎 就可能导致严重 后果 势必降低企业的市场竞争能力 2 模具设计与制造过程中需要反复试模修模 才能满足要求 延长了生产周期 增加了生产成本 势必降低企业的市场响应能力 为了更好地解决这些问题 人们除了从理论上 进一步探讨其内在机理外 必然渴望在现有理论的 基础上能够通过一定手段直观地显示产品的成形过 程 这就是所谓的模拟过程 模拟过程起初以实验 为主 在传统的实验设备上进行物理模拟 建立起 各种经验模型 这可视为虚拟制造技术的萌芽 随 着计算机技术和网络通信技术的发展 模拟过程运 用现代的虚拟制造技术 即利用力学 数学 计算 机知识 通过建立数学模型和进行数值模拟与仿真 对设计与制造的结果进行预测 目前 基本上能定 性地反映出产品成形过程 为模具的实际设计与制 造提供了有益的参考 21 模具虚拟制造的技术背景 近年来 随着Internet的高速发展 在全球范围 内 可以构筑一个虚拟环境 极大地拉近了人与人 之间的空间距离 CAD CAE CAM技术 自动控制 技术 网络通信技术 这三者的有机结合为虚拟技 术准备了技术条件并奠定了物质基础 1 CAD CAE CAM技术在模具制造中的应用 CAD技术主要用于产品和过程建模 为模具设 计 工艺分析和制造提供有效的数字化模型 CAE 技术主要是针对不同类型的模具 以相应的理论为 基础 利用数值仿真来模拟产品成形过程 预测产 品质量 以便改善模具的设计方案 CAM技术为数 控加工提供符合一定工艺规程和指令格式的有效的 NC程序 2 自动控制技术在模具制造中的应用 自动控制技术在模具制造中的应用主要体现在 数控加工技术上 它为模具制造提供了新的工艺方 法和加工途径 使得计算机化的制造过程有可能最 终转化为现实 数控机械加工技术 模具制造中常常用到的如 数控车削技术 数控铣削技术等 这些技术一般都 直接利用机械来完成加工的 数控电加工技术 如 74 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 数控电火花加工技术 数控线切割技术等 这些技 术是利用电能来完成加工的 数控特种加工技术 泛指新兴的 应用还不太广的各种数控加工技术 通常利用光能 声能 超声波等来完成加工 如快 速原型制造技术 RPM 3 网络通信技术在模具制造中的应用 计算机网络通信技术根据一定的网络协议和安 全措施 通过局域网实现系统内部通信 通过广域 网达到异地同步通信 实现制造过程中的所有信息交 换 从而打破了技术交流的时空障碍 可望及时地组 织企业内部和企业间最佳的技术力量来解决问题 四 模具CAD CAE CAM在虚拟 制造技术中的应用前景探讨与对策 模具工业是国民经济的基础工业之一 如何不 断提高我国模具制造的技术水平 适应社会主义市 场经济和经济全球化的要求 逐步缩小同欧美发达 国家之间的差距 一直都是摆在广大模具及其相关 工作者面前的严峻课题 随着CAD CAE CAM技术在模具工业应用范围 的不断扩展 特别是模具成形过程计算机数值模拟 技术的日趋成熟 国内模具加工制造已经开始由主 要依赖经验指导的盲目性走向依靠科学分析的自主 性 现在 虚拟制造技术的原理和方法为模具工业 的发展又提供了一个有效的手段和工具 它使模具 行业具有了快速反应性 持续变化适应性 高质量 标准的可选择性和低的费用优势 通过动态地组合 各个技术实体优势 利用CAD CAE CAM集成技术 来对整体项目提供有力的决策和技术支持 以实现 全局优化 最终赢得市场 虚拟制造技术实际是CAD CAE CAM技术的集 成和延伸 因此 模具工业今后推广应用虚拟制造 技术 必须首先对当前正在应用的各种先进设计与 制造技术和方法进行全面 深入的消化吸收和推广 应用 目前 由于各种二维和三维CAD软件 例如 AutoCAD UG CATIA Pro E MDT Solid Edge等 技术发展很快 功能强大且价格易于被国内厂家接 受 所以CAD技术在模具企业中的应用已比较广 泛 CAD技术对模具的尺寸计算 几何造型 尤其 是复杂零件的几何造型 已成为必不可少的工具 CAM技术在模具制造 尤其是在精密模具制造中发 挥了巨大效力 模具型腔的几何数据可直接转化为 刀具运动轨迹 进而生成数控 NC 代码 而CAE 技术 主要是模具充型和凝固过程模拟的技术 在 国内企业的应用还较少 仍处于理论研究和实验应 用阶段 与国外的应用程度相比差距较大 这一方 面是因为国外的模具充型和模拟商业软件价格十分 昂贵 另一方面是由于国内还没有一个适合我国国 情的 功能与国外软件相当的 实用的模具充型和 凝固过程模拟软件 所以 这项工作是目前我国模 具工业发展的当务之急 同时也必须抓紧产品数据 管理 PDM 等软件的开发和应用 加快CAD CAE CAM一体化技术 即共享统一的数据库 在 CAD阶段建立的几何模型 可供CAE CAM阶段使 用 在CAD CAE CAM任一阶段修改模具数据 则所有与该对象相关数据自动更新 这些都将有助 于实现模具生产过程的敏捷化和经济化以及管理和 生产控制的高效化和智能化 虚拟制造技术在模具工业中的应用领域是极其 广泛的 但就目前我国模具工业发展现状来看 虚 拟制造的实施将是一个长期而艰苦的过程 而且计 算机软 硬件技术的发展是实现虚拟制造的前提 因此 对于模具工业企业而言 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 等方面进行进一步的改革 为虚拟制造技术的应用 奠定基础 另外 对于与模具工业有关的科研单位 而言 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 在理论上争取尽快处于国际 先进水平 对于从事计算机软硬件研究的单位而言 应该尽快提高虚拟制造设备的性能价格比 并开发 出适合我国国情的虚拟制造软件 这些都是模具工 业逐步推广和应用虚拟制造技术的必经之路 同时 在政府方面 应充分发挥政府的协调功能 组织企 业和科研部门进行多方面 多层次的合作 加强科 研成果的应用推广 而且应组织多学科 跨地区的 科研力量共同攻关 从宏观上加强对虚拟制造技术 的指导 目前 国内外已有一些较成熟的软件系统 加 之一些现代化的并行通信环境和计算机网络技术 虚拟技术已在某些领域得到了实际的应用 如多媒 体会议系统 远程专家对病人的诊断系统等 经论 证表明虚拟模具制造也是可行的 且将有助于整个 模具制造业找到一个新的应用发展突破点 真正体 现高速 高效 高质的优势 84 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 五 结束语 虚拟制造技术以其对整个产品生命周期全面准 确的仿真和控制能力将成为21世纪制造业发展的必 然趋势 并已在一些行业和领域得到了成功应用 显示出独特的优越性 可以预见 虚拟制造技术的 应用范围将不断扩大 同时 随着我国综合国力的 提高和模具设计与制造工作者的不懈努力 虚拟制 造必将在我国模具工业逐步得到实施和应用 从而 在整体上提高我国模具设计 制造和管理的水平 虚拟制造技术及其支撑技术的发展 必将使得整个 制造业出现第二次生产方式的转变 参考文献 1 魏海燕 1 虚拟制造技术的相关概念及其应用 1 机械工程师 1999 9 1 2 2 柳卓之 李圣怡 1 面向产品生命周期的虚拟制造系统结构 1 机械 工业自动化 1999 21 2 11 13 3 曹岩 袁青珂 刘宁 赵汝嘉 1 虚拟制造的实施研究 1 制造业自动 化 1999 21 6 4 8 4 邵力 钟廷修 1 虚拟制造及其应用 1 上海交通大学学报 1999 33 7 906 911 5 王宏典 张友良 1 虚拟制造技术及其体系结构 1 机械制造 2000 4 20 22 6 幸研 易红 汤文成 仇晓黎 1 敏捷化车间虚拟环境的研究 1 制造 业自动化 2000 22 2 21 24 7 仇晓黎 吴锡英 易红 幸研 1 应用虚拟制造技术 提升车间制造水 平 1 制造业自动 化 2000 22 1 9 12 8 严隽琦 范秀敏 姚健 1 虚拟制造系统的体系机构及其关键技术 1 中国机械工程学会会讯 1998 11 10 14 9 周济 1 虚拟制造技术与机械CAD CAM CAE技术 1 中国机械工程 学会会讯 11998 11 15 10 李发致 周雄辉 卫原平 阮雪榆 1 试论虚拟制造技术在现代模具 制造中的组织模式 1 机械科学与技术 1999 18 3 510 512 上接29页 辅注射成型的流场计算 由此看出 进 行气辅注射成型模拟前处理技术的研究 对于气辅注 射成型CAE精确的计算和预测起到关键性的作用 六 结束语 3D实体流动模拟分析技术具有不需简化模型以 提高预测准确性的优点 但3D的计算量大 计算稳 定性较差 而215D薄壁GHS流动模型以薄壁中面 建模 计算快速及预测结果准确性高 非常适合薄壁 注塑制品的流动模拟分析 因此 由GHS流动模型 所发展的215D流动模拟方法仍为气体辅助注射成型 流动模拟分析的重要方法 其中 抽取注塑制品几何 中性面 得到shell和beam单元模型以及由CAD模型 向CAE模型转换并得到高质量网格划分的气辅CAE 前处理技术是进行气辅注射成型CAE分析和计算的 关键技术 如何提高3D流动模拟技术的可靠性以及计算 效率 并与215D流动模拟分析技术有机的结合 以两 者之长互补其短 是气体辅助注射成型技术研究的发 展方向 参考文献 1 E C Bernhardt Ed Computer Aided Engineering for Injection Molding Hanser 1983 2 T Manzione Ed Applicationsof Computer Aided Engineering in Injection Molding Hanser 1987 3 C L Tucker III Ed Fundamentals of Computer Modeling for Polymer Processing Hanser 1989 4 V W Wang C A Hieber K K Wang Dynamic Simulation and Graphics for the Injection Molding of Three2Dimensional Thin Part J Polym Eng 1986 21 7 1 5 P Kennedy Flow Analysis Reference Manual Moldflow Pty Ltd Hanser 1993 6 J F Hetu D M Gao A Garcia2Rejon GSalloum 3D Finite Element Method for the Simulation of the Filling Stage in Injectio