虚拟制造在汽车覆盖件模具制造中的应用

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虚拟制造在汽车覆盖件模具制造中的应用




摘要：虚拟制造自从产生以来人们就力图给它一个统一的定义，但虚拟制造涉及的知识范围十分广泛，不同的研究人员，出发点和侧重点也不同，因而理解也大不相同，导致虚拟制造至今为止仍没有一个确切的定义。
    
     1 前言
　　随着国民经济的高速发展，人民生活水平的大幅提高，人们对汽车的需求量越来越大，汽车模具的市场竞争也越来越激烈。“质量好”、“精度高”、“价格低”、“交货期短”等是人们对现代汽车模具的基本要求。但是，汽车模具是一种大型模具，它体积庞大、结构复杂、尺寸精度和表面粗糙度要求较高，制造相当困难。而且，为了减轻模具的重量采用的底座掏空的薄壁式结构和为了维修容易中间型面采用的镶拼结构，给设计和制造带来了更大的困难。通常来说，一个汽车覆盖件零件需要3道或3道以上的工序才能完成，也就是说，生产一个汽车覆盖件零件至少需要3副或3副以上的模具。如果汽车覆盖件零件在设计的时候没有考虑到实际制造情况，那么设计出来的模具在制造的时候可能根本就无法进行加工，或者是制造出来的模具无法生产出预期的产品，从而导致模具的报废，延长产品的开发周期，这种经济损失是无法想象的。但是，模具在设计阶段是无法预料在制造过程中将出现的困难的。虚拟制造技术是一种软件技术，是CAD/CAE/CAM/CAPP和仿真技术的更高阶段，它能在计算机上实现模具从设计到制造到检验的全过程，根据虚拟模型的仿真过程，可以在计算机上根据“实际”的加工情况来修改模具的设计，避免了在模具制造过程中可能出现的问题，从而达到缩短模具的开发周期、降低开发成本、提高生产效率的目的，因而是汽车模具开发最有潜力最实用最有效的技术之一。
　2 虚拟制造(VM)




　　虚拟制造(VirtualM anufacturing)又叫拟实制造，是80年代后期美国首先提出来的一种新思想，它是利用信息技术、仿真技术、计算机技术等对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题，在产品实际生产前就采取预防措施，使得产品一次性制造成功，以达到降低成本、缩短产品开发周期，增强企业竞争力的目的。在虚拟制造中，产品从初始外形设计、生产过程的建模、仿真加工、模型装配到检验整个的生产周期都是在计算机上进行模拟和仿真的，不需要实际生产出产品来检验模具设计的合理性，因而可以减少前期设计给后期加工制造带来的麻烦，更可以避免模具报废的情况出现，从而达到提高产品开发的一次成品率，缩短产品开发周期，降低企业的制造成本的目的。




　　虚拟制造自从产生以来人们就力图给它一个统一的定义，但虚拟制造涉及的知识范围十分广泛，不同的研究人员，出发点和侧重点也不同，因而理解也大不相同，导致虚拟制造至今为止仍没有一个确切的定义。在不同的定义中，我们可以把虚拟制造理解为产品的虚拟设计技术、产品的虚拟制造技术和虚拟制造系统3方面关键技术的一个技术综合。




　2.1 产品的虚拟设计技术(VDT)




　　产品的虚拟设计技术(VirtualD esignT echnology)是面向数字化产品模型的原理、结构和性能在计算机上对产品进行设计，仿真多种制造方案，分析产品的结构性能和可装配性，以获得产品的设计评估和性能预测结果，从而优化产品设计和工艺设计，减少制造过程中可能出现的问题，以到达降低成本、缩短生产周期的目的。




　　2.2 产品的虚拟制造技术(VMT)




　　产品的虚拟制造技术(VirtualM anufacturingTechnology)是利用计算机仿真技术，根据企业现有的资源、环境、生产能力等对零件的加工方法、工序顺序、工装及工艺参数进行选用，在计算机上建立虚拟模型，进行加工工艺性、装配工艺性、配合件之间的配合性、连接件之间的连接性、运动构件之间的运动性等的仿真分析。通过分析，可以提前发现加工中的缺陷及装配时出现的问题，从而对制造工艺过程进行相应修改，直到整个制造过程完全合理，来达到优化的目的。产品的虚拟制造技术主要包括材料热加工工艺模拟、装配工艺模拟、板材成形模拟、加工过程仿真、模具制造仿真、产品试模仿真等。




　　2.3 虚拟制造系统(VMS)




　　虚拟制造系统(VirtualM anufacturingS ystem)是将仿真技术引入到数控模型中，提供模拟实际生产过程的虚拟环境，即将机器控制模型用于仿真，使企业在考虑车间控制行为的基础上对制造过程进行优化控制，其目标是实际生产中的过程优化，更优的配置制造系统随着 网 络 时代的来临虚拟制造技术得到了快速的发展，研究的领域也越来越宽，除了虚拟制造领域本身包含的虚拟制造的理论体系、设计信息和生产过程的三维可视化、虚拟环境下系统全局最优决策理论和技术、虚拟制造系统的开放式体系结构、虚拟产品的装配仿真、虚拟环境中及虚拟制造过程中的人机协同作业等内容外，现阶段专家们正投人大量的时间精力研究虚拟制造技术集成系统和相关的软件开发。美国华盛顿州立大学在PTC的Pro/enginee:等CAD/CAM系统上开发了面向设计与制造的虚拟环境VEDAM系统，它包括加工设备建模环境、虚拟设计环境、虚拟制造环境和虚拟装配环境。新加坡国立大学Lee和Noh等人利用因特网、专家系统开发工具、HTML/VRML和数据库系统开发了一个作为工程和生产活动实验台的虚拟制造原型系统。国外软件公司在巨大应用需求的推动下，也先后推出了Deneb, Multigen, dVISE, World-ToolKit, EA1等一批支持虚拟制造的软件。虚拟制造技术是一个多学科多技术的综合，它的相关技术支持包括仿真技术、建模技术、计算机图形学、可视化技术、多媒体技术、虚拟现实技术等，把这些技术很好的集成起来应用是目前研究的重点。
3 虚拟制造在汽车覆盖件模具中的应用




　　汽车覆盖件模具的开发要受到可靠性、美观性、经济性、可制造性及可维护性等多方面的制约。在传统的汽车覆盖件模具开发过程中，当模具设计及制造完成后，需要经过反复的调试修改，才能得到满意的汽车零件。在调试过程中，一些成形缺陷，如破裂、起皱、回弹、翘角等问题，主要是凭借模具钳工师的经验，通过试模、修模、再试模、再修模的循环过程才能解决。这种方法不但降低了生产效率，而且生产出的模具精度往往达不到预期的要求，还会加长模具的开发周期。而虚拟制造技术可以大大缩短这一周期。因为在虚拟现实环境下，设计和制造汽车不需要建造实体模型，工程师可以利用虚拟的“自然”环境的可视化优势，把汽车模具的结构分析、虚拟设计、部件装配和性能优化等融合在计算机虚拟制造系统中进行，在综合考虑汽车车身件的外观总体布局及零部件之间的相互衔接相互作用等因数基础上，对模具几何尺寸、技术性能、生产和制造等方面进行交互式的快速建模和仿真分析，从而避免了反复修模，保证了模具的精度要求;而且因为生成的仿真模型可被直接操纵与修改，数据可以反复利用，因而大大缩短了模具开发的周期Cs-i21虚拟 制 造 技术与快速成形技术、反向设计、逆向工程、基于知识的工程设计等技术相比具有非常好的优势。因为虚拟制造技术具有独特的虚拟设计制造环境，可以让模具整个开发过程完全在虚拟的“实际”环境中进行，在达到预期的性能质量等方面的要求后才开始进行实物制造，从而使制造出的模具一次性的满足用户需求，大大降低了模具的废品率，减少企业的开发成本。

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　　　3.1 汽车覆盖件模具虚拟制造的开发流程

　　汽车覆盖件模具的虚拟制造开发流程如图1所示，首先从产品需求分析开始，然后进行概念设计，再从优化设计到系统集成，通过使用相关开发软件，在虚拟环境中，构造产品的虚拟模型。这是一个循环渐进的过程，基于产品的开发需求，采用相应的仿真分析工具对虚拟模型的功能和性能进行仿真分析，对虚拟模型的行为进行模拟分析，并基于仿真分析的结果，通过反复建模~仿真分析~模型的改进，直到虚拟制造出的模具满足预期设计的目标，才开始进行实物制造F1s7。由图1可知，汽车覆盖件模具在投人生产前就已经通过了虚拟的“实际环境”的检验，把实际制造中可能遇到的困难和设计上的不合理全部检验出来，再让设计工作人员进行修改或者重新设计，直到整个制造过程能够完全合理、顺利的完成。这样不但能缩短产品的研发周期，降低企业的研发成本，还可以提高产品的质量。

3.2 汽车覆盖件模具虚拟制造中的关键技术


　　在汽车覆盖件模具虚拟制造过程中，涉及的相关技术非常多，任何一项技术应用的好坏都会影响模具的最后质量，这也是虚拟制造技术应用进展缓慢的原因之一。只有每项技术都掌握应用的很好，虚拟制造出的产品才能和实际制造出的产品达成一致，才能达到减少开发成本、缩短开发周期、提高模具质量的目的。其中比较难于掌握而又非常关键的技术:

　　(1) 数 学 模型的建立建立一个简单而又能反映动态制造过程的数学模型是虚拟制造技术在汽车覆盖件模具中应用的关键。数学模型建立的不合理，那么虚拟环境下仿真出来的制造过程就会与实际制造过程不一样，起不到优化模具设计的作用，从而达不到缩短开发周期和减少开发费用的目的。因此，在使用虚拟制造技术来开发汽车覆盖件模具的时候，必须建立一套合理的数学模型。在建立数学模型的时候，要认真分析汽车覆盖件模具的特征，根据模具功能和制造需求，找出其中主要的影响因数，提出合理的假设。建立的模型必须能反映模具全部的功能和制造关系，包括工作时模具型面受力的变化关系和冲压件受力形状的变化关系等，这样才能仿真出实际的生产关系，才能预测生产中可能产生的问题，达到优化设计和制造的目的。

　　(2) 系 统 集成与方案评估是汽车模具虚拟制造中前期工作的基础。系统集成就是一个最优化的综合统筹设计，需要诸多的技术支持，包括计算机软件、硬件、操作系统技术、数据库技术、网络信息等，需要从全局出发考虑各子系统之间的关系，研究各子系统之间的接口关系。系统集成所要达到的目标— 整体性能最优，即所有部件和成分合在一起后不但能工作，而且全系统是低成本的、高效率的、性能匀称的、可扩充和可维护的系统。但是对于一般企业来说，购置齐全仿真分析的软件系统是一个高成本的投人，而且，没有专业的人员是无法让这些软件发挥淋漓尽致的作用的。

　　在计算机虚拟制造系统提供的良好的拟实环境下，工作人员可以对建立起的虚拟模型进行评价与修改。在这个阶段，可以模拟模具的制造过程，解决各部件制造的可行性和难易性;可以模拟模具的装配过程，解决各部件之间的连接性和装备性及操作的难易程度;可以进行虚拟测试，通过测试检验模具的生产能力和生产质量。在多种方案中评定各方案的执行难易度、耗费成本高低度、花费时间长短度等，选择最适合生产条件的最优生产方案。
(3)并行工程实质就是集成地、并行地设计产品及其零部件和相关各种过程的一种系统方法。这种方法要求产品开发人员与其他人员一起共同工作，在设计一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户的要求等。并行工程强调的是所有工作人员的所有工作同时进行，强调的是团队工作精神，因而工作链上的每一个人都有权利对设计的产品进行审查，力求让设计的产品更便于加工、便于装配、便于维修，制造成本更低，制造周期更短。汽车模具的虚拟制造工程在进行初期也必须从汽车模具的总体结构和功能出发，考虑构成虚拟模型各部分之间的相互连接关系和相互作用关系，将他们看作一个有机的整体，实现内部数据和资源的共享，才能使生产出的模具达到预期的效果。汽车模具虚拟制造过程中，每个部分的工作均由不同的工作人员并行进行，但各部分的功能活动又存在着大量的相互依赖关系，要保证各部分工作人员间的工作协同顺利的进行，实现在分布环境中群体活动的信息交换与共享，就必须对设计过程进行动态调整和监控，提供并行设计的工作环境，保证并行设计的顺利进行，这是虚拟制造模具缩短开发周期的关键。并行工程实施的条件就是要有支持各方面人员并行工作、甚至异地工作的计算机网络系统和监控调解人员，才可以实时、在线地在各个设计人员之间沟通信息、发现并调解冲突。一个适当的管理调解人员是并行工程中的重要软件，也是并行工程能否顺利进行的关键。

　　(4)仿真分析与数据处理是汽车模具虚拟制造中一个难点，也是阻碍虚拟制造技术在企业中大规模使用的一个重要因素。仿真分析需要多方面的技术支持，数据处理需要庞大的数据库和有专业知识的人才，需要从全局出发考虑各个子系统之间的关系，研究各个子系统之间的接口问题。这一技术需要多领域的专业仿真软件协同工作，需要专业人员共同研究探讨，然而多数的企业难以配置齐全所需的仿真分析软件及具备所需的专业人员。

　　日本丰田汽车公司利用虚拟制造技术成功开发出了新车型丰田AVALON。因为在生产前期就能预测生产中可能出现的问题，使得工作人员较早的发现并解决问题，在设计早期阶段得到更多的信息，从而降低企业的开发风险。丰田AVALON在整个开发过程中，开发周期减少了10个月，开发人员减少了20%，生产样车减少70%，开发成本减少了35%;而且生产出的轿车质量有了显著的提高。由此可见，虚拟制造技术不但能缩短产品的开发周期，减少企业的开发成本，而且可以提高产品的质量和一次研发成功率。

　　4 虚拟制造目前的发展状况
虚拟制造从提出到现在已历经了20多年，技术上得到了很大的发展，应用方面也得到了广泛的扩展。在国外，有很多学校、研究所、科研单位、大型企业等都在不断的研究和应用虚拟制造技术。近年来，虚拟现实技术已较多地应用到汽车开发工作中，已初步形成一种集专业理论、工程设计、科学试验等为一身的较为完整的应用体系。例如，1995年美国标准与技术研究所的报告“国家先进制造实验台的概念设计计划”，强调了分散的、多节点的分散虚拟制造(DVM)，即虚拟企业的概念;而美国国家研究委员会的报告“制造中的信息技术”，则探讨了产品集成、过程设计、车间控制、虚拟工厂等的信息技术问题。福特汽车公司也已经计划应用虚拟环境技术来设计和开发汽车，该公司的先进车辆技术组把虚拟制造技术应用于装配仿真和虚拟成形，以提高空气动力学、人机工程学和表面建模的效果。

　　世界最大的挖土机和建筑设备制造企业Caterpillar Inc将虚拟设计技术用于评价新样车的内部可视性;该公司还打算用该技术让客户对新产品进行“实际试车”。日本在进行虚拟制造系统的建模和仿真技术以及虚拟工厂的构造环境方面也展开了大量的研究，几个大型的汽车公司如三菱、丰田、本田等都在应用虚拟制造方面取得了较大的成果。近年，法国雷诺汽车公司应用的全息技术的虚拟现实系统，具有很好的可视化水平，把虚拟技术在汽车模具中的应用推向了一个新的台阶。

　　我国在虚拟制造方面的技术研究和实际应用正处于初级阶段，在虚拟制造理论方面的知识还不成熟，把这项技术应用于汽车模具的开发和制造方面还较少。一些高校联合研究所和企业在虚拟制造理论方面进行了大量的研究，也开发出了许多适合我国企业的技术。如同济大学与香港理工大学联合机械科学研究院研究的分散网络化制造、异地设计与制造等技术已经取得了不少进展;武汉理工大学智能设计与制造研究所与上海振华港机股份有限公司合作，已开发出“集装箱装卸桥计算机辅助设计和仿真系统”;清华大学在虚拟设计环境软件、虚拟现实、虚拟机床、虚拟汽车训练系统等方面的研究也取得了很大的进展。但是由于受到CAD/CAM/CAE/CAPP等基础软件、仿真软件、建模技术的制约，我国虚拟制造技术的研究多为虚拟制造的一些单元技术，研究的内容基本上为虚拟产品的装配、虚拟塑性成形、机床总体方案设计、虚拟测试、虚拟板材成形、虚拟数控加工以及虚拟企业等。

　　虚拟制造技术是一个具有生命力的技术。国外对虚拟技术的研究已经达到了能将其很好的用于实际生产的水平，而我国暂时还没有开发出支持虚拟制造技术的软件产品，对引进的国外的商业软件也没有完全的理解和吸收，不能很好的将之用到实际生产中。与国外研究相比，我国的研究多数停留在系统框架和总体技术上，实质性的面向应用的关键技术还有待进一步提高。

　　5 结论
汽车模具在整个汽车工业中占了相当重要的地位，而汽车工业在整个制造业中又占了相当重要的地位。过去一个汽车从最初构想到完成生产，需要两三年甚至更多的时间;而在计算机业高度发达的今天，在CAD/CAM/CAE技术日渐成熟的基础上，利用虚拟制造技术可以大大缩短汽车的开发周期，还可以降低企业的开发成本。虚拟制造技术在汽车模具制造中具有很好的应用前景，但是在我国，由于受到多方面的约束，虚拟技术用在汽车模具中的还比较少，大多数研究还只是处在理论方面;在以后的研究中，我们应在实际应用这方面多作研究，把虚拟制造技术和其他数字技术集合起来，利用计算机和因特网，把虚拟制造技术的优势更好的应用起来。