虛擬制造在汽車覆蓋件模具制造中的應用

1、引言

　　隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，人民生活水平的大幅提高，人們對汽車的需求量越來越大，汽車模具的市場競爭也越來越激烈。“質(zhì)量好”、“精度高”、“價格低”、“交貨期短”等是人們對現(xiàn)代汽車模具的基本要求。但是，汽車模具是一種大型模具，它體積龐大、結(jié)構復雜、尺寸精度和表面粗糙度要求較高，制造相當困難。而且，為了減輕模具的重量采用的底座掏空的薄壁式結(jié)構和為了維修容易中間型面采用的鑲拼結(jié)構，給設計和制造帶來了更大的困難。通常來說，一個汽車覆蓋件零件需要3道或3道以上的工序才能完成，也就是說，生產(chǎn)一個汽車覆蓋件零件至少需要3副或3副以上的模具。如果汽車覆蓋件零件在設計的時候沒有考慮到實際制造情況，那么設計出來的模具在制造的時候可能根本就無法進行加工，或者是制造出來的模具無法生產(chǎn)出預期的產(chǎn)品，從而導致模具的報廢，延長產(chǎn)品的開發(fā)周期，這種經(jīng)濟損失是無法想象的。但是，模具在設計階段是無法預料在制造過程中將出現(xiàn)的困難的。虛擬制造技術是一種軟件技術，是CAD/CAE/CAM/CAPP和仿真技術的更高階段，它能在計算機上實現(xiàn)模具從設計到制造到檢驗的全過程，根據(jù)虛擬模型的仿真過程，可以在計算機上根據(jù)“實際”的加工情況來修改模具的設計，避免了在模具制造過程中可能出現(xiàn)的問題，從而達到縮短模具的開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高生產(chǎn)效率的目的，因而是汽車模具開發(fā)最有潛力最實用最有效的技術之一。

　　2 虛擬制造(VM)

　　虛擬制造(VirtualM anufacturing)又叫擬實制造，是80年代后期美國首先提出來的一種新思想，它是利用信息技術、仿真技術、計算機技術等對現(xiàn)實制造活動中的人、物、信息及制造過程進行全面的仿真，以發(fā)現(xiàn)制造中可能出現(xiàn)的問題，在產(chǎn)品實際生產(chǎn)前就采取預防措施，使得產(chǎn)品一次性制造成功，以達到降低成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，增強企業(yè)競爭力的目的。在虛擬制造中，產(chǎn)品從初始外形設計、生產(chǎn)過程的建模、仿真加工、模型裝配到檢驗整個的生產(chǎn)周期都是在計算機上進行模擬和仿真的，不需要實際生產(chǎn)出產(chǎn)品來檢驗模具設計的合理性，因而可以減少前期設計給后期加工制造帶來的麻煩，更可以避免模具報廢的情況出現(xiàn)，從而達到提高產(chǎn)品開發(fā)的一次成品率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低企業(yè)的制造成本的目的。

　　虛擬制造自從產(chǎn)生以來人們就力圖給它一個統(tǒng)一的定義，但虛擬制造涉及的知識范圍十分廣泛，不同的研究人員，出發(fā)點和側(cè)重點也不同，因而理解也大不相同，導致虛擬制造至今為止仍沒有一個確切的定義。在不同的定義中，我們可以把虛擬制造理解為產(chǎn)品的虛擬設計技術、產(chǎn)品的虛擬制造技術和虛擬制造系統(tǒng)3方面關鍵技術的一個技術綜合。

　　2.1 產(chǎn)品的虛擬設計技術(VDT)

　　產(chǎn)品的虛擬設計技術(VirtualD esignT echnology)是面向數(shù)字化產(chǎn)品模型的原理、結(jié)構和性能在計算機上對產(chǎn)品進行設計，仿真多種制造方案，分析產(chǎn)品的結(jié)構性能和可裝配性，以獲得產(chǎn)品的設計評估和性能預測結(jié)果，從而優(yōu)化產(chǎn)品設計和工藝設計，減少制造過程中可能出現(xiàn)的問題，以到達降低成本、縮短生產(chǎn)周期的目的。

　　2.2 產(chǎn)品的虛擬制造技術(VMT)

　　產(chǎn)品的虛擬制造技術(VirtualM anufacturingTechnology)是利用計算機仿真技術，根據(jù)企業(yè)現(xiàn)有的資源、環(huán)境、生產(chǎn)能力等對零件的加工方法、工序順序、工裝及工藝參數(shù)進行選用，在計算機上建立虛擬模型，進行加工工藝性、裝配工藝性、配合件之間的配合性、連接件之間的連接性、運動構件之間的運動性等的仿真分析。通過分析，可以提前發(fā)現(xiàn)加工中的缺陷及裝配時出現(xiàn)的問題，從而對制造工藝過程進行相應修改，直到整個制造過程完全合理，來達到優(yōu)化的目的。產(chǎn)品的虛擬制造技術主要包括材料熱加工工藝模擬、裝配工藝模擬、板材成形模擬、加工過程仿真、模具制造仿真、產(chǎn)品試模仿真等。

　　2.3 虛擬制造系統(tǒng)(VMS)

　　虛擬制造系統(tǒng)(VirtualM anufacturingS ystem)是將仿真技術引入到數(shù)控模型中，提供模擬實際生產(chǎn)過程的虛擬環(huán)境，即將機器控制模型用于仿真，使企業(yè)在考慮車間控制行為的基礎上對制造過程進行優(yōu)化控制，其目標是實際生產(chǎn)中的過程優(yōu)化，更優(yōu)的配置制造系統(tǒng)隨著 網(wǎng) 絡 時代的來臨虛擬制造技術得到了快速的發(fā)展，研究的領域也越來越寬，除了虛擬制造領域本身包含的虛擬制造的理論體系、設計信息和生產(chǎn)過程的三維可視化、虛擬環(huán)境下系統(tǒng)全局最優(yōu)決策理論和技術、虛擬制造系統(tǒng)的開放式體系結(jié)構、虛擬產(chǎn)品的裝配仿真、虛擬環(huán)境中及虛擬制造過程中的人機協(xié)同作業(yè)等內(nèi)容外，現(xiàn)階段專家們正投人大量的時間精力研究虛擬制造技術集成系統(tǒng)和相關的軟件開發(fā)。美國華盛頓州立大學在PTC的Pro/enginee:等CAD/CAM系統(tǒng)上開發(fā)了面向設計與制造的虛擬環(huán)境VEDAM系統(tǒng)，它包括加工設備建模環(huán)境、虛擬設計環(huán)境、虛擬制造環(huán)境和虛擬裝配環(huán)境。新加坡國立大學Lee和Noh等人利用因特網(wǎng)、專家系統(tǒng)開發(fā)工具、HTML/VRML和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)了一個作為工程和生產(chǎn)活動實驗臺的虛擬制造原型系統(tǒng)。國外軟件公司在巨大應用需求的推動下，也先后推出了Deneb, Multigen, dVISE, World-ToolKit, EA1等一批支持虛擬制造的軟件。虛擬制造技術是一個多學科多技術的綜合，它的相關技術支持包括仿真技術、建模技術、計算機圖形學、可視化技術、多媒體技術、虛擬現(xiàn)實技術等，把這些技術很好的集成起來應用是目前研究的重點。

　　3 虛擬制造在汽車覆蓋件模具中的應用

　　汽車覆蓋件模具的開發(fā)要受到可靠性、美觀性、經(jīng)濟性、可制造性及可維護性等多方面的制約。在傳統(tǒng)的汽車覆蓋件模具開發(fā)過程中，當模具設計及制造完成后，需要經(jīng)過反復的調(diào)試修改，才能得到滿意的汽車零件。在調(diào)試過程中，一些成形缺陷，如破裂、起皺、回彈、翹角等問題，主要是憑借模具鉗工師的經(jīng)驗，通過試模、修模、再試模、再修模的循環(huán)過程才能解決。這種方法不但降低了生產(chǎn)效率，而且生產(chǎn)出的模具精度往往達不到預期的要求，還會加長模具的開發(fā)周期。而虛擬制造技術可以大大縮短這一周期。因為在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下，設計和制造汽車不需要建造實體模型，工程師可以利用虛擬的“自然”環(huán)境的可視化優(yōu)勢，把汽車模具的結(jié)構分析、虛擬設計、部件裝配和性能優(yōu)化等融合在計算機虛擬制造系統(tǒng)中進行，在綜合考慮汽車車身件的外觀總體布局及零部件之間的相互銜接相互作用等因數(shù)基礎上，對模具幾何尺寸、技術性能、生產(chǎn)和制造等方面進行交互式的快速建模和仿真分析，從而避免了反復修模，保證了模具的精度要求;而且因為生成的仿真模型可被直接操縱與修改，數(shù)據(jù)可以反復利用，因而大大縮短了模具開發(fā)的周期Cs-i21虛擬 制 造 技術與快速成形技術、反向設計、逆向工程、基于知識的工程設計等技術相比具有非常好的優(yōu)勢。因為虛擬制造技術具有獨特的虛擬設計制造環(huán)境，可以讓模具整個開發(fā)過程完全在虛擬的“實際”環(huán)境中進行，在達到預期的性能質(zhì)量等方面的要求后才開始進行實物制造，從而使制造出的模具一次性的滿足用戶需求，大大降低了模具的廢品率，減少企業(yè)的開發(fā)成本。

　　3.1 汽車覆蓋件模具虛擬制造的開發(fā)流程

　　汽車覆蓋件模具的虛擬制造開發(fā)流程如圖1所示，首先從產(chǎn)品需求分析開始，然后進行概念設計，再從優(yōu)化設計到系統(tǒng)集成，通過使用相關開發(fā)軟件，在虛擬環(huán)境中，構造產(chǎn)品的虛擬模型。這是一個循環(huán)漸進的過程，基于產(chǎn)品的開發(fā)需求，采用相應的仿真分析工具對虛擬模型的功能和性能進行仿真分析，對虛擬模型的行為進行模擬分析，并基于仿真分析的結(jié)果，通過反復建模~仿真分析~模型的改進，直到虛擬制造出的模具滿足預期設計的目標，才開始進行實物制造F1s7。由圖1可知，汽車覆蓋件模具在投人生產(chǎn)前就已經(jīng)通過了虛擬的“實際環(huán)境”的檢驗，把實際制造中可能遇到的困難和設計上的不合理全部檢驗出來，再讓設計工作人員進行修改或者重新設計，直到整個制造過程能夠完全合理、順利的完成。這樣不但能縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低企業(yè)的研發(fā)成本，還可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

        3.2 汽車覆蓋件模具虛擬制造中的關鍵技術

　　在汽車覆蓋件模具虛擬制造過程中，涉及的相關技術非常多，任何一項技術應用的好壞都會影響模具的最后質(zhì)量，這也是虛擬制造技術應用進展緩慢的原因之一。只有每項技術都掌握應用的很好，虛擬制造出的產(chǎn)品才能和實際制造出的產(chǎn)品達成一致，才能達到減少開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期、提高模具質(zhì)量的目的。其中比較難于掌握而又非常關鍵的技術:

　　(1) 數(shù) 學 模型的建立建立一個簡單而又能反映動態(tài)制造過程的數(shù)學模型是虛擬制造技術在汽車覆蓋件模具中應用的關鍵。數(shù)學模型建立的不合理，那么虛擬環(huán)境下仿真出來的制造過程就會與實際制造過程不一樣，起不到優(yōu)化模具設計的作用，從而達不到縮短開發(fā)周期和減少開發(fā)費用的目的。因此，在使用虛擬制造技術來開發(fā)汽車覆蓋件模具的時候，必須建立一套合理的數(shù)學模型。在建立數(shù)學模型的時候，要認真分析汽車覆蓋件模具的特征，根據(jù)模具功能和制造需求，找出其中主要的影響因數(shù)，提出合理的假設。建立的模型必須能反映模具全部的功能和制造關系，包括工作時模具型面受力的變化關系和沖壓件受力形狀的變化關系等，這樣才能仿真出實際的生產(chǎn)關系，才能預測生產(chǎn)中可能產(chǎn)生的問題，達到優(yōu)化設計和制造的目的。

　　(2) 系 統(tǒng) 集成與方案評估是汽車模具虛擬制造中前期工作的基礎。系統(tǒng)集成就是一個最優(yōu)化的綜合統(tǒng)籌設計，需要諸多的技術支持，包括計算機軟件、硬件、操作系統(tǒng)技術、數(shù)據(jù)庫技術、網(wǎng)絡信息等，需要從全局出發(fā)考慮各子系統(tǒng)之間的關系，研究各子系統(tǒng)之間的接口關系。系統(tǒng)集成所要達到的目標— 整體性能最優(yōu)，即所有部件和成分合在一起后不但能工作，而且全系統(tǒng)是低成本的、高效率的、性能勻稱的、可擴充和可維護的系統(tǒng)。但是對于一般企業(yè)來說，購置齊全仿真分析的軟件系統(tǒng)是一個高成本的投人，而且，沒有專業(yè)的人員是無法讓這些軟件發(fā)揮淋漓盡致的作用的。

　　在計算機虛擬制造系統(tǒng)提供的良好的擬實環(huán)境下，工作人員可以對建立起的虛擬模型進行評價與修改。在這個階段，可以模擬模具的制造過程，解決各部件制造的可行性和難易性;可以模擬模具的裝配過程，解決各部件之間的連接性和裝備性及操作的難易程度;可以進行虛擬測試，通過測試檢驗模具的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)質(zhì)量。在多種方案中評定各方案的執(zhí)行難易度、耗費成本高低度、花費時間長短度等，選擇最適合生產(chǎn)條件的最優(yōu)生產(chǎn)方案。

　　(3)并行工程實質(zhì)就是集成地、并行地設計產(chǎn)品及其零部件和相關各種過程的一種系統(tǒng)方法。這種方法要求產(chǎn)品開發(fā)人員與其他人員一起共同工作，在設計一開始就考慮產(chǎn)品整個生命周期中從概念形成到產(chǎn)品報廢處理的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進度計劃和用戶的要求等。并行工程強調(diào)的是所有工作人員的所有工作同時進行，強調(diào)的是團隊工作精神，因而工作鏈上的每一個人都有權利對設計的產(chǎn)品進行審查，力求讓設計的產(chǎn)品更便于加工、便于裝配、便于維修，制造成本更低，制造周期更短。汽車模具的虛擬制造工程在進行初期也必須從汽車模具的總體結(jié)構和功能出發(fā)，考慮構成虛擬模型各部分之間的相互連接關系和相互作用關系，將他們看作一個有機的整體，實現(xiàn)內(nèi)部數(shù)據(jù)和資源的共享，才能使生產(chǎn)出的模具達到預期的效果。汽車模具虛擬制造過程中，每個部分的工作均由不同的工作人員并行進行，但各部分的功能活動又存在著大量的相互依賴關系，要保證各部分工作人員間的工作協(xié)同順利的進行，實現(xiàn)在分布環(huán)境中群體活動的信息交換與共享，就必須對設計過程進行動態(tài)調(diào)整和監(jiān)控，提供并行設計的工作環(huán)境，保證并行設計的順利進行，這是虛擬制造模具縮短開發(fā)周期的關鍵。并行工程實施的條件就是要有支持各方面人員并行工作、甚至異地工作的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)和監(jiān)控調(diào)解人員，才可以實時、在線地在各個設計人員之間溝通信息、發(fā)現(xiàn)并調(diào)解沖突。一個適當?shù)墓芾碚{(diào)解人員是并行工程中的重要軟件，也是并行工程能否順利進行的關鍵。

　　(4)仿真分析與數(shù)據(jù)處理是汽車模具虛擬制造中一個難點，也是阻礙虛擬制造技術在企業(yè)中大規(guī)模使用的一個重要因素。仿真分析需要多方面的技術支持，數(shù)據(jù)處理需要龐大的數(shù)據(jù)庫和有專業(yè)知識的人才，需要從全局出發(fā)考慮各個子系統(tǒng)之間的關系，研究各個子系統(tǒng)之間的接口問題。這一技術需要多領域的專業(yè)仿真軟件協(xié)同工作，需要專業(yè)人員共同研究探討，然而多數(shù)的企業(yè)難以配置齊全所需的仿真分析軟件及具備所需的專業(yè)人員。

　　日本豐田汽車公司利用虛擬制造技術成功開發(fā)出了新車型豐田AVALON。因為在生產(chǎn)前期就能預測生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問題，使得工作人員較早的發(fā)現(xiàn)并解決問題，在設計早期階段得到更多的信息，從而降低企業(yè)的開發(fā)風險。豐田AVALON在整個開發(fā)過程中，開發(fā)周期減少了10個月，開發(fā)人員減少了20%，生產(chǎn)樣車減少70%，開發(fā)成本減少了35%;而且生產(chǎn)出的轎車質(zhì)量有了顯著的提高。由此可見，虛擬制造技術不但能縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，減少企業(yè)的開發(fā)成本，而且可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和一次研發(fā)成功率。

　　4 虛擬制造目前的發(fā)展狀況

　　虛擬制造從提出到現(xiàn)在已歷經(jīng)了20多年，技術上得到了很大的發(fā)展，應用方面也得到了廣泛的擴展。在國外，有很多學校、研究所、科研單位、大型企業(yè)等都在不斷的研究和應用虛擬制造技術。近年來，虛擬現(xiàn)實技術已較多地應用到汽車開發(fā)工作中，已初步形成一種集專業(yè)理論、工程設計、科學試驗等為一身的較為完整的應用體系。例如，1995年美國標準與技術研究所的報告“國家先進制造實驗臺的概念設計計劃”，強調(diào)了分散的、多節(jié)點的分散虛擬制造(DVM)，即虛擬企業(yè)的概念;而美國國家研究委員會的報告“制造中的信息技術”，則探討了產(chǎn)品集成、過程設計、車間控制、虛擬工廠等的信息技術問題。福特汽車公司也已經(jīng)計劃應用虛擬環(huán)境技術來設計和開發(fā)汽車，該公司的先進車輛技術組把虛擬制造技術應用于裝配仿真和虛擬成形，以提高空氣動力學、人機工程學和表面建模的效果。

　　世界最大的挖土機和建筑設備制造企業(yè)Caterpillar Inc將虛擬設計技術用于評價新樣車的內(nèi)部可視性;該公司還打算用該技術讓客戶對新產(chǎn)品進行“實際試車”。日本在進行虛擬制造系統(tǒng)的建模和仿真技術以及虛擬工廠的構造環(huán)境方面也展開了大量的研究，幾個大型的汽車公司如三菱、豐田、本田等都在應用虛擬制造方面取得了較大的成果。近年，法國雷諾汽車公司應用的全息技術的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，具有很好的可視化水平，把虛擬技術在汽車模具中的應用推向了一個新的臺階。

　　我國在虛擬制造方面的技術研究和實際應用正處于初級階段，在虛擬制造理論方面的知識還不成熟，把這項技術應用于汽車模具的開發(fā)和制造方面還較少。一些高校聯(lián)合研究所和企業(yè)在虛擬制造理論方面進行了大量的研究，也開發(fā)出了許多適合我國企業(yè)的技術。如同濟大學與香港理工大學聯(lián)合機械科學研究院研究的分散網(wǎng)絡化制造、異地設計與制造等技術已經(jīng)取得了不少進展;武漢理工大學智能設計與制造研究所與上海振華港機股份有限公司合作，已開發(fā)出“集裝箱裝卸橋計算機輔助設計和仿真系統(tǒng)”;清華大學在虛擬設計環(huán)境軟件、虛擬現(xiàn)實、虛擬機床、虛擬汽車訓練系統(tǒng)等方面的研究也取得了很大的進展。但是由于受到CAD/CAM/CAE/CAPP等基礎軟件、仿真軟件、建模技術的制約，我國虛擬制造技術的研究多為虛擬制造的一些單元技術，研究的內(nèi)容基本上為虛擬產(chǎn)品的裝配、虛擬塑性成形、機床總體方案設計、虛擬測試、虛擬板材成形、虛擬數(shù)控加工以及虛擬企業(yè)等。

　　虛擬制造技術是一個具有生命力的技術。國外對虛擬技術的研究已經(jīng)達到了能將其很好的用于實際生產(chǎn)的水平，而我國暫時還沒有開發(fā)出支持虛擬制造技術的軟件產(chǎn)品，對引進的國外的商業(yè)軟件也沒有完全的理解和吸收，不能很好的將之用到實際生產(chǎn)中。與國外研究相比，我國的研究多數(shù)停留在系統(tǒng)框架和總體技術上，實質(zhì)性的面向應用的關鍵技術還有待進一步提高。

　　5 結(jié)論

　　汽車模具在整個汽車工業(yè)中占了相當重要的地位，而汽車工業(yè)在整個制造業(yè)中又占了相當重要的地位。過去一個汽車從最初構想到完成生產(chǎn)，需要兩三年甚至更多的時間;而在計算機業(yè)高度發(fā)達的今天，在CAD/CAM/CAE技術日漸成熟的基礎上，利用虛擬制造技術可以大大縮短汽車的開發(fā)周期，還可以降低企業(yè)的開發(fā)成本。虛擬制造技術在汽車模具制造中具有很好的應用前景，但是在我國，由于受到多方面的約束，虛擬技術用在汽車模具中的還比較少，大多數(shù)研究還只是處在理論方面;在以后的研究中，我們應在實際應用這方面多作研究，把虛擬制造技術和其他數(shù)字技術集合起來，利用計算機和因特網(wǎng)，把虛擬制造技術的優(yōu)勢更好的應用起來。