虚拟模具制造技术的研究与探讨

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虚拟模具制造技术的研究与探讨
0．引言

进入20世纪90年代，世界制造业竞争不断加剧，使得当前制造业面临着极大的挑战。这一挑战主要来源于市场和技术两个方面。面对这种挑战，新的制造技术的不断发展和相互渗透，使得整个制造业出现了第二次生产方式的转变。虚拟制造 技术(VMT)是一种先进的新一代制造技术，它可以实现从产品的设计、分析、加工到管理的灵活经济地组织方式。推动VMT在模具制造业的发展和应用是我们的任务所在。

: u; B- Y1 E7 y: w& x' G1 x1．模具行业存在问题和现实性要求

" l5 h7 ?# F; ^1 h现代化模具制造加工业，应是以面向全球市场需求为特点，以应用模具CAD/CAE/CAM技术来实现优质、高效、低费用的产品生产作为国际市场共同追求的目标。而传统的模具设计和制造大都凭借经验或者使用引进的或自己研制的CAD/CAM软件来实现，整个过程是长期的、高费用的和低效率的。存在着诸多弊端: (1)设计科学性差，对经验的依赖性强，模具的试制周期漫长，再设计的可能性加大，从而导致模具的总成本增高。(2)市场需求分析,模具设计、制造和产品加工独立分化。生产管理没有全局的观念。对项目往往缺乏可行性和经济效益评估，不能积极关注全球市场的需求动态。(3)虽采用了一些先进的CAD/CAE/ CAM等技术，但在总体管理上，整个运转过程是串行的而非并行的。(4)自行开发新系统，需要很大的时间和精力，且实用化和商品化并不理想；购置一些成熟的软件需要花费较大的前期投资和后期的维护资金。这些弊端是制约模具行业发展和繁荣的主要原因，因此，也就不能适应现代化制造业中要求柔性化、快捷、低成本及高质量的要求。
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因而，提出了对模具行业现实性的要求。模具行业不仅要在计算机辅助技术上要过关，而且还要对用户的需求能够做出快速响应，只有显著地缩短整个模具的开发周期，降低其制造成本，才能快速占领市场。满足这一要求的方法之一就是探讨实现这样的一个VMT系统，利用最优的CAD、CAE或CAM或它们的组合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。解决方法就是动态地集成分散在全球各个地域的硬件和软件技术优势。这种集成与常规的集成技术是不同的，它是虚拟的，仅由一个虚拟公司控制。它是并行工程思想与先进制造技术的综合体现。将VMT思想引入并应用于模具的设计、分析和制造中，对解决上述问题，实现技术进步，提高经济效益和增强企业竞争能力是极有效的手段，也是二十一世纪最有生机的新型市场经营的方式之一。

; p/ G: _- O2 K$ z5 n% [, O0 M2．VC3系统及其结构框架的构造

通过上述分析研究，本文提出一种虚拟模具CAD/CAE/CAM系统的思想，即VC3(VIRTUAL CAD/CAE/CAM)，这里，C3指CAD、CAE、CAM三项。如图1所示为VC3系统的结构框架图。VC3系统包括了内层的核心数据仓库即数据库和知识库及其管理系统、应用专家系统，它是一个紧密型的结构，由虚拟公司的总监理控制，各个专家系统通过共享数据仓库中的信息进行实时在线(real-time on line)决策支持，总监理对这些决策有最终的审计决策权；外层虚拟系统由模具CAD、CAE和CAM系统，经济技术咨询系统、质量检验系统和销售服务系统等一些子系统组成，但这是一个松散的结构体系，依项目的要求而定；内外层通过网络连接,依靠强有力的网络协议实现信息的交换，除了销售服务系统直接归虚拟公司总监理负责外，其它系统均由各个专家系统的专家负责。整个系统运行是并行的。

图1 虚拟模具CAD/CAE/CAM系统结构图

4 E% P1 J5 b# A+ c% R( \; L3．VC3系统环境技术分析

; y: S0 O8 i3 n现代企业的共同特点是及时引进最新的科学技术成果，改进现有的工艺方法，以便能够进一步高效低成本地组织生产。特别是面向市场经济以后,虚拟模具CAD/CAE/CAM系统实质是集成技术的虚拟实现。其思想和技术基础是利用了敏捷制造AM技术的“竞争--合作/合同”机制，组建虚拟公司，发挥局部特长；并行工程CE的同步实现设计、加工、核算和管理的一体化的思想；专家系统ES实现领域知识与复杂问题的求解评价和建议以及利用网络和先进的管理系统NT-MS实现虚拟集成技术。
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5 [- ?% Q) y. C1 x% O) z6 D目前国内外一些大的研究机构可用于模具设计、制造和分析的CAD/CAE/CAM系统还是较多的、较成熟的。充分利用这些软件系统的优势，发挥各自的特长为VC3系统服务。
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虚拟系统网络的日常管理必须适应一个规模和类型都在不断变化的环境，因此，要求网络必须是具有最先进的技术服务支持和良好的安全保密性。目前网络技术在飞速发展和不断成熟并得到广泛的应用，因此，对实施VC3系统有绝对的支撑能力。根据虚拟系统的要求，建议: (1)整体系统采用广域网如Internet网，各个子系统采用局域网或自定义网络环境；(2)在网络联接上，应该优先选用集成型网络互联结构，以改善系统的动态性能和柔性；(3)在网络传输技术方面，应采用最新的ATM技术确定网络传输模式，它能以完善的端到端协议将局域网和广域网结合起来。(4)在网络安全性方面，整体系统应采用TCP/IP网络协议；企业级的网络安全措施可以采用网络路由器或Intranet的防火墙技术；(5)在CAD/CAM制造信息交换方面，企业内通信联网采用MAP/TOP工业标准协议。

9 y7 U. u, b# u% p在大量网上信息处理过程中，不仅要保证方便地对数据进行存取、管理和协调，最关键的还是要能够为用户提供决策支持。对生产厂家而言，通过应用数据仓库而得到产品的各种需求信息，将是完成数据采集、技术集成和提高效率最有效的方法。数据仓库是动态的“信息处理工厂”。数据仓库技术已有较成熟的支撑工具如智能代理工具(Intelligent Agent)和多维分析工具(MDA)。对数据仓库信息存储结构进行分析，VC3应采用层次关系存储数据。

在系统环境管理方面，整个系统有一个共享的数据库和知识库；由总监理协调各个专家的工作，当有项目时，形成一个公司；当没有项目时，这个公司就不存在。因此，总监理的任务就是向各个专家进行咨询，分配和协调工作任务，信息总负责；要全权掌握好自己所拥有的信息管理系统。虚拟系统与传统方法表现最不同之处就是真正的实施手段及相关软件掌握在不同的网络端点上而不是在虚拟公司自己手中，因此，虚拟公司只有借之使用权而无拥有权。但是，在一个良好的网络协议的基础上，总监理及其下面的专家们对网络端点系统需求的数据和传输来去的信息与数据有绝对的支配权。靠良好信任度的网络合同协议相互之间进行远程合作，可以保证最优、最快、费用最合适地完成各个子功能。各个子系统之间不能互相联络，要有绝对地保障绝密的管理程序。

4．结论
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VC3思想是敏捷制造技术、并行工程、专家系统、网络技术及先进的管理技术的综合体现。该系统的核心在于集成，实现方式采用虚拟手段。该虚拟系统的实现，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。通过实施VC3技术，预计产生的效益将是巨大的，有着目前其它模具CAD/CAE/CAM系统无可比拟的优越性。可以预见，这样的系统在不久的未来实现是必然的。而且随着技术的成熟，模具加工业虚拟现实(VR)技术也会随之实现。基于虚拟系统的模具业，将是21世纪市场上一种较好的、较快的实现产品的运营方式，可大大减低新产品开发的风险，提高经济效益，最终使企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。