模具虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的研究

在分析傳統(tǒng)模具產(chǎn)品設(shè)計(jì)中存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實(shí)和虛擬原型技術(shù)及理論，進(jìn)行模具虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提出應(yīng)用WTK虛擬環(huán)境開(kāi)發(fā)程序，實(shí)現(xiàn)與CAD的集成和數(shù)據(jù)共享，極大地提高模具企業(yè)加入WTO后新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

一、引 言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，模具產(chǎn)品設(shè)計(jì)正面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。模具企業(yè)必須利用最新的技術(shù)，在最短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)出高質(zhì)量、低成本、高附加值的產(chǎn)品，以最快的速度響應(yīng)和投放市場(chǎng)。這就需要改變傳統(tǒng)模具產(chǎn)品設(shè)計(jì)方式，采用現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)，模具現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)是基于知識(shí)的設(shè)計(jì)，它要綜合利用現(xiàn)代管理、控制、系統(tǒng)工程、仿真、信息建模、人工智能、數(shù)據(jù)庫(kù)以及網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，將模具產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的信息流有機(jī)集成，并模擬出模具產(chǎn)品未來(lái)的性能，以及模具制造全過(guò)程對(duì)模具產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響，從而做出正確的決策與設(shè)計(jì)方案。

模具產(chǎn)品制造是典型的單件小批量、離散型生產(chǎn)。傳統(tǒng)模具產(chǎn)品開(kāi)發(fā)從設(shè)計(jì)、試制到產(chǎn)品上市周期太長(zhǎng)，設(shè)計(jì)過(guò)程中難以與用戶進(jìn)行交流，難以及時(shí)聽(tīng)取用戶的意見(jiàn)，難以考慮可制造性和可裝配性，很難全面考慮安全、維護(hù)等方面的要求，不能綜合考慮生產(chǎn)、時(shí)間以及費(fèi)用等相互制約條件的限制，更談不上考慮整個(gè)模具產(chǎn)品壽命周期的諸多問(wèn)題。應(yīng)用CAD技術(shù)必須在模具產(chǎn)品圖紙全部出來(lái)之后，才能與用戶進(jìn)行交流。此外，圖紙上的模具產(chǎn)品因缺乏直觀性，有時(shí)模具產(chǎn)品制造之后才能發(fā)現(xiàn)諸多問(wèn)題，造成模具產(chǎn)品不能符合用戶的要求，既影響交貨期，又增加成本，有時(shí)甚至影響客戶關(guān)系及市場(chǎng)占有率。（導(dǎo)讀：提高模具質(zhì)量的五個(gè)基本途徑   ）

二、模具虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造概念的提出

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體、人工智能、網(wǎng)絡(luò)、多傳感器、并行處理等技術(shù)的最新研究成果。實(shí)時(shí)的三維空間表現(xiàn)力、人機(jī)交互的操作環(huán)境能給人帶來(lái)身臨其境的感受。隨著際互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)必將成為現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)的主流和標(biāo)準(zhǔn)。模具虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在模具產(chǎn)品制造中的應(yīng)用或?qū)崿F(xiàn)。它是模具現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)環(huán)境和制造環(huán)境的計(jì)算機(jī)內(nèi)部映射，是虛擬制造的重要內(nèi)容。模具虛擬制造是以仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等為支撐，對(duì)模具設(shè)計(jì)、加工、裝配、維護(hù)經(jīng)過(guò)統(tǒng)一建模形成虛擬的環(huán)境、虛擬的過(guò)程、虛擬的產(chǎn)品。

三、模具虛擬產(chǎn)品現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)造

1.構(gòu)造模具虛擬產(chǎn)品現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)框架

軟件方面包括造型、視覺(jué)仿真、對(duì)象控制、音頻空間化和連網(wǎng)軟件。造型軟件用來(lái)定義虛擬的環(huán)境，即物理及行為特征。視覺(jué)仿真軟件對(duì)虛擬的環(huán)境作實(shí)時(shí)渲染。對(duì)象控制是用來(lái)控制對(duì)象狀態(tài)以及虛擬的環(huán)境交互的軟件框架。音頻空間化軟件是根據(jù)三維虛擬環(huán)境產(chǎn)生聲源的工具，可以放在與用戶在真實(shí)空間相對(duì)應(yīng)的位置的軟件。

軟件方面采用三維虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)軟件WTK,其功能強(qiáng)大，支持各種虛擬現(xiàn)實(shí)輸入、輸出工具設(shè)備，從最簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)到6個(gè)自由度的輸入設(shè)備，從計(jì)算機(jī)顯示器到具有位置跟蹤的頭戴式立體顯示器，用戶可以在短期內(nèi)建立起實(shí)時(shí)的三維圖形應(yīng)用系統(tǒng)。

硬件方面包括計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)、顯示器、位置/方向跟蹤器、三維(六維)輸入裝置和立體發(fā)生器。計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)視覺(jué)仿真;位置/方向跟蹤器具有當(dāng)信息輸入到應(yīng)用程序時(shí)，用來(lái)跟蹤頭部、手、工具的位置及方向的功能;三維(六維)輸入裝置使用戶可以與應(yīng)用程序或虛擬空間中的對(duì)象進(jìn)行交互。

2.模具虛擬產(chǎn)品系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線

利用WTK良好的面向?qū)ο筇摂M開(kāi)發(fā)環(huán)境，建立模具虛擬產(chǎn)品設(shè)備實(shí)例、顯示設(shè)置、碰撞檢測(cè)、裝載文件幾何對(duì)象、動(dòng)態(tài)生成幾何對(duì)象、規(guī)定對(duì)象行為及控制渲染等。以上功能由表及里1000多C語(yǔ)言函數(shù)、20多個(gè)類完成。在Windows系統(tǒng)VC ++環(huán)境下，利用WTK及圖形庫(kù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，從較低層次控制虛擬開(kāi)發(fā)環(huán)境的創(chuàng)建，在WTK R9中通過(guò)Wtvrm12. dll調(diào)用虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言VRML2，從而實(shí)現(xiàn)高層次與ObjectARX的集成開(kāi)發(fā)創(chuàng)建。函數(shù)調(diào)用方法:Wtobject -type -founction -to -do。用add來(lái)加入仿真循環(huán);用Wtse ns or -new(…來(lái)建立傳感器;用“unive rse管理仿真; u-niverse”中包括產(chǎn)品幾何對(duì)象和傳感器對(duì)象。產(chǎn)品幾何對(duì)象采用CAD系統(tǒng)建模，并將對(duì)象用DXF或WTK文件存儲(chǔ)。利用WTK提供“viewpofnt”對(duì)象，允許用戶設(shè)定一些產(chǎn)品觀察參數(shù)，進(jìn)行多視點(diǎn)觀察虛擬場(chǎng)景，利用跟蹤傳感器動(dòng)態(tài)改變視點(diǎn)。

3. WrK虛擬環(huán)境下VRMI與CAD集成

三維CAD設(shè)計(jì)模具產(chǎn)品時(shí)，可以將模具產(chǎn)品的三維圖形直接轉(zhuǎn)換成VRML2.0格式。設(shè)計(jì)人員只要將組成模具產(chǎn)品的各個(gè)部分通過(guò)VRML語(yǔ)句有機(jī)地連接在一起，就可以完成模具產(chǎn)品的交互式三維圖形程序設(shè)計(jì)。在目前的CAD系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將CAD數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換為虛擬場(chǎng)景，保存為VRML格式，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景編輯的可視化，可從任意角度觀察模具產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效果。并允許設(shè)計(jì)者修改位置發(fā)生干涉、安裝部位的結(jié)構(gòu)不滿足要求的模具部件。VRML2. 0可以描述模具三維體的形狀、力學(xué)性能以及聲音等，通過(guò)對(duì)虛擬模具的凸、凹模等主要部件特性的定義，可進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變、強(qiáng)度及剛度分析計(jì)算，使計(jì)算結(jié)果可視化。在虛擬環(huán)境中，通過(guò)對(duì)計(jì)算值的動(dòng)態(tài)顯示，使設(shè)計(jì)者不斷修改、完善設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

四、結(jié)束語(yǔ)

在模具產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用WTK虛擬現(xiàn)實(shí)軟件環(huán)境，借助VRML語(yǔ)言進(jìn)行虛擬模具產(chǎn)品設(shè)計(jì)，是設(shè)計(jì)模式的二次革命。當(dāng)然，模具虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的研究還是起步階段，把虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境與CAD系統(tǒng)相結(jié)合，代表著未來(lái)模具新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的發(fā)展方向。