模具現代虛擬產品設計與制造的研究分析

摘要 在分析傳統模具產品設計中存在問題的基礎上，利用虛擬現實和虛擬原型技術及理論，進行模具虛擬產品設計，提出應用WTK虛擬環境開發程序，實現與CAD的集成和數據共享，極大地提高模具企業加入WTO後新產品開發的市場競爭力。
關鍵詞 模具虛擬產品設計WTK虛擬現實
一、引言
隨著經濟全球化及市場競爭的日益激烈，模具產品設計正面臨嚴峻考驗。模具企業必須利用最新的技術，在最短的時間內開發出高質量、低成本、高附加值的產品，以最快的速度響應和投放市場。這就需要改變傳統模具產品設計方式，採用現代產品設計技術，模具現代產品設計技術是基於知識的設計，它要綜合利用現代管理、控制、係統工程、倣真、信息建模、人工智能、數據庫以及網絡通訊等技術，將模具產品設計過程中的信息流有機集成，並模擬出模具產品未來的性能，以及模具制造全過程對模具產品設計的影響，從而做出正確的決策與設計方案。
模具產品制造是典型的單件小批量、離散型生產。傳統模具產品開發從設計、試制到產品上市周期太長，設計過程中難以與用戶進行交流，難以及時聽取用戶的意見，難以考慮可制造性和可裝配性，很難全面考慮安全、維護等方面的要求，不能綜合考慮生產、時間以及費用等相互制約條件的限制，更談不上考慮整個模具產品壽命周期的諸多問題。應用CAD技術必須在模具產品圖紙全部出來之後，才能與用戶進行交流。此外，圖紙上的模具產品因缺乏直觀性，有時模具產品制造之後才能發現諸多問題，造成模具產品不能符合用戶的要求，既影響交貨期，又增加成本，有時甚至影響客戶關係及市場佔有率。
二、模具虛擬產品設計與制造概念的提出
虛擬現實技術集成了計算機圖形學、多媒體、人工智能、網絡、多傳感器、並行處理等技術的最新研究成果。實時的三維空間表現力、人機交互的操作環境能給人帶來身臨其境的感受。隨著際互聯網技術的普及，虛擬現實技術必將成為現代產品設計技術的主流和標準。模具虛擬產品設計技術是虛擬現實技術在模具產品制造中的應用或實現。它是模具現實設計環境和制造環境的計算機內部映射，是虛擬制造的重要內容。模具虛擬制造是以倣真技術、虛擬現實技術等為支撐，對模具設計、加工、裝配、維護經過統一建模形成虛擬的環境、虛擬的過程、虛擬的產品。
三、模具虛擬產品現實係統的構造
1.構造模具虛擬產品現實係統框架
軟件方面包括造型、視覺倣真、對象控制、音頻空間化和連網軟件。造型軟件用來定義虛擬的環境，即物理及行為特徵。視覺倣真軟件對虛擬的環境作實時渲染。對象控制是用來控制對象狀態以及虛擬的環境交互的軟件框架。音頻空間化軟件是根據三維虛擬環境產生聲源的工具，可以放在與用戶在真實空間相對應的位置的軟件。
軟件方面採用三維虛擬現實開發軟件WTK,其功能強大，支持各種虛擬現實輸入、輸出工具設備，從最簡單的鼠標到6個自由度的輸入設備，從計算機顯示器到具有位置跟蹤的頭戴式立體顯示器，用戶可以在短期內建立起實時的三維圖形應用係統。
硬件方面包括計算機圖形係統、顯示器、位置/方向跟蹤器、三維(六維)輸入裝置和立體發生器。計算機圖形係統具有實時視覺倣真;位置/方向跟蹤器具有當信息輸入到應用程序時，用來跟蹤頭部、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用程序或虛擬空間中的對象進行交互。
2.模具虛擬產品係統具體實現技術路線
利用WTK良好的面向對象虛擬開發環境，建立模具虛擬產品設備實例、顯示設置、碰撞檢測、裝載文件幾何對象、動態生成幾何對象、規定對象行為及控制渲染等。以上功能由表及裏1000多C語言函數、20多個類完成。在Windows係統VC ++環境下，利用WTK及圖形庫進行開發，從較低層次控制虛擬開發環境的創建，在WTK R9中通過Wtvrm12. dll調用虛擬現實造型語言VRML2，從而實現高層次與ObjectARX的集成開發創建。函數調用方法:Wtobject -type -founction -to -do。用add來加入倣真循環;用Wtse ns or -new(…來建立傳感器;用“unive rse"管理倣真;" u-niverse”中包括產品幾何對象和傳感器對象。產品幾何對象採用CAD係統建模，並將對象用DXF或WTK文件存儲。利用WTK提供“viewpofnt”對象，允許用戶設定一些產品觀察參數，進行多視點觀察虛擬場景，利用跟蹤傳感器動態改變視點。
3. WrK虛擬環境下VRMI與CAD集成
三維CAD設計模具產品時，可以將模具產品的三維圖形直接轉換成VRML2.0格式。設計人員只要將組成模具產品的各個部分通過VRML語句有機地連接在一起，就可以完成模具產品的交互式三維圖形程序設計。在目前的CAD係統基礎上，將CAD數據模型轉換為虛擬場景，保存為VRML格式，實現場景編輯的可視化，可從任意角度觀察模具產品的設計效果。並允許設計者修改位置發生幹涉、安裝部位的結構不滿足要求的模具部件。VRML2. 0可以描述模具三維體的形狀、力學性能以及聲音等，通過對虛擬模具的凸、凹模等主要部件特性的定義，可進行應力、應變、強度及剛度分析計算，使計算結果可視化。在虛擬環境中，通過對計算值的動態顯示，使設計者不斷修改、完善設計參數，進而提高設計質量。
四、結束語
在模具產品設計中應用WTK虛擬現實軟件環境，借助VRML語言進行虛擬模具產品設計，是設計模式的二次革命。當然，模具虛擬產品設計與制造的研究還是起步階段，把虛擬現實環境與CAD係統相結合，代表著未來模具新產品設計開發的發展方向。