虚拟样机技术应用于模型建立(英文翻译)

虚拟样机技术应用于模具建立

摘要：

模型的建立是一个复杂的过程，它包括许多决断性因素，并且通常需要实体样机来评估设计的装配性与脱沫性。虚拟样机可以替代硬件样机进行设计分析，而不需要制造物理样机。这篇论文陈述了虚拟样机坏境下的模型设计，这一过程是通过将自动化与交互式的方法结合起来产生模型的虚拟样机来实现。这种虚拟样机可以植入到虚拟现实坏境中通过虚拟装配和以现实规律为基础的液体注入运动模拟进行视觉化和设计评估。通过创造虚拟样机可以在设计的初期评估设计的装配性和可塑性，而且可以在最终设计完成的阶段之前修改一个设计来满足装配性与可塑性。

介绍：

注塑模具的生产方法在最近几年得到了快速发展，并且成为应用广泛的制造方法。这对于生产过程中的大量是非常重要的，它的高效率能够保证合理利用时间和材料。模具产品的形成是典型的OKP的一种，并且有着很大的可变性。模具的建立是一个非常复杂的过程，这是因为它与零件设计、模具的设计以及过程参数的选择都互相关联。在许多工厂中，它通常需要很长的时间，而这很大程度上取决于设计师们的经验。

由于模具设计是一个非常复杂的过程，包括许多决定性因素，因此，没有评估和修改的迭代，很难保证模具的可重复利用性以及是否满足制造要求。为了在第一次按要求运行和装配模具，模具设计师们必须对他们的设计进行评估并做相应的修改。通常情况下，设计师可以在两方面进行评价：（1）丢开画图板，判断制造的容易性和从技术规格上推断其功能。（2）从建筑物理样机进行测试。通常，事物模型有几何精度的限制、要求使用特殊材料、零件的尺寸以及相对较高的成本。考虑到这些限制，虚拟样机技术被提出并得到实现。

虚拟样机技术是一项新兴技术，这是在虚拟坏境下模拟物理样机。虚拟样机是指不需要制造零件的物理样机去分析一个产品，而是利用一个电脑样机让用户观察、分析和处理。这一样机并不需要实现最终产品的所有功能，但必须有它的主要功能从而足以对产品的设计要求进行测试。它允许不同技术背景的人直接互动，并在一个虚拟的坏境下设计一个产品并评估其功能。此外，虚拟样机可以在设计的初期快速生成并修改，这意味着设计师可以充分考虑其他设计方案并做出最终的设计决策。

在本文中，虚拟样机被定义为一种电脑模型，它包括模具的原型，以及其形成过程，例如装配、注塑液体的流动等过程。虚拟样机的主要两个成分是：模具几何模型和过程模拟模型，包括虚拟装配和运动学仿真。几何模型包括几何信息以及其他过程中所需要的信息。由于过程的类型不同，几何模型包含的参数也不同。运用进行虚拟装配和运动学仿真的零件几何模型，自动生成虚拟样机。虚拟样机包括两个重要的因素，产品数据模型的图形呈现和虚拟坏境下的相互作用。

虚拟样机技术已经被一些研究者用于模具设计。Wuerger描述了虚拟样机的方法，它可以自动决定模具的方向，并且利用冲模来允许部分被制造出来。Kurth通过转变旋转和挤压这两种功能到二维空间中从而扩展了样机模型建立的方法。然而，上面提到的虚拟样机技术只包含模具的几何信息而不包括任何过程中所蕴含的信息，有一些研究者专门研究样机的装配和拆卸。Jayaram试图通过研发机械零件组装的模式、工具以及坏境来建立一个虚拟装配的设计坏境。Siddique开发了虚拟坏境和虚拟样机技术，通过设计师来完成拆卸

工作，利用自动推理技术来处理虚拟样机的拆装过程，并在虚拟坏境下采用交互的方式来完成产品的拆解。在这篇论文中，我们的主要目的是来说明虚拟样机技术在模具设计中的应用，采用自动和互动的方式来产生虚拟样机，并支持以物理坏境为基础的模具注射仿真，虚拟装配。

本文的其余部分组织如下。第二部分详细介绍虚拟样机在模具设计过程中的系统框架。第三部分主要介绍虚拟样机装配的系统配置。最后，我们介绍虚拟样机技术的优点和缺陷。

2.虚拟样机的框架

本文将说明虚拟样机用于模具设计的虚拟坏境的总体结构。正如图1所示，虚拟样机的框架确定了用来实现这种虚拟坏境的抽象模块。虚拟样机涉及的主要活动是虚拟原型的生成和过程模拟。模具的虚拟样机原型是指虚拟坏境下的模具装配的电脑呈现，它可以在自动或互动的基础上生成几何模型和注塑工艺参数。在我们的方法中，主要分离方向、分离表面以及行腔的布局都是通过模具的凹特征自动生成的。其他组件，如注射和冷却系统都是根据工艺要求采用交互式方式来设计的。在虚拟样机原型产生并且在虚拟坏境中得到可视化后，所有虚拟样机的评估都应该像在物理样机上做的一样。在虚拟坏境下，这些基于虚拟样机的评价通常是通过以物理样机为基础的过程模拟来实现的。工艺模拟是用于评估设计的虚拟样机模型的生成和运动模拟过程。将模拟的结果反馈给设计师们从而进行设计变更。目前，正在研发以物理样机为基础的运动仿真和虚拟装配来评估注塑液体的流动性和模具的脱模性。流动注射仿真是模具设计的必需过程，因此，必须在今后的研究中得到解决。过程模拟是建立在虚拟现实交互实时的仿真坏境基础上，并且可以进行碰撞检测。

2.1新一代虚拟样机模具

在这篇论文中，虚拟样机模具是CAD模型对不同进程的分析，如注射运动仿真和虚拟装备。一个塑模是由注模、弹出、喂料、冷却系统的一个零件组装的。该核心和型腔几何形状的设计是一复杂的过程，涉及到很多因素，如主要部分和次要部分的核心方向，和该位置的分型线和表面的分析。此外，侧凹特征、分割方向和分割线是影响成本和整个成型模具结构的主要参数。内核和自动腔可以决定使虚拟样机设计时间很大的缩短。基于几何形状的成型，内核和虚拟原型模具的空腔自动识别生成和侧凹特征的提取、脱模方向和分型线的测定在我们的系统中是可以做到的。模具的其他组件将由设计师在CAD中完成。这些核心和虚拟的模腔原型，其中包括在脱模型成型分析，通过应用获得了可信性好的成型几何模型理论。在倒凹成型被Yin承认并应用后，倒凹布局、核心形状和空腔的形状可以被自动生成映射倒凹所影响。磨具的其他组成部分是用标准零件库里的数据交互设计的。在我们的虚拟环境中，所有的模具部分都可以转化他们的位置和颜色、重量，并且是可视化的。通过头盔显示器虚拟现实环境，设计人员可以检查他们的设计，从不同的方向对设计做出评价。明显的设计错误，如零件间的干涉可以被很快的发现并进行修改。他还为客户提供了一个机会来检查和测试加工和组装的产品。

2.2 注射运动仿真

当模具打开后，在注射过程中，覆盖是分开的，而侧面或者内核裂缝是远离模型的，那么造型是由弹出杆喷射出的。当模具关闭另一个生产周期，相反的生产过程必须完成。注入过程涉及到许多相对运动之间模具的装配零件，移动组件可能会干扰其他零件的设计，加工公差和装配。另一方面，如果有些关节在主腔成型范围没有好之前达到，模具不能通过弹射系统成型。在虚拟原型环境中，物理模拟的注塑实时进行碰撞检测和移动脱离了真正的注塑机测试模具。

模具虚拟样机产生后，可以在以物理样机为基础的虚拟样机上进行注射流动分析，从而来评估模具设计的脱模性。正如图2所示，注射运动分析的整个过程按逻辑可以被分为三个主要阶段。第一阶段，是根据真实的注射过程建立一个虚拟样机运动分析模型，来实现物理

模拟。当用户确定运动信息后，可以通过虚拟样机配套的软件系统来自动构造运动模型。通常，运动信息包括用于指定组件运动关系的关节点的定义、关节点的最大/最小速度、最大/最小加速度以及运动极限等。第二阶段是移动规划，它用来确定运动轨迹、每个关节点的速度和加速度以及移动顺序接头的控制等。通过图形化语言（GSL）来控制虚拟样机的运动从而实现上述功能。在实时模拟阶段，GSL程序用来在模拟的过程中驱动虚拟样机运动，并且进行干涉检查。当发生干涉碰撞时，该程序停止，并且高亮现实碰撞的部分。超出运动极限的组件将显示为红色来提醒用户。由于是实时仿真，模具生产周期可以计算，并且在运动分析的过程中，所有关节点的位移、速度以及加速度都能以设计表或图形模式输出，来用于分析。

为了模拟使虚拟环境更现实，干扰检测是必须的。干涉检测是确保执行两个机构不在同一空间时，虚拟环境运动。虽然干扰可以采用包围盒检测逼近，但我们已在模拟过程中可以对选择部分进行精确的碰撞检测。

2.3虚拟装配

模具是由几十个零件经过复杂装配形成的，有些零件需要较高的装配精度。以目前的设计方式，由设计师来确保模具的装配性能是非常困难的。虚拟装配将虚拟样机(VA)与面向装配的设计（DFA）结合起来创建一个虚拟的坏境，用于分析装配的性能。虚拟样机可以帮助用户在没有实体产品和工艺流程的情况下完成产品的分析、模型预测、数据可视化等任务。通过创建这样一个虚拟坏境，可以让设计师们在设计的初期进行互动，并对设计进行修改，以满足最后设计阶段装配的要求。

由于拆卸可以看作是装配的对立过程，因此我们可以对虚拟样机进行分解，来模拟装配过程。虚拟样机的重点是利用虚拟样机，以一种自然的、普遍熟悉的方式得到虚拟分解过程。拆卸过程包括两个主要的部分：(1)拆卸顺序表现的是执行拆装操作的顺序以及进行这些操作的工具实用。(2)拆卸路径反应的是原件拆卸的移动路径。拆卸路径是否合理，是看拆卸过程中零件之间是否有碰撞干涉。一个设计的拆解过程可以利用设计的计算机模型自动生成。正如Siddique所说，这两种方法都有各自的优势和缺陷。而虚拟样机技术提供了一个直观的方法，即通过复杂的几何数据和大量元件产生用于装配的拆解程序集。

虚拟样机设计的主要阶段如图3所示，第一阶段是在虚拟坏境下创建装配的设备模型和人员模型，这分别对应于现实中的模具和操作人员。该装配模型是根据虚拟样机的组件间的装配关系设计的。装配模型的每一个部分都包括一些分布，例如联系和可见度，以及刚体转换的一些关键点。技术人员可以利用头盔显示器、数据手套等虚拟现实设备驱动虚拟坏境下的人员模型。事实上，人体模型是看起来像人的设备，并且拥有人所具有的自由度。

目前，人们可以戴着数据手套，利用右手来控制虚拟坏境中的人员模型进行抓、移动、释放等操作。头盔显示器与虚拟人体模型的头是联系在一起的，并且可以改变视角。通过偷窥显示器和数据手套的帮助，操作者可以在虚拟坏境下，以物理样机为原型的基础上进行虚拟装配操作。操作者可以在虚拟坏境下进行抓、移动、释放等操作。在这一过程中，将会创建一系列关键点来实时记录运动部件的位移，并添加到部件轨迹中去。每个操作都会分配一个数字索引，用来记录操作顺序。完成拆卸组装后，会生成一个文档，用来记录部件名称、操作数、路径名以及每一个操作的类型。这一文档将会被输入到装配评估模块，用来评估设计。

该装配评估模块可以根据从文档中获得的拆卸过程数据来模拟装配过程。在模拟过程中执行干涉检查，碰撞的部分将会高亮显示。每个部件的运动路径通过关键点拟合而成。装配顺序和路径可以根据目标函数进行工艺优化。给每一个移动操作都分配一个速度，根据装配时间来评估装配性。模具设计人员可以在装配评估结果的基础上，对设计进行修改。此外，工艺优化过程还可以通过文档输出，用于后续工作，例如用于现实装配的装配过程的生成。

3.系统配置与实施

虚拟样机模型的系统配置如图4所示。虚拟样机模型可以用PC平台上运行的商业CAD 软件EurekaTM来生成。紧接着，将虚拟模型投放到工作站上的虚拟坏境中用于可视化和分析。目前，一个虚拟坏境由硅谷图形OctaneTM工作站、用于虚拟现实的VR6TM头盔显示器、CyberGloveTM数据手套。用于虚拟样机的软件是Deneb EnvisionTM，目前，已经有两个应用软件开发出来，用于注射的物理模拟和虚拟装配。我们对一些工件进行了测试，发现测试结果也很有用。

4.结语

本文介绍了虚拟样机技术用于模具的建立，以及采用交互式的方式建立模型。基于可视化理论，通过识别模具的凹特征以及选择型核数最小的分离方向来分布型核和确定型腔。模具的其他部分，例如模具的基础、浇注系统、出模系统、冷却系统等都可以设计出来，并添加到标准库中便于下次应用。生成的虚拟样机模型可以植入到虚拟坏境中通过注射流动分析模拟来完成可视化和设计评估。通过虚拟样机，可以在设计的初期来评估其装配性和脱模性，并且可以进行设计变更，来满足最终的设计要求。应用虚拟样机技术，可以缩短产品设计的周期，提高产品的质量和降低成本。

总之，虚拟样机技术的应用如下：

一:在设计的初期，在虚拟坏境下创建虚拟样机，用于模具的设计评估。

二：基于可视化理论，提出一种算法来识别模具的凹特征，并利用优化算法来决定分离方向。三：利用虚拟现实技术，通过干涉检查进行物理模型的运动仿真和浇注分析。

作为一种新兴的技术，虚拟样机技术有着硬件和软件方面的限制。在虚拟样机坏境下，用户可以使用数据手套、头盔显示器等，而这些设备价格昂贵并且使用繁琐，但目前并没有很好的解决办法。作为模具设计的重要工具，注液流体分析模拟在虚拟坏境下并没有得到真正的实现。