模具智能制造虚拟仿真实验改革研究

夏建生 周海 陈青

【摘 要】策应“中国制造2025”发展战略，按照现代模具企业实际的数字化研发设计制造环境，构建了高度仿真的、固化典型的制造业企业运行模式，探讨构建与现代模具企业相统一的设计、工艺、生产、管理的一体化流程的模具智能制造虚拟仿真实验教学体系，将企业的设计制造理念、工作模式融入实验教学组织和教学流程之中，缩短学生和企业之间的距离，满足行业企业用人需求，提高工科类学生就业竞争力。

【关键词】模具 智能制造 虚拟仿真 实验教学

1 引言

模具是工业生产的基础工艺装备，被誉为“工业之母”。用模具生产制件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比拟的。近十年以来，模具智能制造相关技术得到迅速发展，CAD/CAM技术、热流道技术和多工位级进冲压技术已得到较好推广，CAE、CAPP、PLM、ERP等数字化技术已有一部分企业开始采用[1]。

随着现代模具设计制造不断向自动化、智能化方向发展，设计制造过程信息集成度高、系统复杂，采用真实装备来进行实验教学存在如下问题[2-3]：（1）模具制造装备价格昂贵，前期投人大。运行过程中电、液、气等资源消耗大，设备后期维护成本高，有些设备操作风险高；（2）受资金、场地的限制，无法满足学生实际动手能力培养的需要，开放、自主设计、创新型实验更是难以开展；（3）优质实验资源无法开放共享；（4）模具生产企业给学生一线实践的空间越来越小，生产实习难以达到预期效果。

2 虚拟仿真实验教学改革

模具智能制造虚拟仿真实验教学中心本着虚拟仿真与实体验证相互结合、优势互补的指导原则，合理设计虚拟仿真实验内容，开发和建设了一系列可靠、安全、经济、传统实验难以实现，有利于学生设计能力、综合能力和创新能力培养的智能制造虚拟仿真实验项目。应用互联网、虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库、数字化设计、计算机仿真和网络通讯等技术，实现课内与课外、校内与校外、网上与网下、现实与虚拟的融合，致力于虚拟仿真实验和传统实验相结合的实验教学方法改革与创新。

2.1校企协同

与西门子等公司合作，在产品全生命周期系统平台上，将模具制造企业典型的先进设计制造理念、工作环境和工作模式，如模具设计流程、设计团队的组织架构、设计规范与标准、设计质量评价标准等融入实践教学过程之中，建设虚拟仿真企业环境下的模具设计实训平台，让学生在具有企业文化和氛围的实训环境中，领悟先进的设计理念，把握先进的设计工作模式，掌握运用三维数字化设计工具设计模具的工程能力，并得到工程素养的培养和锻炼。

2.2虚实结合

以“世界先进，国内领先”的生产型全流程模具制造实验线为基础，建设虚实结合、高度信息化的、全流程模具智能制造工厂实验室，以有色金属成型、模具智能设计、高精加工技术、制造物联、加工自动化为研究领域，构建面向校内外相关学科的多学科集群的协同、集成、开放的学科建设与科技工作“大平台”，创建学校教学、科研和社会服务等创新能力提升的创新载体，形成知识创新、技术创新和产业创新融合的创新链[4-5]。

2.3全流程仿真

对企业案例的生产全工艺过程进行规划，制订详细的方案，作为虚拟仿真的开发依据，构建模具设计全流程、高仿真实验教学体系。该仿真体系一共分为4大类实验，37个典型仿真实验，覆盖了从设计、制造、生产、管理整个流程，具体如表1所示。

3 典型实验教学仿真项目

以现代模具企业实际案例，以全流程模具智能制造为载体，开发高度仿真企业产品制造全周期的虚拟仿真实验项目，搭建了符合现代先进制造业需求的综合性实验教学平台。经过中心实验室的虚拟仿真训练，学生能够掌握面向模具智能制造全周期的产品三维设计、有限元分析、计算机辅助工艺分析、虚拟制造、虚拟装配、虚拟运营等核心专业技能。同时以模具智能制造为代表的制造业信息化技术，能将企业的设计制造理念、工作模式融入实训教学组织和教学流程之中，能够培养学生的工程创新意识和工程实践能力。下面以模具设计、CAE模流分析及运动仿真分析为例介绍项目情况。

3.1 项目1：注塑模三维设计

MoldWizard（注塑模向导）是基于Siemens NX开发的、针对注塑模具设计的专业模块，模块中配有常用的模架库和标准件，用户可以根据自己的需要方便的进行调整用，还可以进行标准件的自我开发，很大程度上提高了模具设计效率。本实验在Teamcenter平台下，通过NX MoldWizard注塑模向导，学习模具设计整个流程，包括产品装载、排位布局、分型、模架加载、浇注系统、冷却系统以及工程制图等，实现模具的三维快速设计，设计过程强调并行设计的思想。

3.2项目2：注塑成型CAE分析

本实验通过Moldflow Plastic Insight软件，让学生来模拟制件在注塑成型过程中的填充、流动、冷却以及翘曲分析过程，以此来确定制件的最佳成型工艺方案，为工程实际生产提供合理的工艺设置依据，减少因工艺引起的制件缺陷，有助于降低实际生产成本，提高生产效率。

3.3项目3：注塑模运动仿真

一个完整的模具装配通常包含成百上千个零件，这些零件在模具打开和闭合的工作过程中，都有着一定的相对运动关系，特别是对于那些包含复杂斜顶运动机构、滑块运动机构和顶针的模具来说，它们的运动关系尤其复杂，因此，很难从静态的模具中完全准确无误地判断是否出现干涉的情况。本实验通过NX软件Motion模块，通过设置构件的运动副及运动属性，模拟模具的真实运动情况，找出运动过程中出现干涉问题的零件，避免了在模具生产后才发现问题的情况出现。

3.4项目4：注塑模零部件装配干涉检查

本实验使用NX moldwiard模块中的静态干涉检查（Static Interference Check）功能，对模具部件间的关系进行分析、检查，发现它们之间的干涉问题，例如推杆与水道间的干涉情况，分析结束后同时提供相应的报告。静态干涉检查可以帮助设计人员快速地找到那些干涉区域或者没有开腔挖槽的标准零件，及早发现问题，从而提高设计的准确率。

4 结语

整合多学科的信息化实验教学资源，利用信息化虚拟设计技术，面向模具设计制造过程进行全流程的高度仿真实验教学，构建虚实结合、相互补充的虚拟仿真实验教学体系，可以打破时间、空间上对传统实验模式的限制，将工业软件融入教学过程，改革现有教学模式，培养大批制造业所迫切需要的熟悉和掌握数字化设计制造工业软件的应用型专业人才，也就成为模具专业人才培养的重要着力点。

参考文献：

[1]李金国，张国庆，何向华.模具专业虚拟仿真实训探讨[J].职业教育研究，2011（9）.

[2]李超，刘月群，李彩霞.模具专业虚拟仿真实验平台的开发与教学实践[J].职业技术，2012（4）.

[3]莫丽萍.数控模具教学中WEB虚拟仿真技术的使用[J].机械工程师，2010（4）.

[4]彭玉亮.构建虚实结合的电子类实验教学方式研究[J].教育界，2015（12）.

[5]丁明亮等.虚实结合的X-Y数控实训平台设计[J].实验技术与管理，2015，32（3）.