模具产品虚拟设计与制造的研究

沈阳航空工业学院 刘占军 张凌云 吴宏元 
 
摘要：在分析传统模具产品设计中存在问题的基础上，利用虚拟现实和虚拟原型技术及理论，进行模具虚拟产品设计，提出应用WTK虚拟环境开发程序，实现与CAD的集成和数据共享，极大地提高模具企业加入WTO后新产品开发的市场竞争力。 
关键词：模具；虚拟产品设计；WTK；虚拟现实 

一、引言 

随着经济全球化及市场竞争的日益激烈，模具产品设计正面临严峻考验。模具企业必须利用最新的技术，在最短的时间内开发出高质量、低成本、高附加值的产品，以最快的速度响应和投放市场。这就需要改变传统模具产品设计方式，采用现代产品设计技术，模具现代产品设计技术是基于知识的设计，它要综合利用现代管理、控制、系统工程、仿真、信息建模、人工智能、数据库以及网络通讯等技术，将模具产品设计过程中的信息流有机集成，并模拟出模具产品未来的性能，以及模具制造全过程对模具产品设计的影响，从而做出正确的决策与设计方案。 

模具产品制造是典型的单件小批量、离散型生产。传统模具产品开发从设计、试制到产品上市周期太长，设计过程中难以与用户进行交流，难以及时听取用户的意见，难以考虑可制造性和可装配性，很难全面考虑安全、维护等方面的要求，不能综合考虑生产、时间以及费用等相互制约条件的限制，更谈不上考虑整个模具产品寿命周期的诸多问题。应用CAD技术必须在模具产品图纸全部出来之后，才能与用户进行交流。此外，图纸上的模具产品因缺乏直观性，有时模具产品制造之后才能发现诸多问题，造成模具产品不能符合用户的要求，既影响交货期，又增加成本，有时甚至影响客户关系及市场占有率。 

二、模具虚拟产品设计与制造概念的提出 

虚拟现实技术集成了计算机图形学、多媒体、人工智能、网络、多传感器、并行处理等技术的最新研究成果。实时的三维空间表现力、人机交互的操作环境能给人带来身临其境的感受。随着际互联网技术的普及，虚拟现实技术必将成为现代产品设计技术的主流和标准。模具虚拟产品设计技术是虚拟现实技术在模具产品制造中的应用或实现。它是模具现实设计环境和制造环境的计算机内部映射，是虚拟制造的重要内容。模具虚拟制造是以仿真技术、虚拟现实技术等为支撑，对模具设计、加工、装配、维护经过统一建模形成虚拟的环境、虚拟的过程、虚拟的产品。 

三、模具虚拟产品现实系统的构造 

1.构造模具虚拟产品现实系统框架 

软件方面包括造型、视觉仿真、对象控制、音频空间化和连网软件。造型软件用来定义虚拟的环境，即物理及行为特征。视觉仿真软件对虚拟的环境作实时渲染。对象控制是用来控制对象状态以及虚拟的环境交互的软件框架。音频空间化软件是根据三维虚拟环境产生声源的工具，可以放在与用户在真实空间相对应的位置的软件。 

软件方面采用三维虚拟现实开发软件WTK，其功能强大，支持各种虚拟现实输入、输出工具设备，从最简单的鼠标到6个自由度的输入设备，从计算机显示器到具有位置跟踪的头戴式立体显示器，用户可以在短期内建立起实时的三维图形应用系统。 

硬件方面包括计算机图形系统、显示器、位置/方向跟踪器、三维(六维)输入装置和立体发生器。计算机图形系统具有实时视觉仿真；位置/方向跟踪器具有当信息输入到应用程序时，用来跟踪头部、手、工具的位置及方向的功能；三维(六维)输入装置使用户可以与应用程序或虚拟空间中的对象进行交互。 

2.模具虚拟产品系统具体实现技术路线 

利用WTK良好的面向对象虚拟开发环境，建立模具虚拟产品设备实例、显示设置、碰撞检测、装载文件几何对象、动态生成几何对象、规定对象行为及控制渲染等。以上功能由表及里1000多C语言函数、20多个类完成。在Windows系统VC ++环境下，利用WTK及图形库进行开发，从较低层次控制虚拟开发环境的创建，在WTK R9中通过Wtvrm12. dll调用虚拟现实造型语言VRML2，从而实现高层次与ObjectARX的集成开发创建。函数调用方法:Wtobject -type -founction -to -do。用add来加入仿真循环；用Wtse ns or -new(…来建立传感器；用“unive rse"管理仿真；" u-niverse”中包括产品几何对象和传感器对象。产品几何对象采用CAD系统建模，并将对象用DXF或WTK文件存储。利用WTK提供“viewpofnt”对象，允许用户设定一些产品观察参数，进行多视点观察虚拟场景，利用跟踪传感器动态改变视点。 

3. WrK虚拟环境下VRMI与CAD集成 

三维CAD设计模具产品时，可以将模具产品的三维图形直接转换成VRML2.0格式。设计人员只要将组成模具产品的各个部分通过VRML语句有机地连接在一起，就可以完成模具产品的交互式三维图形程序设计。在目前的CAD系统基础上，将CAD数据模型转换为虚拟场景，保存为VRML格式，实现