四自由度棒料搬運機械手設(shè)計,四自由度棒料搬運機械手設(shè)計,自由度,搬運,機械手,設(shè)計 編號： 畢業(yè)設(shè)計(論文)外文翻譯 （譯文） 題 目： 搬運機器人的動態(tài) 負(fù)荷分析和設(shè)計方法 院 （系）： 機電工程學(xué)院 專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名： 呂 強 學(xué) 號： 1000110125 指導(dǎo)教師單位： 機電工程學(xué)院 姓 名： 唐 焱 職 稱： 副教授 題目類型：¨理論研究 ¨實驗研究 t工程設(shè)計 ¨工程技術(shù)研究 ¨軟件開發(fā) 2014年5月25日  搬運機器人的動態(tài)負(fù)荷分析和設(shè)計方法 Jong Hwi Seo1,香港Yim2 Jae、*、Jae Hwang1柳、甬贏得 摘要 本研究的目的是建立一個設(shè)計方法,使大型重型機器人因LCD(液晶顯示器)構(gòu)件系統(tǒng)模塊加工環(huán)境的暴露而產(chǎn)生的振動和應(yīng)力水平達(dá)到設(shè)計要求。部件結(jié)構(gòu)的振動對運動精度造成重大的影響和疲勞損傷。為了分析和設(shè)計一個重型搬運機器人，F(xiàn)E和多體動力學(xué)仿真技術(shù)已被使用。機器人的鏈接采用模態(tài)坐標(biāo)來建造柔體。在柔性多體動力學(xué)模型中要考慮非線性力學(xué)性能例如摩擦力、依從性的減速機和軸承。通過動態(tài)仿真模型，研究中的各種設(shè)計方案得以用來改善設(shè)計的結(jié)構(gòu)性能。對振動和應(yīng)力進(jìn)行靈敏度分析從而得到最優(yōu)設(shè)計。例如一個8 G(8th代)LTR(LCD搬運機器人)實例證明了這個提出的方法。最后,通過真實的實驗結(jié)果得到了驗證,包括振動測試。 1.介紹 液晶顯示器也廣泛應(yīng)用于電視、電腦、手機等等,因為他們提供了一些真正的超過一般的顯示技術(shù)。他們是更輕、更薄,耗電更少。最近,大小的玻璃原料已大幅增加新一代LCD(液晶)顯示技術(shù)。為了處理越來越大、越來越重的儀器,有必要開發(fā)一個大型LTR(LCD搬運機器人)來支持各種錯綜復(fù)雜的LCD制造流程。它會造成許多困難的設(shè)計問題,如振動、處理精度和由于動態(tài)負(fù)荷加重的高應(yīng)力惡化,導(dǎo)致不正確的傳動和造成疲勞裂紋。因此,有必要使用虛擬計算機仿真模型建立一個方法來預(yù)測撓度、振動、動態(tài)應(yīng)力和時間歷程。一個完整的設(shè)計仿真方法驗證對基線設(shè)計和改進(jìn)新設(shè)計非常有用。提出的一種集成的計算機仿真方法，預(yù)測了撓度、動態(tài)應(yīng)力，應(yīng)歸功于基于現(xiàn)有的有限元方法和柔性體動力學(xué)技術(shù)的振動設(shè)計。該設(shè)計方法應(yīng)用到LTR處理7 ~ 8克液晶屏幕。振動分析和驗證并進(jìn)行振動模態(tài)測試,識別并重新恢復(fù)系統(tǒng)的原有現(xiàn)象。一些撓性部件在LTR可能經(jīng)歷劇烈振動，從而引起動態(tài)負(fù)載帶來的大疲勞損壞。模態(tài)特性用于考慮在柔性多體動力學(xué)的模擬的柔性結(jié)構(gòu)。末端終結(jié)器撓度的計算可以檢驗設(shè)計是否能達(dá)到要求。動態(tài)載荷和動態(tài)應(yīng)力歷史可從動態(tài)仿真中獲得。研究關(guān)鍵地區(qū)的應(yīng)力水平可以預(yù)測可能發(fā)生的疲勞斷裂。如果應(yīng)力水平不在安全范圍,設(shè)計變更應(yīng)基于計算機仿真結(jié)果和設(shè)計靈敏度的研究。然后構(gòu)建一個原型LTR設(shè)計來測試驗證。闡述其耐久性分析CAE-based正在實施,研發(fā)三星、預(yù)測疲勞損傷相應(yīng)的耐久性試驗。在早期設(shè)計階段，該方法可用于開發(fā)一個新的大型搬運機器人 2.LCD搬運機器人的介紹 圖1顯示的各種類型的激光目標(biāo)識別系統(tǒng)。折疊型機器人擁有一個基礎(chǔ)構(gòu)架，一個R-型構(gòu)架,兩個Z型構(gòu)架,兩個擁有纖細(xì)的手指的機械手臂,如圖1(a)。框架結(jié)構(gòu)由鑄鐵和鋁構(gòu)成。纖細(xì)的手指是由手輕質(zhì)復(fù)合材料。它也有兩只手臂(上下手臂)來操作兩個儀器同時進(jìn)行。有一個圓柱形的LTR工作空間，轉(zhuǎn)移各種制造工藝流程的儀器。對操作儀器的精密控制,靜態(tài)變形的頂端手指必須小于10毫米。因為關(guān)節(jié)連接武器和連接包括軸承和齒輪減速機,在預(yù)測頂端的變形量時必須考慮到關(guān)節(jié)的順暢。在靜態(tài)和動態(tài)兩種情況下的變形,手臂的靈活性本身是同樣重要的，因為手臂是一種有一個大的集總質(zhì)量在頂端的懸臂式結(jié)構(gòu)。 在現(xiàn)實生活中LTR應(yīng)該是數(shù)以百萬計的周期重復(fù)執(zhí)行LCD制造流程的搬運機器人。因此, 當(dāng)受到靜態(tài)和循環(huán)載荷，它必須通過身體檢查,以確保其機器人系統(tǒng)的耐受性。耐久性試驗裝置,是在一個循環(huán)荷載作用下評估部件結(jié)構(gòu)的耐受性的裝置。在許多不同的測試中,其中最關(guān)鍵的一條就是拉伸運動和z-frame垂直運動。臨界運動模擬支架當(dāng)運行大裝載儀器受沖擊和扭轉(zhuǎn)時的經(jīng)歷. 手臂和手是同步的速度移動,大約4米/秒。 如果機器人的各種配置進(jìn)行成千上萬次重復(fù)的特定裝卸, 在一個重要的應(yīng)力區(qū)域可能會導(dǎo)致疲勞斷裂。本文以靜態(tài)和動態(tài)變形來預(yù)測在手指頂端的臨界應(yīng)力,包括呈現(xiàn)出LTR的振動和模擬柔性多體動力學(xué)。連接構(gòu)架,雙臂以柔體建模。因此,在線性彈性范圍內(nèi)，靜態(tài)和動態(tài)變形假設(shè)是很小的。為了展現(xiàn)出其靈活性，要從有限元靜校正分析和對每一個靈活部件的靜態(tài)分析獲得振動模態(tài)和靜態(tài)模態(tài)。為了呈現(xiàn)出聯(lián)合合規(guī)，彈簧和阻尼力元素要用運動連接元素來代替。 3.柔性多體動力學(xué) 在柔性多體動力學(xué)利用模態(tài)坐標(biāo)的主要好處是減少在分析中必須包括的廣義坐標(biāo)的數(shù)目。在柔性多體動力學(xué)[1,2] 組件 模態(tài)綜合法中兩種模式都在使用。一個是普通模式。另一個是靜態(tài)的模式。所有使用的模態(tài)和靜態(tài)模式必須規(guī)范化，具有相同的大小和彼此獨立正交化。 3.1柔性構(gòu)件的動力學(xué) 在圖2顯示了一個典型的柔性構(gòu)件。柔性構(gòu)件i 表面有大量的有限元素。P點的定位在柔性部件i中可以被認(rèn)為是 是以X’-Y’-Z’體的參考坐標(biāo)的矢量方向來定位的，而的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣是從體參考坐標(biāo)對全局慣性坐標(biāo)，的初始位置的矢量方向是點p的體參考坐標(biāo)，而因為變形的位移矢量。的位移矢量方向近似為線性組合的變形模式就像Eq 而是一個矩陣，而是柔性部件i的相對變形模式。的矢量模態(tài)方向和是相對坐標(biāo)，M是坐標(biāo)模態(tài)的數(shù)目。變形模式可能是一般模式，或者正常和靜態(tài)模式的組合。M模式的使用彼此線性無關(guān)。 3.2 柔性多體動力學(xué)方程 正如圖2所示，一個靈活部件i的點P的全球位置的節(jié)點位移矢量。典型的p點在全球參考框架將因此而被寫成的Eq等式，通過使用Eq等式 當(dāng)和節(jié)點P的回轉(zhuǎn)位移量被所定義。多體動力學(xué)系統(tǒng)的運動學(xué)和傳動約束的組合設(shè)置可以寫成這種形式。當(dāng)廣義坐標(biāo)，t是時間，是約束方程式。利用拉格朗日乘數(shù)定理,變分方程的多體系統(tǒng)運動可以獲得所有的身體和總結(jié)約束系統(tǒng)的矩陣表格式。 這是一個混合系統(tǒng)的運動微分方程的微分考慮彈性效應(yīng)的機械系統(tǒng)。為了解決混合微分代數(shù)方程問題,許多數(shù)值算法已被開發(fā)[3]。使用等式(5) 可以計算一個靈活的部件的動態(tài)應(yīng)力歷史。 4.搬運機器人的動態(tài)建模 圖中顯示了一個8G-折疊式搬運機器人系統(tǒng) 1(a)可以精確地模擬出86剛體,30柔韌,運動關(guān)節(jié),強制元素[3]。靈活的身體看作是多體動力學(xué)仿真命名為圖1(a)所示的。圖3顯示了8G折疊式搬運機器人的柔性多體仿真模型。 對于手指和支撐架的平行直線運動,對每個手臂系統(tǒng)的正時皮帶進(jìn)行了建模使其在一個恒定的速度比。如圖所示,為了顯示彈性及阻尼皮帶，彈簧和阻尼力與位移和速度的長度變化帶近似成正比。甚至對軸承和齒輪減速機聯(lián)合的符合性與以類似彈簧回轉(zhuǎn)和減震器原理類似的方式進(jìn)行建模。設(shè)備的制造商的實驗值都顯示在表1。 主要部件如手臂和鏈接構(gòu)架是由鑄鐵或鑄鋁組成的。在正常操作當(dāng)中那些結(jié)構(gòu)性組件可以被假定是線性的彈性。然而,這樣的一個小彈性變形可能引起振動和重復(fù)動態(tài)應(yīng)力，從而導(dǎo)致不正確的傳動和疲勞裂紋。因此,有必要運用一個虛擬的計算機仿真模型建立一個方法來預(yù)測變形、振動和動態(tài)應(yīng)力時間歷程。 在上一節(jié)中已經(jīng)闡述的合成技術(shù)組成模式[1],可用于高效的計算機，模擬有小彈性形變的大型剛體運動。因為組件模式雇用模態(tài)坐標(biāo)法合成考慮柔韌的彈性變形,它可能會更有效地利用少量的精選模式執(zhí)行一個大型多體動力學(xué)系統(tǒng)分析。 圖5顯示圖1(a)中折疊式搬運機器人第一個柔性部件的振動模態(tài)。同時,圖5顯示一個典型的組成模式和對模式柔性多體動力學(xué)分析使用的分力合成方法模式的數(shù)量。 5 LTR的分析和設(shè)計改進(jìn) 5.1 8 G-telescopic LTR的模態(tài)分析 因為主要結(jié)構(gòu)如手臂和連接構(gòu)架是以柔體,適當(dāng)?shù)倪\動關(guān)節(jié)和力量的元素, 可以進(jìn)行整個LTR系統(tǒng)調(diào)查的基本振動模式建模。計算出的振動模式分析可用于尋找結(jié)構(gòu)薄弱點,用來解釋在前一章的柔性多體動力學(xué)仿真。圖6顯示了從振動試驗?zāi)B(tài)變形的LTR系統(tǒng)。分析振動模式的動態(tài)仿真模型計算與試驗測試結(jié)果,方為有效。比較與模態(tài)試驗結(jié)果表明,仿真結(jié)果與試驗結(jié)果相關(guān)。從分析的結(jié)果 試驗?zāi)B(tài)變形后,我們發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)薄弱點是R-frame。這個信息對降低系統(tǒng)的振動是非常重要的,在接下來的部分里會解釋。 5.2 振動分析及改進(jìn)設(shè)計 設(shè)計問題,如尖撓度和疲勞裂紋，可以用一個有效的仿真模型進(jìn)行研究。在眾多的過程事件中， LCD屏幕傳動，裝載儀器的手部的拉伸運動是引起支持支架結(jié)構(gòu)嚴(yán)重的振動和高應(yīng)力的最關(guān)鍵的運動。采用該柔性多體仿真技術(shù)的關(guān)鍵,是研究操作是產(chǎn)生的大撓度和應(yīng)力。因為我們有一個有效的仿真模型,我們可以研究各種各樣的設(shè)計建議。開發(fā)了原型機器人后,機器人在導(dǎo)軌上運行時要觀察測量點的不良振動,如圖7顯示。從圖7研究系統(tǒng)模態(tài)分析的變形,如前一節(jié)中解釋的一樣，可以知道振動的原因是R-frame剛度不足。換句話說,Rframe在LTR的基地上被認(rèn)為是一個關(guān)鍵組件振動。為了增加彎扭剛度，要增大梁橫截面高度和寬度，增加肋骨如圖7中解釋的一樣。甚至鋁材可用高強度鋼材代替來增加彈性模量。為了驗證設(shè)計修正要使用動態(tài)仿真模型。 圖8顯示了在原有的基線設(shè)計和改進(jìn)后的新設(shè)計模擬運動之間振動位移的比較。在關(guān)鍵的5 ~ 10秒的關(guān)鍵運動期，觀測到超過50%的振動水平減少，即使在如圖8的樣機試驗,。 5.3應(yīng)力分析和改進(jìn)設(shè)計 因為原始屏幕的大小更趨向于具有競爭力生產(chǎn)率和制造成本,LTR機器人需要更快更大更高的速度來處理更大和更重的屏幕。這可能導(dǎo)致動態(tài)荷載從而引起動態(tài)應(yīng)力帶來的疲勞裂紋。圖9顯示了一個在支持arm-frame結(jié)構(gòu)因動態(tài)載荷帶來的疲勞裂紋。應(yīng)用柔性多體動力學(xué)仿真，在實際前的位置可以分析疲勞裂紋的原因及影響。為了降低了臨界區(qū)一定的動態(tài)應(yīng)力，在仿真模型的基礎(chǔ)上結(jié)構(gòu)的形態(tài)和厚度必須重新設(shè)計驗證。進(jìn)行實驗測試來驗證在虛擬電腦仿真預(yù)測的動態(tài)應(yīng)力的精確性,如圖10所示。結(jié)果與破裂發(fā)生的觀點是完全相同的。 圖11表明了設(shè)計修改。減少應(yīng)力集中系數(shù)、矩形形狀與棱角改為一個圓的形狀,和肋骨都改變了。 圖12顯示最大動應(yīng)力的比較之間的形狀和原始形狀的修改與各種不同的金屬厚度。在圖10中壓力測量角度的部分則是圓形圖中虛線區(qū)域。這個結(jié)果表明是設(shè)計的結(jié)果進(jìn)行了合理的修改。實際上, 在實際的位置的修改設(shè)計采用了7 G-Gate LTR。 5.4處理精度和優(yōu)化設(shè)計 如果動態(tài)載荷增加, 由于主要結(jié)構(gòu)成分[6]的撓度和變形，它可能惡化精密傳動的精度。圖13顯示8 G-Telecscopic LTR的設(shè)計基線，在手指頂端的分垂直撓度。LTR的尖撓度原設(shè)計是42毫米。這超過了LCD要求為10毫米的制備工藝的設(shè)計規(guī)范,并可能導(dǎo)致卡座和機器人手部之間的碰撞。偏斜的原因是機器人的結(jié)構(gòu)非常大,而沉重。結(jié)果,必須利用動態(tài)仿真和優(yōu)化設(shè)計技術(shù)降低撓度和增加傳遞精度。為了減少動態(tài)的偏斜,要使用一個薄的圓錐型的圓板,我們稱為客輪,如圖14所示。 對降低撓度和優(yōu)化轉(zhuǎn)移的準(zhǔn)確性來說三個襯墊的組合是非常重要。所以我們用動態(tài)模擬和將E(實驗設(shè)計)進(jìn)行優(yōu)化。圖15表明該仿真方法可以用來減少手指尖端的偏差。目標(biāo)函數(shù)是圖13四分制的垂直Z位移量的最小化差異。 將使用艾凡桌子上是一個擁有三行三列的中心復(fù)合設(shè)計表格。表2顯示了回歸分析的結(jié)果(方差分析表)。 通過在回歸分析[7]的基礎(chǔ)上計算出的響應(yīng)面模型,優(yōu)化襯墊厚度為t1 = 0.50),t2 = 0.48),t3 = 0.78毫米。優(yōu)化變量(班輪厚)的仿真結(jié)果如圖16所示的。撓度只有降低了5.8毫米。但42毫米偏差發(fā)生在基線的撓度設(shè)計上,如圖13所示。 實驗測試中使用激光跟蹤進(jìn)行了優(yōu)化,驗證了仿真的結(jié)果。如圖17所示。實驗結(jié)果大約6.1毫米。動態(tài)撓度的模擬的結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)非常相似，這意味著我們鋼筋結(jié)構(gòu)剛度不需要任何額外的費用了。 6 結(jié)論 一個計算機仿真方法,給出了LTR系統(tǒng)的振動和疲勞分析。多軸加載條件的振幅變量可以產(chǎn)生來調(diào)查任何結(jié)構(gòu)的撓度、振動、動態(tài)應(yīng)力。柔體因合成技術(shù)采用組件模式而被仿制。為了表示聯(lián)合合規(guī)和帶彈性，彈簧和阻尼器強制元素要進(jìn)行適當(dāng)近似的介紹。為了有一個有效的模型,要進(jìn)行總LTR系統(tǒng)的模擬振動模式和模態(tài)試驗結(jié)果的比較。比較分析和試驗結(jié)果表明他們互相關(guān)聯(lián)。終端效應(yīng)器的頂端的偏差用提出的方法來研究。為了減少尖端偏差,要用仿真模型建立一個良好的設(shè)計。與動應(yīng)力相關(guān)的疲勞裂紋失效可用基線設(shè)計來。為了防止疲勞斷裂發(fā)生在臨界區(qū),要通過改變結(jié)構(gòu)設(shè)計來減少應(yīng)力。在測試中虛擬耐久性評估的結(jié)果非常的好,而且顯示出失敗地區(qū)良好的相關(guān)關(guān)系。能夠預(yù)測的值基于專門在虛擬域獲得的實驗結(jié)果是顯而易見的。該設(shè)計方法可以用來發(fā)展另一種類型的LTR系統(tǒng)。 感謝 這項工作部分是由首爾研究及商務(wù)發(fā)展計劃(批準(zhǔn)號10583)和2007在韓國國民大學(xué)科研項目支持。 參考文獻(xiàn) [1] A.A.Shabana,Dynamics of multibody systems 2 Edition,Cambridge University Press,(1998). 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現(xiàn)代工業(yè)品的發(fā)展和技術(shù)水平的提高，很大程度上取決于模具工業(yè)的發(fā)展水平，因此模具工業(yè)對國民經(jīng)濟和社會發(fā)展將起越來越大的作用。1989年3月國務(wù)院頒布的《關(guān)于當(dāng)前產(chǎn)業(yè)政策要點的決定》中，把模具列為機械工業(yè)技術(shù)改造序列的第一位、生產(chǎn)和基本建設(shè)序列的第二位(僅次于大型發(fā)電設(shè)備及相應(yīng)的輸變電設(shè)備)，確立模具工業(yè)在國民經(jīng)濟中的重要地位。1997年以來，又相繼把模具及其加工技術(shù)和設(shè)備列入了《當(dāng)前國家重點鼓勵發(fā)展的產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品和技術(shù)目錄》和《鼓勵外商投資產(chǎn)業(yè)目錄》。經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，從1997年到2000年，對80多家國有專業(yè)模具廠實行增值稅返還70%的優(yōu)惠政策，以扶植模具工業(yè)的發(fā)展。所有這些，都充分體現(xiàn)了國務(wù)院和國家有關(guān)部門對發(fā)展模具工業(yè)的重視和支持。目前全世界模具年產(chǎn)值約為600億美元，日、美等工業(yè)發(fā)達(dá)國家的模具工業(yè)產(chǎn)值已超過機床工業(yè)，從1997年開始，我國模具工業(yè)產(chǎn)值也超過了機床工業(yè)產(chǎn)值。 據(jù)統(tǒng)計，在家電、玩具等輕工行業(yè)，近90％的零件是綜筷具生產(chǎn)的；在飛機、汽車、農(nóng)機和無線電行業(yè)，這個比例也超過60％。例如飛機制造業(yè)，某型戰(zhàn)斗機模具使用量超過三萬套，其中主機八千套、發(fā)動機二千套、輔機二萬套。從產(chǎn)值看，80年代以來，美、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國家模具行業(yè)的產(chǎn)值已超過機床行業(yè)，并又有繼續(xù)增長的趨勢。據(jù)國際生產(chǎn)技術(shù)協(xié)會預(yù)測，到2000年，產(chǎn)品盡件粗加工的75%、精加工的50％將由模具完成；金屬、塑料、陶瓷、橡膠、建材等工業(yè)制品大部分將由模具完成，50％以上的金屬板材、80％以上的塑料都特通過模具轉(zhuǎn)化成制品。 2 模具的歷史發(fā)展 模具的出現(xiàn)可以追溯到幾千年前的陶器和青銅器鑄造，但其大規(guī)模使用卻是隨著現(xiàn)代工業(yè)的掘起而發(fā)展起來的。 19世紀(jì)，隨著軍火工業(yè)(槍炮的彈殼)、鐘表工業(yè)、無線電工業(yè)的發(fā)展，沖模得到廣泛使用。二次大戰(zhàn)后，隨著世界經(jīng)濟的飛速發(fā)展，它又成了大量生產(chǎn)家用電器、汽車、電子儀器、照相機、鐘表等零件的最佳方式。從世界范圍看，當(dāng)時美國的沖壓技術(shù)走在前列——許多模具先進(jìn)技術(shù)，如簡易模具、高效率模具、高壽命模具和沖壓自動化技術(shù)，大多起源于美國；而瑞士的精沖、德國的冷擠壓技術(shù)，蘇聯(lián)對塑性加工的研究也處于世界先進(jìn)行列。50年代，模具行業(yè)工作重點是根據(jù)訂戶的要求，制作能滿足產(chǎn)品要求的模具。模具設(shè)計多憑經(jīng)驗，參考已有圖紙和感性認(rèn)識，對所設(shè)計模具零件的機能缺乏真切了解。從1955年到1965年，是壓力加工的探索和開發(fā)時代——對模具主要零部件的機能和受力狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)學(xué)分橋，并把這些知識不斷應(yīng)用于現(xiàn)場實際，使得沖壓技術(shù)在各方面有飛躍的發(fā)展。其結(jié)果是歸納出模具設(shè)計原則，并使得壓力機械、沖壓材料、加工方法、梅具結(jié)構(gòu)、模具材料、模具制造方法、自動化裝置等領(lǐng)域面貌一新，并向?qū)嵱没姆较蛲七M(jìn)，從而使沖壓加工從儀能生產(chǎn)優(yōu)良產(chǎn)品的第一階段。 進(jìn)入70年代向高速化、啟動化、精密化、安全化發(fā)展的第二階段。在這個過程中不斷涌現(xiàn)各種高效率、商壽命、高精度助多功能自動校具。其代表是多達(dá)別多個工位的級進(jìn)模和十幾個工位的多工位傳遞模。在此基礎(chǔ)上又發(fā)展出既有連續(xù)沖壓工位又有多滑塊成形工位的壓力機—彎曲機。在此期間，日本站到了世界最前列——其模具加工精度進(jìn)入了微米級，模具壽命，合金工具鋼制造的模具達(dá)到了幾千萬次，硬質(zhì)合金鋼制造的模具達(dá)到了幾億次p每分鐘沖壓次數(shù)，小型壓力機通常為200至300次，最高為1200次至1500次。在此期間，為了適應(yīng)產(chǎn)品更新快、用期短(如汽車改型、玩具翻新等)的需要，各種經(jīng)濟型模具，如鋅落合金模具、聚氨酯橡膠模具、鋼皮沖模等也得到了很大發(fā)展。 從70年代中期至今可以說是計算機輔助設(shè)計、輔助制造技術(shù)不斷發(fā)展的時代。隨著模具加工精度與復(fù)雜性不斷提高，生產(chǎn)周期不斷加快，模具業(yè)對設(shè)備和人員素質(zhì)的要求也不斷提高。依靠普通加工設(shè)備，憑經(jīng)驗和手藝越來越不能滿足模具生產(chǎn)的需要。90年代以來，機械技術(shù)和電子技術(shù)緊密結(jié)合，發(fā)展了NC機床，如數(shù)控線切割機床、數(shù)控電火花機床、數(shù)控銑床、數(shù)控坐標(biāo)磨床等。而采用電子計算機自動編程、控制的CNC機床提高了數(shù)控機床的使用效率和范圍。近年來又發(fā)展出由一臺計算機以分時的方式直接管理和控制一群數(shù)控機床的NNC系統(tǒng)。 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機也逐步進(jìn)入模具生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，包括設(shè)計、制造、管理等。國際生產(chǎn)研究協(xié)會預(yù)測，到2000年，作為設(shè)計和制造之間聯(lián)系手段的圖紙將失去其主要作用。模具自動設(shè)計的最根本點是必須確立模具零件標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。要擺脫過去以人的思考判斷和實際經(jīng)驗為中心所組成的設(shè)計方法，就必須把過去的經(jīng)驗和思考方法，進(jìn)行系列化、數(shù)值化、數(shù)式化，作為設(shè)計準(zhǔn)則儲存到計算機中。因為模具構(gòu)成元件也干差萬別，要搞出一個能適應(yīng)各種零件的設(shè)計軟件幾乎不可能。但是有些產(chǎn)品的零件形狀變化不大，模具結(jié)構(gòu)有一定的規(guī)律，放可總結(jié)歸納，為自動設(shè)計提供軟件。如日本某公司的CDM系統(tǒng)用于級進(jìn)模設(shè)計與制造，其中包括零件圖形輸入、毛坯展開、條料排樣、確定模板尺寸和標(biāo)準(zhǔn)、繪制裝配圖和零件圖、輸出NC程序(為數(shù)控加工中心和線切割編程)等，所用時間由手工的20%、工時減少到35小時；從80年代初日本就將三維的CAD／CAM系統(tǒng)用于汽車覆蓋件模具。目前，在實體件的掃描輸入，圖線和數(shù)據(jù)輸入，幾何造形、顯示、繪圖、標(biāo)注以及對數(shù)據(jù)的自動編程，產(chǎn)生效控機床控制系統(tǒng)的后置處理文件等方面已達(dá)到較高水平；計算機仿真(CAE)技術(shù)也取得了一定成果。在高層次上，CAD／CAM／CAE集成的，即數(shù)據(jù)是統(tǒng)一的，可以互相直接傳輸信息．實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。目前．國外僅有少數(shù)廠家能夠做到。 3 我國模具工業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 由于歷史原因形成的封閉式、“大而全”的企業(yè)特征，我國大部分企業(yè)均設(shè)有模具車間，處于本廠的配套地位，自70年代末才有了模具工業(yè)化和生產(chǎn)專業(yè)化這個概念。生產(chǎn)效率不高，經(jīng)濟效益較差。模具行業(yè)的生產(chǎn)小而散亂，跨行業(yè)、投資密集，專業(yè)化、商品化和技術(shù)管理水平都比較低。 據(jù)不完全統(tǒng)計，全國現(xiàn)有模具專業(yè)生產(chǎn)廠、產(chǎn)品廠配套的模具車間（分廠）近17000家，約60萬從業(yè)人員，年模具總產(chǎn)值達(dá)200億元人民幣。但是，我國模具工業(yè)現(xiàn)有能力只能滿足需求量的60％左右，還不能適應(yīng)國民經(jīng)濟發(fā)展的需要。目前，國內(nèi)需要的大型、精密、復(fù)雜和長壽命的模具還主要依靠進(jìn)口。據(jù)海關(guān)統(tǒng)計，1997年進(jìn)口模具價值6.3億美元，這還不包括隨設(shè)備一起進(jìn)口的模具；1997年出口模具僅為7800萬美元。目前我國模具工業(yè)的技術(shù)水平和制造能力，是我國國民經(jīng)濟建設(shè)中的薄弱環(huán)節(jié)和制約經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的瓶頸。 3.1 模具工業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀 按照中國模具工業(yè)協(xié)會的劃分，我國模具基本分為10大類，其中，沖壓模和塑料成型模兩大類占主要部分。按產(chǎn)值計算，目前我國沖壓模占50％左右，塑料成形模約占20％，拉絲模（工具）約占10％，而世界上發(fā)達(dá)工業(yè)國家和地區(qū)的塑料成形模比例一般占全部模具產(chǎn)值的40％以上。 我國沖壓模大多為簡單模、單工序模和符合模等，精沖模，精密多工位級進(jìn)模還為數(shù)不多，模具平均壽命不足100萬次，模具最高壽命達(dá)到1億次以上，精度達(dá)到3～5um，有50個以上的級進(jìn)工位，與國際上最高模具壽命6億次，平均模具壽命5000萬次相比，處于80年代中期國際先進(jìn)水平。 我國的塑料成形模具設(shè)計，制作技術(shù)起步較晚，整體水平還較低。目前單型腔，簡單型腔的模具達(dá)70％以上，仍占主導(dǎo)地位。一模多腔精密復(fù)雜的塑料注射模，多色塑料注射模已經(jīng)能初步設(shè)計和制造。模具平均壽命約為80萬次左右，主要差距是模具零件變形大、溢邊毛刺大、表面質(zhì)量差、模具型腔沖蝕和腐蝕嚴(yán)重、模具排氣不暢和型腔易損等，注射模精度已達(dá)到5um以下，最高壽命已突破2000萬次，型腔數(shù)量已超過100腔，達(dá)到了80年代中期至90年代初期的國際先進(jìn)水平。 3.2 模具工業(yè)技術(shù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀 我國模具工業(yè)目前技術(shù)水平參差不齊，懸殊較大。從總體上來講，與發(fā)達(dá)工業(yè)國家及港臺地區(qū)先進(jìn)水平相比，還有較大的差距。 在采用CAD/CAM/CAE/CAPP等技術(shù)設(shè)計與制造模具方面，無論是應(yīng)用的廣泛性，還是技術(shù)水平上都存在很大的差距。在應(yīng)用CAD技術(shù)設(shè)計模具方面，僅有約10%的模具在設(shè)計中采用了CAD，距拋開繪圖板還有漫長的一段路要走；在應(yīng)用CAE進(jìn)行模具方案設(shè)計和分析計算方面，也才剛剛起步，大多還處于試用和動畫游戲階段；在應(yīng)用CAM技術(shù)制造模具方面，一是缺乏先進(jìn)適用的制造裝備，二是現(xiàn)有的工藝設(shè)備（包括近10多年來引進(jìn)的先進(jìn)設(shè)備）或因計算機制式（IBM微機及其兼容機、HP工作站等）不同，或因字節(jié)差異、運算速度差異、抗電磁干擾能力差異等，聯(lián)網(wǎng)率較低，只有5%左右的模具制造設(shè)備近年來才開展這項工作；在應(yīng)用CAPP技術(shù)進(jìn)行工藝規(guī)劃方面，基本上處于空白狀態(tài)，需要進(jìn)行大量的標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)工作；在模具共性工藝技術(shù)，如模具快速成型技術(shù)、拋光技術(shù)、電鑄成型技術(shù)、表面處理技術(shù)等方面的CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用在我國才剛起步。計算機輔助技術(shù)的軟件開發(fā)，尚處于較低水平，需要知識和經(jīng)驗的積累。我國大部分模具廠、車間的模具加工設(shè)備陳舊，在役期長、精度差、效率低，至今仍在使用普通的鍛、車、銑、刨、鉆、磨設(shè)備加工模具，熱處理加工仍在使用鹽浴、箱式爐，操作憑工人的經(jīng)驗，設(shè)備簡陋，能耗高。設(shè)備更新速度緩慢，技術(shù)改造，技術(shù)進(jìn)步力度不大。雖然近年來也引進(jìn)了不少先進(jìn)的模具加工設(shè)備，但過于分散，或不配套，利用率一般僅有25%左右，設(shè)備的一些先進(jìn)功能也未能得到充分發(fā)揮。 缺乏技術(shù)素質(zhì)較高的模具設(shè)計、制造工藝技術(shù)人員和技術(shù)工人，尤其缺乏知識面寬、知識結(jié)構(gòu)層次高的復(fù)合型人才。中國模具行業(yè)中的技術(shù)人員，只占從業(yè)人員的8%~12%左右，且技術(shù)人員和技術(shù)工人的總體技術(shù)水平也較低。1980年以前從業(yè)的技術(shù)人員和技術(shù)工人知識老化，知識結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)現(xiàn)在的需要；而80年代以后從業(yè)的人員，專業(yè)知識、經(jīng)驗匱乏，動手能力差，不安心，不愿學(xué)技術(shù)。近年來人才外流不僅造成人才數(shù)量與素質(zhì)水平下降，而且人才結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了新的斷層，青黃不接，使得模具設(shè)計、制造的技術(shù)水平難以提高。 3.3 模具工業(yè)配套材料，標(biāo)準(zhǔn)件結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀 近10多年來，特別是“八五”以來，國家有關(guān)部委已多次組織有關(guān)材料研究所、大專院校和鋼鐵企業(yè)，研究和開發(fā)模具專用系列鋼種、模具專用硬質(zhì)合金及其他模具加工的專用工具、輔助材料等，并有所推廣。但因材料的質(zhì)量不夠穩(wěn)定，缺乏必要的試驗條件和試驗數(shù)據(jù)，規(guī)格品種較少，大型模具和特種模具所需的鋼材及規(guī)格還有缺口。在鋼材供應(yīng)上，解決用戶的零星用量與鋼廠的批量生產(chǎn)的供需矛盾，尚未得到有效的解決。另外，國外模具鋼材近年來相繼在國內(nèi)建立了銷售網(wǎng)點，但因渠道不暢、技術(shù)服務(wù)支撐薄弱及價格偏高、外匯結(jié)算制度等因素的影響，目前推廣應(yīng)用不多。 模具加工的輔助材料和專用技術(shù)近年來雖有所推廣應(yīng)用，但未形成成熟的生產(chǎn)技術(shù)，大多仍還處于試驗摸索階段，如模具表面涂層技術(shù)、模具表面熱處理技術(shù)、模具導(dǎo)向副潤滑技術(shù)、模具型腔傳感技術(shù)及潤滑技術(shù)、模具去應(yīng)力技術(shù)、模具抗疲勞及防腐技術(shù)等尚未完全形成生產(chǎn)力，走向商品化。一些關(guān)鍵、重要的技術(shù)也還缺少知識產(chǎn)權(quán)的保護。 我國的模具標(biāo)準(zhǔn)件生產(chǎn)，80年代初才形成小規(guī)模生產(chǎn)，模具標(biāo)準(zhǔn)化程度及標(biāo)準(zhǔn)件的使用覆蓋面約占20%，從市場上能配到的也只有約30個品種，且僅限于中小規(guī)格。標(biāo)準(zhǔn)凸凹模、熱流道元件等剛剛開始供應(yīng)，模架及零件生產(chǎn)供應(yīng)渠道不暢，精度和質(zhì)量也較差。 3.4 模具工業(yè)產(chǎn)業(yè)組織結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀 我國的模具工業(yè)相對較落后，至今仍不能稱其為一個獨立的行業(yè)。我國目前的模具生產(chǎn)企業(yè)可劃分為四大類：專業(yè)模具廠，專業(yè)生產(chǎn)外供模具；產(chǎn)品廠的模具分廠或車間，以供給本產(chǎn)品廠所需的模具為主要任務(wù)；三資企業(yè)的模具分廠，其組織模式與專業(yè)模具廠相類似，以小而專為主；鄉(xiāng)鎮(zhèn)模具企業(yè)，與專業(yè)模具廠相類似。其中以第一類數(shù)量最多，模具產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的70%以上。我國的模具行業(yè)管理體制分散。目前有19個大行業(yè)部門制造和使用模具，沒有統(tǒng)一管理的部門。僅靠中國模具工業(yè)協(xié)會統(tǒng)籌規(guī)劃，集中攻關(guān)，跨行業(yè)，跨部門管理困難很多。 模具適宜于中小型企業(yè)組織生產(chǎn)，而我國技術(shù)改造投資向大中型企業(yè)傾斜時，中小型模具企業(yè)的投資得不到保證。包括產(chǎn)品廠的模具車間、分廠在內(nèi)，技術(shù)改造后不能很快收回其投資，甚至負(fù)債累累，影響發(fā)展。 雖然大多數(shù)產(chǎn)品廠的模具車間、分廠技術(shù)力量強，設(shè)備條件較好，生產(chǎn)的模具水平也較高，但設(shè)備利用率低。 我國模具價格長期以來同其價值不協(xié)調(diào)，造成模具行業(yè)“自身經(jīng)濟效益小，社會效益大”的現(xiàn)象。“干模具的不如干模具標(biāo)準(zhǔn)件的，干標(biāo)準(zhǔn)件的不如干模具帶件生產(chǎn)的。干帶件生產(chǎn)的不如用模具加工產(chǎn)品的”之類不正?，F(xiàn)象存在。 4 模具的發(fā)展趨勢 4.1 模具CAD/CAE/CAM正向集成化、三維化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展 （1）模具軟件功能集成化 模具軟件功能的集成化要求軟件的功能模塊比較齊全，同時各功能模塊采用同一數(shù)據(jù)模型，以實現(xiàn)信息的綜合管理與共享，從而支持模具設(shè)計、制造、裝配、檢驗、測試及生產(chǎn)管理的全過程，達(dá)到實現(xiàn)最佳效益的目的。如英國Delcam公司的系列化軟件就包括了曲面/實體幾何造型、復(fù)雜形體工程制圖、工業(yè)設(shè)計高級渲染、塑料模設(shè)計專家系統(tǒng)、復(fù)雜形體CAM、藝術(shù)造型及雕刻自動編程系統(tǒng)、逆向工程系統(tǒng)及復(fù)雜形體在線測量系統(tǒng)等。集成化程度較高的軟件還包括：Pro/ENGINEER、UG和CATIA等。國內(nèi)有上海交通大學(xué)金屬塑性成型有限元分析系統(tǒng)和沖裁模CAD/CAM系統(tǒng)；北京北航海爾軟件有限公司的CAXA系列軟件；吉林金網(wǎng)格模具工程研究中心的沖壓模CAD/CAE/CAM系統(tǒng)等。 （2）模具設(shè)計、分析及制造的三維化 傳統(tǒng)的二維模具結(jié)構(gòu)設(shè)計已越來越不適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)和集成化技術(shù)要求。模具設(shè)計、分析、制造的三維化、無紙化要求新一代模具軟件以立體的、直觀的感覺來設(shè)計模具，所采用的三維數(shù)字化模型能方便地用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的CAE分析、模具可制造性評價和數(shù)控加工、成形過程模擬及信息的管理與共享。如Pro/ENGINEER、UG和CATIA等軟件具備參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)等特點，從而使模具并行工程成為可能。另外，Cimatran公司的Moldexpert，Delcam公司的Ps-mold及日立造船的Space-E/mold均是3D專業(yè)注塑模設(shè)計軟件，可進(jìn)行交互式3D型腔、型芯設(shè)計、模架配置及典型結(jié)構(gòu)設(shè)計。澳大利亞Moldflow公司的三維真實感流動模擬軟件MoldflowAdvisers已經(jīng)受到用戶廣泛的好評和應(yīng)用。國內(nèi)有華中理工大學(xué)研制的同類軟件HSC3D4.5F及鄭州工業(yè)大學(xué)的Z-mold軟件。面向制造、基于知識的智能化功能是衡量模具軟件先進(jìn)性和實用性的重要標(biāo)志之一。如Cimatron公司的注塑模專家軟件能根據(jù)脫模方向自動產(chǎn)生分型線和分型面，生成與制品相對應(yīng)的型芯和型腔，實現(xiàn)模架零件的全相關(guān)，自動產(chǎn)生材料明細(xì)表和供NC加工的鉆孔表格，并能進(jìn)行智能化加工參數(shù)設(shè)定、加工結(jié)果校驗等。 （3）模具軟件應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)化趨勢 隨著模具在企業(yè)競爭、合作、生產(chǎn)和管理等方面的全球化、國際化，以及計算機軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)使得在模具行業(yè)應(yīng)用虛擬設(shè)計、敏捷制造技術(shù)既有必要，也有可能。美國在其《21世紀(jì)制造企業(yè)戰(zhàn)略》中指出，到2006年要實現(xiàn)汽車工業(yè)敏捷生產(chǎn)/虛擬工程方案，使汽車開發(fā)周期從40個月縮短到4個月。 4.2 模具檢測、加工設(shè)備向精密、高效和多功能方向發(fā)展 （1）模具檢測設(shè)備的日益精密、高效 精密、復(fù)雜、大型模具的發(fā)展，對檢測設(shè)備的要求越來越高?，F(xiàn)在精密模具的精度已達(dá)2～3μm，目前國內(nèi)廠家使用較多的有意大利、美國、日本等國的高精度三坐標(biāo)測量機，并具有數(shù)字化掃描功能。如東風(fēng)汽車模具廠不僅擁有意大利產(chǎn)3250mm×3250mm三坐標(biāo)測量機，還擁有數(shù)碼攝影光學(xué)掃描儀，率先在國內(nèi)采用數(shù)碼攝影、光學(xué)掃描作為空間三維信息的獲得手段，從而實現(xiàn)了從測量實物→建立數(shù)學(xué)模型→輸出工程圖紙→模具制造全過程，成功實現(xiàn)了逆向工程技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。這方面的設(shè)備還包括：英國雷尼紹公司第二代高速掃描儀(CYCLON SERIES2)可實現(xiàn)激光測頭和接觸式測頭優(yōu)勢互補，激光掃描精度為0.05mm，接觸式測頭掃描精度達(dá)0.02mm。另外德國GOM公司的ATOS便攜式掃描儀，日本羅蘭公司的PIX-30、PIX-4臺式掃描儀和英國泰勒·霍普森公司TALYSCAN150多傳感三維掃描儀分別具有高速化、廉價化和功能復(fù)合化等特點。 （2）數(shù)控電火花加工機床 日本沙迪克公司采用直線電機伺服驅(qū)動的AQ325L、AQ550LLS-WEDM具有驅(qū)動反應(yīng)快、傳動及定位精度高、熱變形小等優(yōu)點。瑞士夏米爾公司的NCEDM具有P-E3自適應(yīng)控制、PCE能量控制及自動編程專家系統(tǒng)。另外有些EDM還采用了混粉加工工藝、微精加工脈沖電源及模糊控制(FC)等技術(shù)。 （3）高速銑削機床(HSM) 銑削加工是型腔模具加工的重要手段。而高速銑削具有工件溫升低、切削力小、加工平穩(wěn)、加工質(zhì)量好、加工效率高(為普通銑削加工的5～10倍)及可加工硬材料(<60HRC)等諸多優(yōu)點。因而在模具加工中日益受到重視。瑞士克朗公司UCP710型五軸聯(lián)動加工中心，其機床定位精度可達(dá)8μm，自制的具有矢量閉環(huán)控制電主軸，最大轉(zhuǎn)速為42000r/min。意大利RAMBAUDI公司的高速銑床，其加工范圍達(dá)2500mm×5000mm×1800mm，轉(zhuǎn)速達(dá)20500r/min，切削進(jìn)給速度達(dá)20m/min。HSM一般主要用于大、中型模具加工，如汽車覆蓋件模具、壓鑄模、大型塑料等曲面加工，其曲面加工精度可達(dá)0.01mm。 4.3 快速經(jīng)濟制模技術(shù) 縮短產(chǎn)品開發(fā)周期是贏得市場競爭的有效手段之一。與傳統(tǒng)模具加工技術(shù)相比，快速經(jīng)濟制模技術(shù)具有制模周期短、成本較低的特點，精度和壽命又能滿足生產(chǎn)需求，是綜合經(jīng)濟效益比較顯著的模具制造技術(shù)，具體主要有以下一些技術(shù)。 （1）快速原型制造技術(shù)(RPM)。它包括激光立體光刻技術(shù)(SLA) ；疊層輪廓制造技術(shù)(LOM) ；激光粉末選區(qū)燒結(jié)成形技術(shù)(SLS) ；熔融沉積成形技術(shù)(FDM) 和三維印刷成形技術(shù)(3D-P)等。 （2）表面成形制模技術(shù)。它是指利用噴涂、電鑄和化學(xué)腐蝕等新的工藝方法形成型腔表面及精細(xì)花紋的一種工藝技術(shù)。 （3）澆鑄成形制模技術(shù)。主要有鉍錫合金制模技術(shù)、鋅基合金制模技術(shù)、樹脂復(fù)合成形模具技術(shù)及硅橡膠制模技術(shù)等。 （4）冷擠壓及超塑成形制模技術(shù)。 （5）無模多點成形技術(shù)。 （6）KEVRON鋼帶沖裁落料制模技術(shù)。 （7）模具毛坯快速制造技術(shù)。主要有干砂實型鑄造、負(fù)壓實型鑄造、樹脂砂實型鑄造及失蠟精鑄等技術(shù)。 （8）其他方面技術(shù)。如采用氮氣彈簧壓邊、卸料、快速換模技術(shù)、沖壓單元組合技術(shù)、刃口堆焊技術(shù)及實型鑄造沖模刃口鑲塊技術(shù)等。