四自由度棒料搬運機械手設計

四自由度棒料搬運機械手設計,四自由度棒料搬運機械手設計,自由度,搬運,機械手,設計 編號： 畢業(yè)設計(論文)外文翻譯 （譯文） 題 目： 搬運機器人的動態(tài) 負荷分析和設計方法 院 （系）： 機電工程學院 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 學生姓名： 呂 強 學 號： 1000110125 指導教師單位： 機電工程學院 姓 名： 唐 焱 職 稱： 副教授 題目類型：¨理論研究 ¨實驗研究 t工程設計 ¨工程技術研究 ¨軟件開發(fā) 2014年5月25日  搬運機器人的動態(tài)負荷分析和設計方法 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計方法,使大型重型機器人因LCD(液晶顯示器)構件系統(tǒng)模塊加工環(huán)境的暴露而產(chǎn)生的振動和應力水平達到設計要求。部件結構的振動對運動精度造成重大的影響和疲勞損傷。為了分析和設計一個重型搬運機器人，F(xiàn)E和多體動力學仿真技術已被使用。機器人的鏈接采用模態(tài)坐標來建造柔體。在柔性多體動力學模型中要考慮非線性力學性能例如摩擦力、依從性的減速機和軸承。通過動態(tài)仿真模型，研究中的各種設計方案得以用來改善設計的結構性能。對振動和應力進行靈敏度分析從而得到最優(yōu)設計。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,通過真實的實驗結果得到了驗證,包括振動測試。 1.介紹 液晶顯示器也廣泛應用于電視、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。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。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)來支持各種錯綜復雜的LCD制造流程。它會造成許多困難的設計問題,如振動、處理精度和由于動態(tài)負荷加重的高應力惡化,導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測撓度、振動、動態(tài)應力和時間歷程。一個完整的設計仿真方法驗證對基線設計和改進新設計非常有用。提出的一種集成的計算機仿真方法，預測了撓度、動態(tài)應力，應歸功于基于現(xiàn)有的有限元方法和柔性體動力學技術的振動設計。該設計方法應用到LTR處理7 ~ 8克液晶屏幕。振動分析和驗證并進行振動模態(tài)測試,識別并重新恢復系統(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的模擬的柔性結構。末端終結器撓度的計算可以檢驗設計是否能達到要求。動態(tài)載荷和動態(tài)應力歷史可從動態(tài)仿真中獲得。研究關鍵地區(qū)的應力水平可以預測可能發(fā)生的疲勞斷裂。如果應力水平不在安全范圍,設計變更應基于計算機仿真結果和設計靈敏度的研究。然后構建一個原型LTR設計來測試驗證。闡述其耐久性分析CAE-based正在實施,研發(fā)三星、預測疲勞損傷相應的耐久性試驗。在早期設計階段，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識別系統(tǒng)。折疊型機器人擁有一個基礎構架，一個R-型構架,兩個Z型構架,兩個擁有纖細的手指的機械手臂,如圖1(a)?？蚣芙Y構由鑄鐵和鋁構成。纖細的手指是由手輕質復合材料。它也有兩只手臂(上下手臂)來操作兩個儀器同時進行。有一個圓柱形的LTR工作空間，轉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。因為關節(jié)連接武器和連接包括軸承和齒輪減速機,在預測頂端的變形量時必須考慮到關節(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量在頂端的懸臂式結構。 在現(xiàn)實生活中LTR應該是數(shù)以百萬計的周期重復執(zhí)行LCD制造流程的搬運機器人。因此, 當受到靜態(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構的耐受性的裝置。在許多不同的測試中,其中最關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運行大裝載儀器受沖擊和扭轉時的經(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行成千上萬次重復的特定裝卸, 在一個重要的應力區(qū)域可能會導致疲勞斷裂。本文以靜態(tài)和動態(tài)變形來預測在手指頂端的臨界應力,包括呈現(xiàn)出LTR的振動和模擬柔性多體動力學。連接構架,雙臂以柔體建模。因此,在線性彈性范圍內，靜態(tài)和動態(tài)變形假設是很小的。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 在柔性多體動力學利用模態(tài)坐標的主要好處是減少在分析中必須包括的廣義坐標的數(shù)目。在柔性多體動力學[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柔性構件的動力學 在圖2顯示了一個典型的柔性構件。柔性構件i 表面有大量的有限元素。P點的定位在柔性部件i中可以被認為是 是以X’-Y’-Z’體的參考坐標的矢量方向來定位的，而的坐標轉換矩陣是從體參考坐標對全局慣性坐標，的初始位置的矢量方向是點p的體參考坐標，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，M是坐標模態(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。 3.2 柔性多體動力學方程 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 當和節(jié)點P的回轉位移量被所定義。多體動力學系統(tǒng)的運動學和傳動約束的組合設置可以寫成這種形式。當廣義坐標，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,運動關節(jié),強制元素[3]。靈活的身體看作是多體動力學仿真命名為圖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和減震器原理類似的方式進行建模。設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架是由鑄鐵或鑄鋁組成的。在正常操作當中那些結構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動態(tài)應力，從而導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測變形、振動和動態(tài)應力時間歷程。 在上一節(jié)中已經(jīng)闡述的合成技術組成模式[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分析使用的分力合成方法模式的數(shù)量。 5 LTR的分析和設計改進 5.1 8 G-telescopic LTR的模態(tài)分析 因為主要結構如手臂和連接構架是以柔體,適當?shù)倪\動關節(jié)和力量的元素, 可以進行整個LTR系統(tǒng)調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構薄弱點,用來解釋在前一章的柔性多體動力學仿真。圖6顯示了從振動試驗模態(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果,方為有效。比較與模態(tài)試驗結果表明,仿真結果與試驗結果相關。從分析的結果 試驗模態(tài)變形后,我們發(fā)現(xiàn)結構薄弱點是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 振動分析及改進設計 設計問題,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構嚴重的振動和高應力的最關鍵的運動。采用該柔性多體仿真技術的關鍵,是研究操作是產(chǎn)生的大撓度和應力。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計建議。開發(fā)了原型機器人后,機器人在導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的基地上被認為是一個關鍵組件振動。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計和改進后的新設計模擬運動之間振動位移的比較。在關鍵的5 ~ 10秒的關鍵運動期，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應力分析和改進設計 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。這可能導致動態(tài)荷載從而引起動態(tài)應力帶來的疲勞裂紋。圖9顯示了一個在支持arm-frame結構因動態(tài)載荷帶來的疲勞裂紋。應用柔性多體動力學仿真，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)應力，在仿真模型的基礎上結構的形態(tài)和厚度必須重新設計驗證。進行實驗測試來驗證在虛擬電腦仿真預測的動態(tài)應力的精確性,如圖10所示。結果與破裂發(fā)生的觀點是完全相同的。 圖11表明了設計修改。減少應力集中系數(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。這個結果表明是設計的結果進行了合理的修改。實際上, 在實際的位置的修改設計采用了7 G-Gate LTR。 5.4處理精度和優(yōu)化設計 如果動態(tài)載荷增加, 由于主要結構成分[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的設計基線，在手指頂端的分垂直撓度。LTR的尖撓度原設計是42毫米。這超過了LCD要求為10毫米的制備工藝的設計規(guī)范,并可能導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構非常大,而沉重。結果,必須利用動態(tài)仿真和優(yōu)化設計技術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)化轉移的準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(實驗設計)進行優(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合設計表格。表2顯示了回歸分析的結果(方差分析表)。 通過在回歸分析[7]的基礎上計算出的響應面模型,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)生在基線的撓度設計上,如圖13所示。 實驗測試中使用激光跟蹤進行了優(yōu)化,驗證了仿真的結果。如圖17所示。實驗結果大約6.1毫米。動態(tài)撓度的模擬的結果與試驗數(shù)據(jù)非常相似，這意味著我們鋼筋結構剛度不需要任何額外的費用了。 6 結論 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)生來調查任何結構的撓度、振動、動態(tài)應力。柔體因合成技術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行適當近似的介紹。為了有一個有效的模型,要進行總LTR系統(tǒng)的模擬振動模式和模態(tài)試驗結果的比較。比較分析和試驗結果表明他們互相關聯(lián)。終端效應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計。與動應力相關的疲勞裂紋失效可用基線設計來。為了防止疲勞斷裂發(fā)生在臨界區(qū),要通過改變結構設計來減少應力。在測試中虛擬耐久性評估的結果非常的好,而且顯示出失敗地區(qū)良好的相關關系。能夠預測的值基于專門在虛擬域獲得的實驗結果是顯而易見的。該設計方法可以用來發(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發(fā)展計劃(批準號10583)和2007在韓國國民大學科研項目支持。 參考文獻 [1] A.A.Shabana,Dynamics of multibody systems 2 Edition,Cambridge University Press,(1998). 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[7] S.H.Park,Modem Sesign of Experiments,Minyeongsa,(1995). 模具的發(fā)展 1 模具在工業(yè)生產(chǎn)中的地位 模具是大批量生產(chǎn)同形產(chǎn)品的工具，是工業(yè)生產(chǎn)的主要工藝裝備。采用模具生產(chǎn)零部件，具有生產(chǎn)效率高、質量好、成本低、節(jié)約能源和原材料等一系列優(yōu)點，用模具生產(chǎn)制件所具備的高精度、高復雜程度、高一致性、高生產(chǎn)率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比擬的。已成為當代工業(yè)生產(chǎn)的重要手段和工藝發(fā)展方向。現(xiàn)代經(jīng)濟的基礎工業(yè)。 現(xiàn)代工業(yè)品的發(fā)展和技術水平的提高，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月國務院頒布的《關于當前產(chǎn)業(yè)政策要點的決定》中，把模具列為機械工業(yè)技術改造序列的第一位、生產(chǎn)和基本建設序列的第二位(僅次于大型發(fā)電設備及相應的輸變電設備)，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和設備列入了《當前國家重點鼓勵發(fā)展的產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品和技術目錄》和《鼓勵外商投資產(chǎn)業(yè)目錄》。經(jīng)國務院批準，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)了國務院和國家有關部門對發(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)技術協(xié)會預測，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，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，當時美國的沖壓技術走在前列——許多模具先進技術，如簡易模具、高效率模具、高壽命模具和沖壓自動化技術，大多起源于美國；而瑞士的精沖、德國的冷擠壓技術，蘇聯(lián)對塑性加工的研究也處于世界先進行列。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。模具設計多憑經(jīng)驗，參考已有圖紙和感性認識，對所設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)進行了數(shù)學分橋，并把這些知識不斷應用于現(xiàn)場實際，使得沖壓技術在各方面有飛躍的發(fā)展。其結果是歸納出模具設計原則，并使得壓力機械、沖壓材料、加工方法、梅具結構、模具材料、模具制造方法、自動化裝置等領域面貌一新，并向實用化的方向推進，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。其代表是多達別多個工位的級進模和十幾個工位的多工位傳遞模。在此基礎上又發(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——其模具加工精度進入了微米級，模具壽命，合金工具鋼制造的模具達到了幾千萬次，硬質合金鋼制造的模具達到了幾億次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計、輔助制造技術不斷發(fā)展的時代。隨著模具加工精度與復雜性不斷提高，生產(chǎn)周期不斷加快，模具業(yè)對設備和人員素質的要求也不斷提高。依靠普通加工設備，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，機械技術和電子技術緊密結合，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)。 隨著計算機技術的發(fā)展，計算機也逐步進入模具生產(chǎn)的各個領域，包括設計、制造、管理等。國際生產(chǎn)研究協(xié)會預測，到2000年，作為設計和制造之間聯(lián)系手段的圖紙將失去其主要作用。模具自動設計的最根本點是必須確立模具零件標準及設計標準。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計方法，就必須把過去的經(jīng)驗和思考方法，進行系列化、數(shù)值化、數(shù)式化，作為設計準則儲存到計算機中。因為模具構成元件也干差萬別，要搞出一個能適應各種零件的設計軟件幾乎不可能。但是有些產(chǎn)品的零件形狀變化不大，模具結構有一定的規(guī)律，放可總結歸納，為自動設計提供軟件。如日本某公司的CDM系統(tǒng)用于級進模設計與制造，其中包括零件圖形輸入、毛坯展開、條料排樣、確定模板尺寸和標準、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到較高水平；計算機仿真(CAE)技術也取得了一定成果。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，還不能適應國民經(jīng)濟發(fā)展的需要。目前，國內需要的大型、精密、復雜和長壽命的模具還主要依靠進口。據(jù)海關統(tǒng)計，1997年進口模具價值6.3億美元，這還不包括隨設備一起進口的模具；1997年出口模具僅為7800萬美元。目前我國模具工業(yè)的技術水平和制造能力，是我國國民經(jīng)濟建設中的薄弱環(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)品結構的現(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，模具最高壽命達到1億次以上，精度達到3～5um，有50個以上的級進工位，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年代中期國際先進水平。 我國的塑料成形模具設計，制作技術起步較晚，整體水平還較低。目前單型腔，簡單型腔的模具達70％以上，仍占主導地位。一模多腔精密復雜的塑料注射模，多色塑料注射模已經(jīng)能初步設計和制造。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、表面質量差、模具型腔沖蝕和腐蝕嚴重、模具排氣不暢和型腔易損等，注射模精度已達到5um以下，最高壽命已突破2000萬次，型腔數(shù)量已超過100腔，達到了80年代中期至90年代初期的國際先進水平。 3.2 模具工業(yè)技術結構現(xiàn)狀 我國模具工業(yè)目前技術水平參差不齊，懸殊較大。從總體上來講，與發(fā)達工業(yè)國家及港臺地區(qū)先進水平相比，還有較大的差距。 在采用CAD/CAM/CAE/CAPP等技術設計與制造模具方面，無論是應用的廣泛性，還是技術水平上都存在很大的差距。在應用CAD技術設計模具方面，僅有約10%的模具在設計中采用了CAD，距拋開繪圖板還有漫長的一段路要走；在應用CAE進行模具方案設計和分析計算方面，也才剛剛起步，大多還處于試用和動畫游戲階段；在應用CAM技術制造模具方面，一是缺乏先進適用的制造裝備，二是現(xiàn)有的工藝設備（包括近10多年來引進的先進設備）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%左右的模具制造設備近年來才開展這項工作；在應用CAPP技術進行工藝規(guī)劃方面，基本上處于空白狀態(tài)，需要進行大量的標準化基礎工作；在模具共性工藝技術，如模具快速成型技術、拋光技術、電鑄成型技術、表面處理技術等方面的CAD/CAM技術應用在我國才剛起步。計算機輔助技術的軟件開發(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，設備簡陋，能耗高。設備更新速度緩慢，技術改造，技術進步力度不大。雖然近年來也引進了不少先進的模具加工設備，但過于分散，或不配套，利用率一般僅有25%左右，設備的一些先進功能也未能得到充分發(fā)揮。 缺乏技術素質較高的模具設計、制造工藝技術人員和技術工人，尤其缺乏知識面寬、知識結構層次高的復合型人才。中國模具行業(yè)中的技術人員，只占從業(yè)人員的8%~12%左右，且技術人員和技術工人的總體技術水平也較低。1980年以前從業(yè)的技術人員和技術工人知識老化，知識結構不能適應現(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，不愿學技術。近年來人才外流不僅造成人才數(shù)量與素質水平下降，而且人才結構也出現(xiàn)了新的斷層，青黃不接，使得模具設計、制造的技術水平難以提高。 3.3 模具工業(yè)配套材料，標準件結構現(xiàn)狀 近10多年來，特別是“八五”以來，國家有關部委已多次組織有關材料研究所、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建立了銷售網(wǎng)點，但因渠道不暢、技術服務支撐薄弱及價格偏高、外匯結算制度等因素的影響，目前推廣應用不多。 模具加工的輔助材料和專用技術近年來雖有所推廣應用，但未形成成熟的生產(chǎn)技術，大多仍還處于試驗摸索階段，如模具表面涂層技術、模具表面熱處理技術、模具導向副潤滑技術、模具型腔傳感技術及潤滑技術、模具去應力技術、模具抗疲勞及防腐技術等尚未完全形成生產(chǎn)力，走向商品化。一些關鍵、重要的技術也還缺少知識產(chǎn)權的保護。 我國的模具標準件生產(chǎn)，80年代初才形成小規(guī)模生產(chǎn)，模具標準化程度及標準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。標準凸凹模、熱流道元件等剛剛開始供應，模架及零件生產(chǎn)供應渠道不暢，精度和質量也較差。 3.4 模具工業(yè)產(chǎn)業(yè)組織結構現(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；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，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，技術改造后不能很快收回其投資，甚至負債累累，影響發(fā)展。 雖然大多數(shù)產(chǎn)品廠的模具車間、分廠技術力量強，設備條件較好，生產(chǎn)的模具水平也較高，但設備利用率低。 我國模具價格長期以來同其價值不協(xié)調，造成模具行業(yè)“自身經(jīng)濟效益小，社會效益大”的現(xiàn)象?！案赡＞叩牟蝗绺赡＞邩藴始?，干標準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”之類不正常現(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，從而支持模具設計、制造、裝配、檢驗、測試及生產(chǎn)管理的全過程，達到實現(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、復雜形體工程制圖、工業(yè)設計高級渲染、塑料模設計專家系統(tǒng)、復雜形體CAM、藝術造型及雕刻自動編程系統(tǒng)、逆向工程系統(tǒng)及復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。國內有上海交通大學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）模具設計、分析及制造的三維化 傳統(tǒng)的二維模具結構設計已越來越不適應現(xiàn)代化生產(chǎn)和集成化技術要求。模具設計、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)品結構的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)注塑模設計軟件，可進行交互式3D型腔、型芯設計、模架配置及典型結構設計。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用。國內有華中理工大學研制的同類軟件HSC3D4.5F及鄭州工業(yè)大學的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性和實用性的重要標志之一。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，生成與制品相對應的型芯和型腔，實現(xiàn)模架零件的全相關，自動產(chǎn)生材料明細表和供NC加工的鉆孔表格，并能進行智能化加工參數(shù)設定、加工結果校驗等。 （3）模具軟件應用的網(wǎng)絡化趨勢 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的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡使得在模具行業(yè)應用虛擬設計、敏捷制造技術既有必要，也有可能。美國在其《21世紀制造企業(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、加工設備向精密、高效和多功能方向發(fā)展 （1）模具檢測設備的日益精密、高效 精密、復雜、大型模具的發(fā)展，對檢測設備的要求越來越高?，F(xiàn)在精密模具的精度已達2～3μm，目前國內廠家使用較多的有意大利、美國、日本等國的高精度三坐標測量機，并具有數(shù)字化掃描功能。如東風汽車模具廠不僅擁有意大利產(chǎn)3250mm×3250mm三坐標測量機，還擁有數(shù)碼攝影光學掃描儀，率先在國內采用數(shù)碼攝影、光學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)了逆向工程技術的開發(fā)和應用。這方面的設備還包括：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動的AQ325L、AQ550LLS-WEDM具有驅動反應快、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。 （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8μm，自制的具有矢量閉環(huán)控制電主軸，最大轉速為42000r/min。意大利RAMBAUDI公司的高速銑床，其加工范圍達2500mm×5000mm×1800mm，轉速達20500r/min，切削進給速度達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0.01mm。 4.3 快速經(jīng)濟制模技術 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)模具加工技術相比，快速經(jīng)濟制模技術具有制模周期短、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，具體主要有以下一些技術。 （1）快速原型制造技術(RPM)。它包括激光立體光刻技術(SLA) ；疊層輪廓制造技術(LOM) ；激光粉末選區(qū)燒結成形技術(SLS) ；熔融沉積成形技術(FDM) 和三維印刷成形技術(3D-P)等。 （2）表面成形制模技術。它是指利用噴涂、電鑄和化學腐蝕等新的工藝方法形成型腔表面及精細花紋的一種工藝技術。 （3）澆鑄成形制模技術。主要有鉍錫合金制模技術、鋅基合金制模技術、樹脂復合成形模具技術及硅橡膠制模技術等。 （4）冷擠壓及超塑成形制模技術。 （5）無模多點成形技術。 （6）KEVRON鋼帶沖裁落料制模技術。 （7）模具毛坯快速制造技術。主要有干砂實型鑄造、負壓實型鑄造、樹脂砂實型鑄造及失蠟精鑄等技術。 （8）其他方面技術。如采用氮氣彈簧壓邊、卸料、快速換模技術、沖壓單元組合技術、刃口堆焊技術及實型鑄造沖模刃口鑲塊技術等。