1、編號挺二/ GUILIN UNIVERSITY OF ELECTRONIC TECHNOLOGY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J造及其自動化學(xué)生姓名學(xué) 號指導(dǎo)教師單位:姓 名：職 稱：題目類型 匚理論研究實驗研究0工程設(shè)計工程技術(shù)研究口軟件開發(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 Hwangl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)力水平達到設(shè)計要求

2、。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，

3、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78克液晶屏

4、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(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

5、.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)。

6、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

7、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。1 a Jtypel alTelewttpLC typeibjGite type(t Link type八 ./Transler robots LTRf.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)日。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

8、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n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)，了的初始位置的矢量方向是點p的體參考坐標(biāo)，而因為變形了的位移矢量。了的位移矢量方向近似為線性組合的變 形模式就像Eq而甲甲二W M 是一個矩陣，而 是柔性部件i的相對變形模式。| | .八】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)日。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)

9、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4等式= RJ + A u = HJ + AJ(u； + T；寸)當(dāng)丁丁 n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中“ 。當(dāng)廣義坐標(biāo)1：，t是時間，小是約束方程式。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

10、。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)725J- ff. Se et nL / Joismnl of MEcfanicul &心些 tmdTechmlagy 22 (2008) Z22-7J0Fig. 3. Flexible tnulti-lwdy dynmiLCS model ibr St-Tele- ficopic LTR.No.Axial StillneRadial StillhtissPart1ISO KNmrad2570KNtnraiReducer2250KNftytMi35IOKNnVradReducer67KNnVradlOOQKNnVradReduc

11、er46745 KN rad43840 KN rtVradReducer50436360 KNrtVtadBearingTable L Jottit fitilihefis lor bearing and reducers.Fig. 5. Cottijxjnent rtxidef； of llexible bodies (number ofKMnies used ibr dynartiLt simuLation).Fig. 4. DynaniiLC riKKlelLng of LTR arrn s-vstern.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

12、是多體動力學(xué)仿真命名為圖1(a)所示的。圖3顯示78G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(zhuǎn)和減震器原理類似的方式進行建模。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

13、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, 可以進行整個L

14、TR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。Fig. 6. VibraitiDri by experirtien.t iirid cortipaTLSon of frequenciesFig 7. Dfisigti study io reduce th

15、e vibration by dynamics sirnLdaliiML.5.2振動分析及改進設(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,Rfram

16、e 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。LnupuiiMnt mfx.h Air血n: OngrraiMWodlicd Osign234 s7 a 9 ioTime jiecFig. 8. CotEiparLSon of vibratLon levels between Oie origmal Mid rtHMlilied design.Fig. 9. An eAartrple ol tlie crack iitigue.Fig. 10

17、. Si rain. eperLrtent and dj/TLrtaic analySLs lor iatigue Ute prediction.圖8顯示了在原有的基線設(shè)計和改進后的新設(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

18、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

19、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。

20、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）。LDTI.IjincTtib tlj UOiiyns Ltesvin (Mod 1 Odgi Oesign 國皿 3jFig. 14. Robot arm and liner tLhin CEtcuLar plate.fMikni FlUk-lkidi & lh*Kiai血If0.50),t2 = 0.48),t3 = 0.7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

21、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(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。FattersVFRpgi-Eiikisi175.085 (SSR)5B3MR)U5仙22.Q40.ti02RectunL1.41】 燦Elt).llECveifacteil q! DdmunmiDMR2 =97.54%S4UJ79 奶*愕1Fig. 17. T七st result for vertical deflecticn6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

22、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 要進行適當(dāng)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(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

23、。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A.A.Shabana,Dynamics of multibody systems 2 Edition,Cambridge University Press,(1998).S.C.Wu,E.J.Huang and S.S.Kim,A Variational approach to dynamics to dynamics of flexible multibodysystems,CCAD Technical Report 86,Univ

24、ersity of lowa,(1996),15.Kim S.S.and Haug E.J.Selection of deformation modes for flexible multibody dynamics ,Mechanics ofstructures and machines.18(4)(1990)565-586.S.S.,W.S.You and J.Tang, Effect of mode selection,analysis of flexible multibody systems.Mechanics ofstuctures and machines,21(4)(1993)

25、.507-527.J.H.Ryu ,H.Kim and H.J.Yim,An efficient and accueate dynamic sysrem simulation and reanalysis,Joumalof mechanical science and Technology,11(4)(1997)386-396.J.C.Hang,K.S.Byun and Y.W.Choi, “Improvement of the path accuracy of the 7th generation LCD glassteansfer robot,International conferenc

26、e on Mechatronics and Information Technology,Chongqing,China,(2005).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(zhì)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(fù)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(dāng)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(chǔ)工業(yè)。現(xiàn)代工業(yè)

27、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

28、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

29、、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

30、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(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，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

31、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(chǔ)上又發(fā)展出既有連續(xù)沖壓工位又有多滑塊成形工 位的壓力機一彎曲機。在此期間，日本站到了世界最前列一一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(zhì)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(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

32、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

33、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)成元件也十差 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

34、用時 間由于工的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

35、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口。據(jù)海關(guān)統(tǒng)計，1997年進口模具價值6.3億美元， 這還不包括隨設(shè)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(shù)水平和制造能力，是我國國民經(jīng)濟建設(shè)中的薄弱

36、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35um，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

37、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(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/CA

38、M/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多年來引進的先進設(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

39、術(shù)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(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)進步力度不大。雖然近年來也引進了不少先進的模具加工設(shè)備， 但過于分散，或不配套，利用率一般僅有25%左右，設(shè)備

40、的一些先進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

41、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

42、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

43、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

44、，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。“干模具的不如十模具標(biāo)準(zhǔn)件的，十標(biāo)準(zhǔn)件的不如十模具帶件生產(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(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，達到實現(xiàn)最佳效益的目的。如英國Delcam公司的系列

45、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、

46、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，并能進行智能化加工參