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虚拟制造技术及其在钢管行业中的应用展望

2014/3/30    来源:万方数据    作者:於斌杰  沈峰明      
关键字:虚拟制造  钢管行业仿真  
随着制造业规模化、自动化及复杂化程度的加深,虚拟制造技术应运而生,它是现代科学技术与生产技术发展的产物,它的主要作用是通过计算机虚拟模型来模拟产品的制造过程,进而对产品性能进行预测、检测和评价。本文首先对虚拟制造技术的内涵及关键技术进行分析,然后进一步展望了虚拟制造技术在钢管行业应用的前景。

    虚拟制造技术是20世纪80年代首先由美国提出的一个新概念,它的作用主要体现在制造系统正式运行之前对其进行评估和预测,对产品的开发、制造、营销及回收进行监控及协调。随着社会经济的发展,钢管行业也逐渐融人世界市场,面临着来自世界市场的竞争压力,虚拟制造技术在钢管行业的应用将会给钢管行业带来新的机遇和调整。

一、虚拟制造的内涵

    先进的信息技术、仿真技术和计算机技术是虚拟制造的基础,其工作思想正是依靠这些技术在产品的设计阶段对制造活动中的人物、信息及具体过程进行全面的仿真,以便对制造过程进行有效的评估及预测,并在正式运行之前发现可能存在的问题并采取防范补救措施,最终目的是提高生产效率,降低企业成本,缩短企业的生产周期,进而提高企业的整体竞争力。

    虚拟制造是结合多学科、多领域知识的一项技术,在计算机上体现的虚拟制造系统是整个技术的核心,它拥有产品和制造过程的全部信息,包括虚拟设计、制造和控制产生的数据、相关知识和模型信息。按功能分类,虚拟制造系统包括以下三种子环境:

    1.虚拟制造设计中心:为虚拟设计、虚拟制造向设计者提供各种工具,以便设计出符合标准的产品模型。2.虚拟制造加工中心:研究开发产品制造过程模型和环境模型,对产品的生产计划和工艺规划进行可行性评估。3.虚拟制造控制中心:对产品设计、产品原型、生产计划、制造模拟和控制策略进行评价。

二、虚拟制造技术的关键技术

    1.建模技术。虚拟制造系统的建模是生产模型、产品模型、工艺模型的信息系统。生产模型是在加工过程中,各类实体对象模型的集合,它可以分为静态描述和动态描述两方面,静态描述即对系统的生产能力和市场特征的描述,动态描述则是在静态描述的基础上对产品生产的全过程进行预测。产品模型包括毛坯、中期产品模型、目标产品模型,完备的产品模型是产品实施过程中全部活动集成的保证。工艺模型是将工艺参数与产品设计数学结合起来,它反应了生产模型和产品模型之间的交互作用。

    2.仿真技术。仿真技术就是对复杂的现实系统进行“仿真”,依靠计算机对现实系统进行抽象和简化并形成仿真模型并运行该模型,得到一系列统计数据。产品仿真和加工过程仿真是产品制造过程仿真的核心,产品仿真就是在产品设计和生产的上游反馈和评估设计结果,加工过程仿真包括切削过程仿真、装配过程仿真和检验过程仿真等。

    3.虚拟现实技术。虚拟现实技术营造的是一种动态的虚拟环境,人可以借助一定的借口进入到该虚拟环境,参与和操纵该环境中的仿真物理模型,并且能够和过去的、未来的甚至虚拟的人物进行交互,这种动态的交互需要更多的技术及设备支持。在生存过程中使用这种虚拟现实技术,使得人从主观上对虚拟产品和制造过程产生存在感,加深人们对虚拟过程的正确理解和直观感受。

三、虚拟制造技术在钢管行业的应用展望

    1.虚拟制造技术在轧辊设计与制造中的应用。轧辊在钢管制造中有重要的地位,它是冷轧或热轧无缝钢管或其他各种形式的钢管的基础,但是轧辊的设计和制造受到多种因素的制约。虚拟制造技术可以对轧辊的设计、加工、装配的各个环节统一建模,并实现设计开发建模仿真、设计思维过程和设计交互行为仿真,锻造过程仿真切削过程仿真及检验过程仿真,从而克服传统轧辊设计制造模式周期长、制造成本高的缺点。虚拟的轧辊设计和制造过程使得钢管生产厂家不受时间和地域的限制,通过计算机网络进行设计和加工,共享资源,在轧辊设计与制造的各个环节都能发挥作用,这将有助于提高轧辊设计与制造的效率,进而降低钢管企业的生产成本

    2.虚拟制造技术在热轧无缝钢管生产中的应用。在热轧无缝钢管生产中,虚拟制造技术的使用主要体现在管坯加热工艺模拟和荒管再加热工艺模拟,管坯加热和荒管再加热是热轧无缝钢管生产的关键环节之一。虚拟制造技术首先要建立以钢管温度为对象的控制模型,然后通过仿真系统对加热炉的温度和管坯的加热时间进行仿真,该仿真过程是动态的,在收集实时监测数据的同时进行动态协调,并对加热速度进行控制,使得达到最佳的管坯穿孔温度或荒管再加热温度,最终实现在生存周期内不断优化生存过程的目标。

    3.虚拟制造技术在冷拔钢管生产中的应用。虚拟制造技术在冷拔钢管生产中的应用主要体现在为钢管的无芯棒拔制生产过程进行建模仿真。为解决金属在变形过程中因纵向延伸和横向流动所导致的管壁内层金属流动不均匀等问题,引入虚拟制造技术可以进行总体协调、动态优化,也可以对材料硬度、弯曲回弹、轮廓尺寸等问题进行仿真模拟。通过计算机模拟的这个模型,可以及时调整各项参数,减少失误与浪费。

四、总结

    虚拟制造技术的运用需要结合多学科、多领域的知识,它的使用离不开制造技术与仿真技术,它涉及到仿真、虚拟现实、数据继承、优化等多个领域,可见虚拟制造技术在未来还有很大的扩展空间和发展前景,尤其是在钢管行业中的应用潜力巨大,相信在未来会给钢管行业的设计与制造带来新的革命。

责任编辑:程玥
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