注塑模具CAD冷却系统的研究与开发.pdf

山东大学 硕士学位论文 注塑模具cad冷却系统的研究与开发 姓名：黄景雄 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：李凯岭 20090518 中文摘要 中文摘要 随着塑料性能的改进及模具技术的不断发展，越来越多的产品被塑料制品 所取代。我国的注塑模具工业发展迅速，目前注塑模具的设计生产约占整个塑 料模具设计生产的三分之一。随着塑料工业生产的发展，塑料工业产品的品种 和数量不断增加，产品更新换代加快，对产品质量、样式和外观也不断提出新 要求，对注塑模具质量要求也越来越高，同时力求尽可能缩短注塑模具的设计 和生产周期。而传统的模具c a d 软件，完全依赖于设计人员的经验和知识，设 计效率和质量不能满足现在模具发展的要求。 智能化、自动化是模具设计发展的一个主要方向。本课题将专家系统技 术引入到模具设计中，在三维软件s o l i d w o r k s 平台上，利用v b 程序，在深 入研究模具设计的特点、过程和理论知识的基础上，专注于冷却系统的理论 研究和软件系统的开发。 冷却系统的设计是注塑模具设计的重要环节，它直接影响塑件的质 量以及模具生产的效率。本文首先介绍了注塑模具的特点以及传统注塑 模具的设计过程，然后又提出了本课题所研究的注塑模具c a d 系统总体 设计方案，针对系统中的冷却部分进行分析。分析了影响冷却系统的因 素，总结归纳冷却装置的布设原则，冷却装置的类型，常用冷却回路的 类型，确定了冷却系统相关的参数的计算方法，为冷却系统c a d 奠定了 理论基础。 本文结合模具设计知识的特点，利用规则表示方法建立了注塑模具 冷却系统设计知识库；以s o l i d w o r k s 为平台，采用参数化驱动技术建立 了冷却系统的实体模型库；引进专家系统，系统通过推理机对知识进行 推理、分析、决策，确定模具冷却回路的方案；通过自动装配技术实现 模型的调入，参数驱动，实现冷却系统的自动化设计。整个设计过程由 计算机自动完成，不需要模具设计师的推理计算，减少了由于模具设计 师经验不足带来的设计缺陷，而且避免了不必要的人为错误，大大提高 了模具设计效率和质量。 山东大学硕十学位论文 同时本文还对读、写函数进行了设计和开发，从而实现了数据在各 窗体之间的传递以及更新；完善了生成型腔、型芯的设计功能，使系统 的自动化程度更高，通融性更强。 关键词：注塑模具；c a d ；冷却系统；二次开发 l i a b s t r a c t a bs t r a c t a l o n gw i t ht h ei m p r o v e m e n to fp l a s t i cp e r f o r m a n c ea n dt h ed e v e l o p m e n to f m o l dt e c h n o l o g y ，m o r ea n dm o r ep r o d u c t sa r es u b s t i t u t e db yp l a s t i cp r o d u c t s o u r c o u n t r y si n d u s t r yo fi n j e c t i o nm o l di sd e v e l o p e dr a p i d l y , n o w l y , t h ei n j e e t i o n m o l dt a k e sp a r to f1 3i nt h ew h o l ep r o d u c t i o no fp l a s t i cm o l d w i t ht h e d e v e l o p m e n to fp l a s t i ci n d u s t r y ，t h ev a r i e t ya n dq u a n t i t yo fp l a s t i cp r o d u c t s a r ei n c r e a s e d c o n t i n u a l l y , p r o d u c t s r e n o v a t e q u i c k l y , a n d t h en e w r e q u i r e m e n t st oq u a l i t ya n ds t y l eb r i n gf o r w a r dc o n t i n u o u s l y , c o n t e m p o r a r y t h er e q u i r e m e n t st oi n j e c t i o nm o l da r em o r ea n dm o r eh i g ha n dd e s i g na n d p r o d u c t i o nc y c l ea r ea ss h o r ta sp o s s i b l e t r a d i t i o n a ls o f t w a r e so fm o l dc a d d e p e n do nt h ee x p e r i e n c ea n dk n o w l e d g eo fd e s i g n e ra n dd e s i g ne f f i c i e n c y a n dq u a l i t yc a n ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fm o l d i n t e l l i g e n ta n da u t o m a t i o ni s am a i nd e v e l o p m e n td i r e c t i o no fm o l d d e s i g n t h i st o p i ci n t r o d u c e se x p e r ts y s t e mi n t om o l dd e s i g na n d c o n c e n t r a t e s o nt h ef u n d a m e n t a lr e s e a r c ha n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n to fc o o l i n gs y s t e m b a s i n go nd e e pr e s e a r c ho fm o l dd e s i g n ，d e p e n g d i n go ns o l i d w o r k sp l a t f o r m a n du s i n gv bp r o g r a m c o o l i n gs y s t e mi s a ni m p o r t a n tl i n ki ni n je c t i o nm o l dd e s i g na n di t d i r e c t l yi n f l u e n c e st h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo fp r o d u c t f i r s t l y ，t h i sa r t i c l e i n t r o d u c e si n j e c t i o nm o l d sc h a r a c t e r i s t i ca sw e l la st h ed e s i g np r o c e s so f t r a d i t i o n a li n j e c t i o nm o l d ，t h e np r o p o s e st h eo v e r a l lp r o j e c to fi n j e c t i o nm o l d c a ds y s t e m ，f i n a l l ya i m si nc o o l i n gs y s t e m a n a l y z et h ei n f l u e n c ef a c t o ro f c o o l i n gs y s t e m ，s u m m a r i z et h ea r r a n g e m e n tp r i n c i p l ea n dc o m m o n l yu s e d c o o l i n gl o o p st y p e ，a n dd e t e r m i n et h er e l a t e dp a r a m e t e r s t h i sa r t i c l es u m m a r i z e st h ec o o l i n gk n o w l e d g e ，u n i f i e sc h a r a c t e r i s t i co f m o l dd e s i g nk n o w l e d g e ，a n de s t a b l i s h e sc o o l i n gs y s t e mk n o w l e d g eb a s eo f i n je c t i o nm o l du s i n gr u l er e p r e s e n t a t i o n ；i n t r o d u c e st h ee x p e r ts y s t e mt o i l l 山东大学硕十学何论文 d e c i d et h ec o o l i n gl o o p sp l a nb yu s i n gr e a s o n i n gs y s t e mt or e a s o na n d a n a l y z em o l dk n o w l e d g e ；r e a l i z e sa u t o m a t i cd e s i g no fc o o l i n gs y s t e mb y a u t o m a t i cl o a d i n gm o d e lt h r o u g ha u t o m a t i ca s s e m b l yt e c h n o l o g ya n dt h e n d r i v i n gp a r a m e t e r t h ee n t i r ed e s i g np r o c e s sc o m p l e t e sa u t o m a t i c a l l yb yt h e c o m p u t e r , d o e sn o tn e e dt h em o l dd e s i g n e r sc a l c u l a t i o n ，r e d u c e st h ee f f e c to f d e s i g n e rw h oi si n s u f f i c i e n ti ne x p e r i e n c e ，a v o i d st h en o n e s s e n t i a lh u m a n e r r o ra n dr a i s e st h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yg r e a t l y s i m u l t a n e o u s l y t h i sa r t i c l ea l s oc a r r i e so nt h e d e s i g n a n dt h e d e v e l o p m e n to fr e a d w r i t ef u n c t i o n ，t or e a l i z ed a t et r a n s m i s s i o na n du p - t o d a t e p e r f e c t i n gd e s i g no fm o l dc o r ea n dm o l dc a v i t y ，a n de n h a n c e ss y s t e m s a u t o m a t i ca n dc o m m o n a l i t y k e yw o r d s ：i n je c t i o nm o l d ；c a d ：c o o l i n gs y s t e m ：s e c o n d a r yd e v e l o p m t i v 符号说明 符号说明 9 1 ，冷却水的体积流量( m 3 m i n ) 形单位时间( 每分钟) 内注入模具中的塑料重量( k g m i n ) q l 单位重量的塑料制品在凝固时所放出的热量( k j k g ) ； p 冷却水的密度( k g m 3 ) ； q 冷却水的比热容 k j ( k g ) 】； 乞塑料的比热容( k j ( k g 。) ) ； 鼠冷却水的出口温度( ) ； 岛冷却水的入1 2 1 温度( ) ； 反塑料熔体的初始温度( ) ； 幺塑料制品在推出时的温度( ) ； “结晶型塑料的熔化质量焓( k j k g ) h 冷却管道孔壁与冷却水之间的传热膜系数 k j ( k j h ) 】； p 模具温度与冷却水温度之间的平均温差( ) ； 厂与冷却水温度有关的物理系数； ， 1 ，冷却水在圆管中的流速( m s ) ； d 冷却水的的直径( m ) ； 冷却水的粘度( p a s ) ； 五冷却水的热导率 k j ( m h ) 】； 三冷却管道开设方向上模具长度或宽度( m ) ； 彳冷却管道总传热面积( m 2 ) ； 屯冷却管水道断面形状非圆形时的当量直径( m ) ； 卜冷却水道断面面积( m 2 ) ； 山东大学硕+ 学位论文 n 三冷却水道的断面周长( m ) 。 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：巡日期：! 竺也 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：坪导师签 e l 期：丛叼五心 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 模具是现代工业，特别是汽车、无线电、航空、电机电器、仪器、仪表、 兵器、日用品等工业必不可少的工艺装备。据国家工业部统计，目前7 5 的 粗加工工业产品零件、5 0 的精加工零件由模具成形；家用电器行业8 0 的 零件、机电行业7 0 以上的零件也都要靠模具加工，因此，模具又被称之为“百 业之母”。模具生产的工艺水平及科技含量的高低，已成为衡量一个国家科 技与产品制造水平的重要标志，在很大程度上决定着产品的质量、效益、新 ， 产品的开发能力，决定着一个国家制造业的国际竞争力【l 】。 注塑生产因其生产效率高、产品质量好、材料消耗少、生产成本低而获 得广泛应用。我国的塑料模具工业特别是注塑模具工业的发展更是迅速，现 今，注塑模具的设计生产约占整个塑料模具设计生产的三分之一。随着塑料 工业生产的发展，特别是2 0 世纪9 0 年代以来，塑料工业产品的品种和数量不 断增加，产品更新换代加快，对产品质量、样式和外观也不断提出新要求， 使注塑模具需求量增加，对注塑模具质量要求也越来越高，同时力求尽可能 缩短注塑模具的设计和生产周期，所以注塑模具技术直接影响着制造业的发 展、产品更新换代和企业竞争能力。因此，注塑模具设计生产企业也在积极采 用新技术、新方法，力争在产品功能、交货日期、质量、价格、售后服务、 可持续发展等方面不断进行改进。 传统的注塑成型模具设计，往往依赖于经验，需要有高技能的设计人员 才能较好地完成任务，同时需要较长的设计时间，一副中等复杂的注塑模具 从定货到交货可能要花费半年甚至更长的时间，设计过程的时间能占到一半 甚至更多。而使用通用的c a d 设计软件，模具生产周期缩短为2 4 个月【2 1 ， 但是模具设计环节的时间很难再缩短，而随着企业竞争的日趋激烈，各企业 为了在竞争中处于有利地位，纷纷加快了产品的更新换代速度，对模具的设 计和制造要求越来越高，交货期甚至缩短为一个月，显然现在的模具设计方 山东大学硕十学何论文 法已不能适应产品迅速发展的需要。 随着计算机技术、自动化技术的日益成熟，采用模具计算机辅助设计和 计算机辅助制造技术( 即模具c a d c a m 技术) 成为解决注塑模具设计与制 造中的薄弱环节的有效途径。它可以显著提高塑料产品和模具的设计制造效 率，减少设计中的主观错误，保证和提高模具的设计质量，减少试模和修模 的次数和时间，并且能够以计算机图形可视化的方式提供加工模拟，从而大 大缩短注塑模具产品生产周期，使产品实现快速生产，快速投放市场。 由于注塑模具c a d 技术在模具设计中诸多的优越性，目前国内外的高等 院校、科研单位以及模具设计制造企业都在对其进行广泛深入研究和开发【3 1 。 1 2 国内外模具c a d 技术发展与应用现状 随着模具工业的飞速发展，传统的模具设计、制造方法已不能适应产品生产 的要求。缩短模具设计与制造周期，提高模具精度和质量，加快新产品的上市速 度，采用c a d 技术是最有效的手段【4 】。 1 2 1 国外模具c a d 技术与应用现状 近几年来国外先进工业国家对模具c a d 技术的开发非常重视，在c a d 开发 上投入了很大的人力和物力，将通过c a d 系统改造成为适合模具行业的专用 c a d 系统，并将其应用于模具的设计与制造。 目前国际上流行的模具c a d c a e c a m 软件如下： u n i g r a p h i c sn x 是美国e d s 公司开发的面向制造业的c a d c a e c a m 系统。 u gn x 有强大的建模工具和分析模块，被广泛地应用于航空、航天、汽车、机 械、模具、工业设计等行业。u g m o l dw i z a r d 是u g 系列软件中一个独立的应用 模块，也是应用于注塑模具自动设计的专业应用模块。它应用知识嵌入的基本理 念，按照注塑模具设计过程的一般顺序来模拟模具设计的整个过程实现模具设 计，还能结合应用u g 软件的其它应用模块来拓展其功能，设计出复杂程度较高 的模具【5 】。m o l dw i z a r d 提供了用户设计管道的工具，利用该工具可以在模具装 配中交互地创建冷却管道。如果使用定义引导线构造引导线，便在引导线与管道 2 第1 章绪论 之间建立了相关性，系统利用在u g 中创建的线作为引导路径，然后用选择的流道 形状沿该引导路径作扫描操作，形成所需要冷却水道的基本形体，再用布尔运算， 从对应模板中减去该实体便可得到冷却水道。 p r o e n g i n e e r 系统是美国p t c 公( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 推出的 三维c a d c a m 软件，为满足模具行业需求，p r o e 提供了一系列模具设计模 块：p r o c a s t i n g ( 铸造模具设计) 、p r o m o l d e s i g n ( 注塑模、压铸模、锻模设计) ， p r o d i e f a c e ( 冲压模设计) 、e m x 模架专家库( e x p e r tm o l db a s ee x t e n s i o n ) ，m o l d f i l l i n gs i m u l a t i o no p t i o n ( 注塑模具流动分析功能包) 等。p r o m o l d e s i g n 模块用于设 计模具部件和模板组装，能自动生成模具型腔几何体，并可通过修改造型几何体 的方法补偿产品的收缩【6 1 。p r o m o l d e s i g n 模具冷却设计提供了水线( w a t e rl i n e ) 特征，需要由用户指定直径和绘制水线路径，来生成冷却回路。 c a t i a 是法国达索飞机公司( d a s s a u l ts y s t e m ) 在其开发的系统设计应用软件 的基础上与美国i b m 公司合作研究，共同支持和销售的c a d c a e c a m - - 体化软 件【7 】。c a t i a 也提供了模具辅助设计模块( m o l da n dd i em a c h i n i n ga s s i s t a n t ) 、 m t i ( 模具设计产品) ，它支持包括型芯、型腔模固定板定义、组件实例化、注射 和冷却特征定义等模具设计的所有工作。用户界面以标准目录库访问功能为基 础，通过对组件及其关联孔的混合实例化，支持模具零件和装配的自动配置。这 些预定义的组件可以使用诸如d m e ，d m e a m e r i c a ，e o c ，f u t a b a 等系列 标准模架库，以快速、经济地创建模具【8 】。 s o l i d w o r k s 软件是美国s o l i d w o r k s 公司在总结和继承大型机械c a d 软件的 基础上，在w i n d o w s 环境下实现的第一个机械c a d 软件，是面向产品级的机械设 计工具。s o l i d w o r k s 公司推出的i m o l d 插件提供给模具设计者一系列必要的 工具。在s o l i d w o r k s 界面里，通过它可以在一个装配方案中进行包括设计方 案管理、模具设计过程、加工和模具装配的整个过程处理，可以对产品在交 互状态下进行模具设计【9 1 。i m o l d 插件提供了冷却系统设计模块c o o l i n g d e s i g n e r ，由设计者手动设计冷却回路的线路。 总的来说，国外的注塑模具设计软件或模块已基本实现模具设计功能， 提高了模具设计的效率和质量，但是在设计的自动化和智能化方面还有一定 3 山东大学硕十学何论文 距离。 1 2 2 国内模具c a d 技术发展与应用现状 我国在注塑模c a d 技术开发、应用及研究方面起步较晚。从2 0 世纪8 0 年 代中期开始，国内部分大中型企业先后引进了一些国外知名度较高的注塑模 c a d 系统。同时，一些高校和科研院所也开始了注塑模c a d 系统的研制与开 发工作。 我国在注塑模c a d 技术研究与开发方面较具代表性的有： ( 1 ) 华中理工大学是国内较早自行开发研究注塑模c a d c a e c a m 系统 的单位之一，自2 0 世纪8 0 年代中期开始，就在注塑模流动分析模拟和冷却分 析模拟方面进行了较深入的研究与开发工作，并推出了注塑模c a d c a e c a m 系统，该系统包括塑件模型输入、流动分析、冷却分析、型腔强度和 刚度校核以及模具结构的参数化设计等功能【1 0 】。 ( 2 ) 上海交通大学从1 9 8 3 年开始，对注射模c a d 进行了多方面的研究。 在国内首次将人工智能技术引入注射模c a d 系统中，并于l9 8 8 年开发出集成 化注射模智能c a d 系统。现在在工作站u gi i 平台上进一步开发智能 c a d c a e c a m 系统【1 1 】。 ( 3 ) 浙江大学基于u g i i 系统开发出精密注塑模c a d c a m 系统，该系统 采用特征造型技术构造产品模型，使形状特征表达与工艺信息描述相统一， 并利用特征反转映射实现了型腔模型的快速生成。 ( 4 ) 北京航空航天大学华正模具研究所于2 0 世纪9 0 年代开始进行模具 开发，开发的注塑模c a d c a e c a m 系统具有塑料产品线框造型、曲面造型、 分析模拟和数控仿真与数控加工程序生成等功能。 ( 5 ) 合肥工业大学在注塑模结构c a d 技术方面进行了多年的研究与开发 工作，9 0 年代末先后研制出微机注塑模c a d 系统i p m c a d 和微机注塑模c a d 三维系统i p m c a dv 3 0 。该系统采用三维实体模型、实体造型技术，使系统在 设计效率和通用性两方面都得到较好的兼顾。现在以a u t o c a d 和m d t 作为环 境，进一步采用参数化特征模型、特征建模技术和装配模型技术，研制出注塑 模c a d 三维参数化系统i p m c a d v 4 0 。 4 第1 章绪论 ( 6 ) c a x a 是北京华正软件工程研究所开发的系列软件，是具有独立知识 产权的我国自主开发的c a d c a m 软件。“c a x a 注塑工艺设计”可预测注塑工 艺过程，确定优化的工艺参数，整合塑件设计、工艺设计和模具设计之间的关 系；提供了注塑模标准模架库和零件库及塑料原料、模具材料和注塑机等设计 参数库，可快速检索查询，并能自动计算和校核模具各零件尺寸。 总体来说，目前我国注塑模具c a d 技术水平还处于高技术集成向产业 化、商品化过渡的时期，虽然研究成果较多，但是研制的软件在可靠性、实 用性和稳定性方面与国外商品化的c a d 软件尚有很大差距，还没有形成真正 的商业化、实用化的软件。 1 2 3 注塑模具c a d 技术的发展方向 随着生产力的发展，注塑模c a d 技术也需要不断地发展、提高，其发展 方向主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 模具c a d c a e c a m 系统集成化 为提高模具的开发效率，人们将模具c a d 与模具c a e 、c a m 三个过程有 机地连接起来，实现了模具c a d c a e c a m 系统的三位一体化。这种系统将 模具c a d 的设计结果在经c a e 软件分析优化后直接用于数控仿真和生成数 控加工程序，并送到数控机床进行自动加工。在这种一体化系统的基础上， 人们又积极开展计算机集成制造系统( c o m p m e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g s y s t e m ，c i m s ) 的研制及其在模具开发方面的应用。模具c i m s 系统基于计算 机技术和信息技术，将模具设计、制造、生产管理以及经营决策等方面有机 地结合成一个整体。实现模具c i m s 系统的关键在于建立一个统一的全局模具 产品数据模型，以实现c a d 、c a m 、c a e 各单元之间的数据自动传递、转换 以及信息共享。模具c i m s 系统是物流和信息流的综合，能对产品开发、模具 设计、零件加工、整机装配和检测检验的全过程实施计算机控制，从而大大 缩短了模具的设计制造周期，降低了模具的生产成本，保证了模具加工质量， 并为企业创造了良好的经济效益。 ( 2 ) 模具设计网络化、协同化 随着模具工业规模的扩大，要做到全球资源信息共享、交换等，网络化 山东大学硕十学位论文 是必然的发展道路。现在，将多台微型机c a d 工作站联网或将多台微型机 c a d 工作站和工程工作站联网，构成分布式c a d 系统，已成为一种趋势。这 种局域网络系统结构灵活、功能强大、价格较低，每个工作站可单独使用， 也可相互配合，实现局域的资源和信息共享，也可实现并行设计和协同工作。 这种c a d 网络很适合企业单位的需要。因为企业中的产品设计与制造一般都 不是个人行为，而是一个组或一个科室群体有组织有计划进行的工程项目。 参与工作的各个成员必须相互配合、协同努力，在规定的权限下共享资源和 已有的设计结果，有关负责人还要对各阶段的设计结果进行审核。这种c a d 局域网络的建立以及设计管理和协同设计功能的实现，无疑将大大促进企业 经济效益的提高。伴随广域网i n t e r n e t i n t r a n e t e x t r a n e t 的兴起和拓展，注塑模 具网络c a d 系统不再局限于企业内部，全球不同地域的设计人员可以相互协 作，共同完成某项产品的设计。这无疑有利于全球资源信息共享，并符合经 济全球化的要求。 ( 3 ) 模具设计智能化 一般的c a d 系统都是一种人机交互系统，即系统中包含了使用系统的 人。使用c a d 系统的设计者在系统行为中起着主导和决策的作用，因此设计 结果往往带有人为的因素。人工智能( a i ) 、专家系统( e s ) 和基于知识的系统 ( k n o w l e d g e b a s e ds y s t e m ，k b s ) 技术【1 2 j 的发展及其在设计领域的应用，为 c a d 技术的发展开辟了新的途径，从而出现了新的面貌。所谓智能c a d 系统， 是一个具有大量知识与经验的程序系统。它采用人工智能技术，运用知识库 中的设计知识进行推理、判断和决策，解决以前必须由人类专家解决的复杂 问题，使c a d 技术的发展达到一个新的水平。 ( 4 ) 模具设计标准化 c a d 系统可建立标准零件数据库，非标准零件数据库和模具参数数据 库。标准零件库中的零件在c a d 设计中可以随时调用，并采用g t ( 成组技术) 生产非标准零件库中存放的零件，虽然与设计所需结构不尽相同，但利用系 统自身的建模技术可以方便地进行修改，从而加快设计过程，典型模具结构 库是在参数化设计的基础上实现的，按用户要求对相似模具结构进行修改， 6 第1 苹绪论 即可生成所需结构。 ( 5 ) 模具设计制造过程可视化 利用虚拟现实技术、多媒体技术及计算机仿真技术，实现产品设计制造 、过程中的可视化。也就是运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过 程中产生的数据及计算结果转换成图形或图像在屏幕上显示出来，它使冗 繁、枯燥的数据变得生动，融文字、语音、图像、动画于一体，给人一种身临 其境的真实感，由此更能激发人们的创造力 1 3 a 4 】。 1 2 4 目前注塑模具c a d 存在的问题 虽然c a d 技术引入我国后，在模具行业中迅速推广，大大提高了模具 的设计效率，但是在注塑模具设计领域，大多数模具公司仍然使用通用c a d 软件进行模具设计，专用注塑模具c a d 软件以及智能注塑模具c a d 软件的 应用并不多见，这主要是由于软件本身不能适应用户的需要造成的。现有的 注塑模具c a d 软件主要存在以下几个问题： ( 1 ) 软件平台问题 目前世界上的专用注塑模具c a d 软件以及智能注塑模具c a d 软件主要 有两种：一种是以通用c a d 软件为平台进行二次开发，一种是自主开发绘 图平台，并在此基础上开发注塑模具c a d 。而这两种软件都存在一定的问 题：在引入第一种软件的同时必须引用其平台，而它的平台多是u g 、p r o e 等高端软件，价格昂贵，这样导致引入的成本过高，不利于推广；第二种软 件由于绘图平台自主开发，而国内的绘图平台水平较低，尤其是三维平台， 最终导致开发的软件功能较差，因而影响了其推广和应用效果。 ( 2 ) 不能适应各企业中不同的标准规范 由于各行业有各行业的标准，各企业也有各企业的标准，各模具生产厂 家之间没有形成统一的设计、制造规范，这就要求注塑模具c a d 有比较高 的柔性，而现在的注塑模具c a d 软件还不能满足此要求。 ( 3 ) 现有的注塑模具c a d 实用性差 目前国内研制的注塑模具c a d 的实用性差，还处在试用阶段，很不成 熟，人机界面不能满足多种用户的要求，国外的同类软件虽然比较成熟，但 7 山东大学硕十学位论文 是它是针对国外注塑模具设计而开发的，很多地方不适合我国注塑模具设计 要求，例如设计过程中用到的标准件库和模架库不符合我国国标的要求，使 它们的实用性大大降低。 ( 4 ) 现有的注塑模具c a d 软件智能化程度低 现在国外比较成型的注塑模具设计软件，仍然停留在计算机辅助设计的 阶段，全部工作都是人机交互完成，智能化程度很低，所以对专家的依赖性 很强，不利于推广【15 1 。 1 3 注塑模具c a d 系统研究的意义及内容 1 3 1 课题研究的意义 针对目前注塑模具c a d 存在的自动化、智能化程度低，柔性差等问题， 本课题将人工智能技术引入注塑模具c a d 中，运用计算机中存储的模具专 家知识、经验进行推理、判断、决策，开发智能注塑模具c a d 系统。该系 统与传统的手工设计和通用c a d 设计方法相比有着无法比拟的优势，它主 要有以下几方面的优点： ( 1 ) 加快模具设计速度，缩短产品开发周期。在注塑模具c a d 系统中 存储有关的注塑模具综合性知识，通过推理机对知识的推理，来实现模具的 智能化、自动化设计，并可在系统内建立相应的数据库，使检索计算更加迅 速，从而避免了检索信息和计算过程中的繁琐操作，况且对于有些复杂的计 算，单凭人力无法胜任，必须借助于计算机。 ( 2 ) 提高产品质量，降低成本。人工智能技术的引入可以使模具设计 过程中减少对人类专家的依赖，计算机的高速运算和自动绘图也大大的减少 了劳动力，从而降低了人力资源的成本；优化设计减少了原材料的浪费，使 模具设计结构更加合理；直观的三维c a d 模型大大减少了产品试制的次数， 从而为提高产品质量、降低成本提供了的支持。 由于智能注塑模具c a d 具备以上优点，能大幅度的提高注塑模具行业 的生产率，对注塑模具工业的发展起着举足轻重的作用，但是国内外的智能 注塑模具c a d 技术还基本处于理论研究阶段，没有开发出实用性很强的软 8 第1 章绪论 件系统，企业中使用的模具c a d 软件系统大多是通用c a d 软件和专用c a d 软件。所以开发一款性价比较高的国产智能注塑模具c a d 软件具有较大的 应用价值。 1 3 2 课题开发平台 s o l i d w o r k s 作为目前c a d 领域主流的三维软件之一，是基于w i n d o w s 平台 下开发的全参数三维实体造型软件，它具有强大的零件设计、钣金设计、装配 设计、绘制二维工程图、支持异地协同工作等功能，它可以实现由三维实体造 型向二维工程图的转化，能够使零件设计、装配设计和工程图保持时刻的全相 关和同步。同时s o l i d w o r k s 具有良好的开放性和兼容性。它不仅可以向下兼容 二维a u t o c a d ，使得以前采用a u t o c a d 软件进行的设计得以继续使用和转化， 同时还可以与许多其他专业软件( 如有限元分析软件a n s y s 、数控加工软件 c a m w o r k s 、产品数据管理系统s m a r t e a m s ) 无缝集成为功能强大的 c a d c a e c a m p d m 系统，完全能胜任大型工程与产品的设计、分析、制造和 数据管理【1 6 1 。 同时s o l i d w o r k s 提供了a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 应用编程接 口，此接口为用户提供了自由、开放、功能完整的开发工具，其中包含了数以 百计的功能函数，这些函数提供了程序员直接访问s o l i d w o r k s 的能力。a p i 中 的函数可被v i s u a lb a s i c 、c c + + 、v b a 或者是s o l i d w o r k s 宏文件以及其它支持 o l e 的开发程序调用，从而可以扩展s o l i d w o r k s 的功能1 7 】，使用户可以方便的 对其进行二次开发。 1 3 3 课题已进行情况及本文主要研究的内容 经过前几届研究生的研究与开发，本系统已经基本可以实现在 s o l i d w o r k s 中进行注塑模具设计的流程，通过将一些数学模型、结构模型、 经验公式编入到程序中，能实现部分塑件的设计全过程。 但是，由于模具c a d 系统的开发是一项庞大的系统工程，已开发的系 统还不完善。模具设计知识不断完善，经验模糊知识难以表示，知识库还需 要进一步完善。推理机与知识库还没有完全建立连接，灵活性差，冷却系统 9 山东大学硕十学位论文 还没有建立。本文的主要工作主要集中在圆周式、直通式、复合式冷却系统 的研究与开发。塑料注射模具冷却设计的关键就在于冷却类型的确定、主要 尺寸参数的确定、以及冷却管道图形的自动生成三个方面。如何根据制品特 点、不同的型腔布局形式来确定冷却管道的形式以及相关的尺寸，这是要解 决的问题，其核心就是要解决各种设计知识与c a d 平台之间的联系，以及 利用参数化技术来实现三维图形的自动生成，最终目的就是开发出一个与现 有系统相融合、有效、实用的注塑模冷却系统设计功能模块，它集知识处理、 数据管理、图形自动生成为一体，以指导和辅助冷却系统的图形设计及生成。 针对目前智能c a d 系统存在的问题，本文主要研究以下内容： ( 1 ) 研究了注塑模具设计知识获取的方法，确立了冷却系统推理的规 则表示、框架表示及其混合表示的知识表示方法； ( 2 ) 绘制注塑模圆周式、直通式、复合式冷却系统三维实体模型，完 善了参数化实体模型库，并能通过程序加以实现。 ( 3 ) 研究了s o l i d w o r k s 的自动装配技术，通过在零件模型上绘制装配 基准，将所需的装配关系存储在装配关系数据库中，实现了注塑模具设计过 程中的自动装配； ( 4 ) 充分利用自上而下的装配体设计技术实现了在装配体环境下对冷 却系统进行设计； ( 5 ) 利用读写函数实现了对系统中的进程文件进行操作，提高了程序 的运行和调试效率。 ( 6 ) 利用曲面切割的方法生成型芯、型腔。 1 4 本章小结 本章主要介绍了注塑模具c a d 技术发展的背景，目前国内外注塑模具 c a d 技术发展的现状及其发展趋势。根据注塑模具c a d 发展现状和趋势以 及存在的问题阐述了本课题研究的意义，提出了研究本课题所用的软件开发 平台，同时总结了本课题已经进展的情况和不足，最后提出了本文研究的主 要内容。 1 0 第2 章注塑模具c a d 开发所需的准备知识 2 1 引言 第2 章注塑模具c a d 开发所需的准备知识 塑料注塑成型工艺十分复杂，设计模具时要考虑的因素也比较多，因此传 统的手工设计方法对模具设计人员的知识、经验和技术要求很高。注塑模具设 计的特点主要有： ( 1 ) 外部约束条件多。要选择适合的塑料并对所选塑料的性能参数及工艺 条件进行认真考虑，要考虑注塑机的注射量、注射压力、锁模力、机架尺寸和 刚度等条件，还要充分考虑塑料产品的形状结构、尺寸大小及其使用场合和生 产批量等需求。 ( 2 ) 结构复杂且灵活多变。注塑模具包含模架、成型零部件、流道系统、 冷却系统、侧抽芯、顶出机构等部分。成型零部件一般由型腔模、型芯模、型 芯销和侧向抽芯等部分组成；流道系统包括主流道、分流道和浇口等部分；冷 却系统一般包括定模冷却管道、动模冷却管道和型腔、型芯模中的冷却芯等部 分。注塑模具结构的复杂性可见一斑，无论是模具整体结构还是某些零部件的 结构，在设计实现时大都没有固定不变的准则可循，不同的设计师往往设计出 不完全相同的可行的结构方案，灵活性很强。 ( 3 ) 经验性和试探性强。注塑成型工艺过程难以用定量关系描述，并存在 许多不确定的因素，因此注塑模具设计离不开设计师的经验，而且设计出来的 模具一般都要经过反复的试模与修模过程。 2 2 通常情况下注塑模具的设计步骤 2 2 1 数据准备阶段 模具设计人员以“模具设计任务书“ 为依据进行模具设计。其内容应包括： 塑料制件图纸、塑料的牌号与要求、生产数量、塑料制件的说明书或技术要求， 如果可能还有塑料制件样品。分析工艺资料，了解所用塑料的物化性能、成型特 山东大学硕士学何论文 性以及工艺参数，调研、消化原始资料，选择成型设备。 2 2 2 确定模具结构方案阶段 理想的模具结构应能充分发挥成型设备的能力( 如合理的型腔数目和自动化 水平等) ，在绝对可靠的条件下使模具本身的工作最大限度地满足塑件的工艺技 术要求( 如塑件的几何形状、尺寸精度、表面光洁度等) 和生产经济要求( 成本低、 效率高、使用寿命长、节省劳动力等) ，由于影响因素很多，可先从以下几方面 做起： 确定型腔的数目及其布置根据塑件的形状大小、结构特点、尺寸精度、 批量大小以及模具制造的难易、成本高低等确定型腔的数量与排列方式； 选择分型面分型面的位置要有利于模具加工、排气、脱模、塑件的表面 质量及工艺操作等，在设计过程中，要综合考虑以上因素的影响； 确定浇注系统包括主流道、分流道、冷料穴( 冷料井) ，浇口的形状、大 小和位置，排气方法、排气槽的位置与尺寸大小等； 确定脱模方式考虑开模、分型的方法与顺序，拉料杆、推杆、推管、推 板等脱模零件的组合方式，合模导向与复位机构的设置以及侧向分型与抽芯机构 的选择与设计； 模温调节系统与脱模机构的结构设计模温调节系统与脱模机构同步设计 有助于两者的很好协调，并体现对温度调节系统重要性的认识； 确定主要零件的结构与尺寸考虑成型与装配需要及制造与装配的可能， 根据所选材料，通过理论计算或经验数据，确定型腔、型芯、导柱、导套、推杆、 滑块等主要零件的结构与尺寸以及安装、固定、定位、导向等方法； 支承与联接如何将模具的各个组成部分通过支承块、模板、销钉、螺钉 等支承与连接零件，按照使用与设计要求组合成一体，获得模具的总体结构。 初步确定模具结构方案后还要进行方案的讨论与论证，进行分析论证与权 衡、选出最合理的方案。 2 2 3 模具设计实施阶段 确定好方案后，就要进行相应的实施工作，绘制模具装配草图，然后正式绘 1 2 第2 章注塑模具c a d 开发所需的准备知识 制模具装配图，以及模具相关零件图。最后编写模具设计说明书，详细说明塑件 的材料成型特性、工艺参数，成型设备的选择，以及模具各个结构模块的相应计 算及校核。最后在模具试制过程中更改设计不合理之处，直到试模完毕能生产合 格注塑件1 1 8 】。 2 3 注塑模具c a d 系统总体方案 注塑模具c a d 系统将专家系统引入到模具设计中，总结注塑模具设计经 验、知识，利用知识表示建立知识库；结合注塑模具设计特点确定合理的推