（机械制造及其自动化专业论文）基于特征与cbr的模具成型零件自动生成技术研究.pdf

大连理工夫学硕- t ：学往论文 攘要 随港现代工业产品技术的发展，塑料制最在汽车、电子、窳用电器、极城、建筑等 领域的威用越来越广泛。尤其阻注塑成型方法成形的制品在各炎塑料制品的应用中占有 较高的比例。注塑制品的成型离不开模是，丽模具的设计巷4 造质量又决定着注魍制品的 精度与溪量。在全球纯竞争酌市场环境下，如何提高模其设计与制造的质量，一直是模 具技术研究领域的主要内容。威用c a d c a m 技术可大幅度提高模具设计与制造的质量。 瞧现有静模兵c a d 系统在智能傀方面存在明显的不是，因魏，研究模其设计过程的自动 化与智能化技术，对提高模具技术的总体水平舆有重要意义。 残爱零释怒模买续构设计审的重要内容，磁是搂其c a d 技术磺究瀚核心内容之一。 研究成型零件的自动化、智能化生成技术与方法，对提商模具c a d 技术水平及横具设计 蠡冬矮量与效率鬃骞重要惫义。 本文在全面分析了、注塑模舆成型零件自动嫩成技术研究方法与特点的基础匕，基于 a u t o c a d 2 0 0 2 孚袅，应瘸v c + + 6 。0 、s q ls e r v e r 2 0 0 0 弱o b j e c t a r x 等开发工具，采弱蒸 于特征与事例推理相结合的方法，研究了模具成型零件的自动生成技术。 或黧零终设诗豹基本依据燕塑馋模囊，菇满足成型零磐自动设诗懿接理要求，采爝 面向对象技术、数据库技术来分别表示和存储设计知识，通过构建塑件特征模粼、选择 矜型嚣、修蛰婺传表霆蛇凹路及槐造虚拟型腔蛇具钵方法，实现了由塑传建摸到模具成 型零件的自动生成。并鼠构建了成型零件自动擞成系统的总体缩构框架及相关功能模块 葶设计溪例库。最后通过花盆塑件给出了模具成型零件自动生成过程鲍应用实例。实例 运行结梁表明，系统操作过程简单，运行可靠，具有智能亿功能，可为模具的橱能化、 自动化没计提供有效的参考。 荚键谰：注塑模具；成溅零件 基于特征与事例推理；自动生成技术 韩丹莉：基于特征与c b r 的模具成型零件自动生成技术研究 a u t o m a t i cg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c ho f m o l d i n gp a r t sb a s e d o nf e a t u r ea n dc b r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l c i g i e sf o rt h em o d e r ni n d u s t r i a l p r o d u c t s ，t h e a p p l i c a t i o no f p l a s t i cp r o d u c t si nf i e l d ss u c ha st h ea u t o m o b i l e ，e l e c t r o n ，h o u s e h o l da p p l i a n c e s m a c h i n e r y , b u i l d i n g ，e t c i sm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e e s p e c i a l l yt h ep l a s t i cp r o d u c t ss h a p e d b yi n j e c t i o nm o l d i n ga c c o u n tf o rac o n s i d e r a b l ep r o p o r t i o ni na l lk i n d so fp r o d u c t s m o l d i n g p r o d u c t sa r ei n d i s p e n s a b l et om o u l d ，a n dt h e i rp r e c i s i o n sa n dq u a l i t i e sa r ed e t e r m i n e db yt h e q u a l i t i e so fm o u l dd e s i g na n dm a n u f a c t u r e u n d e rt h ee n v i r o n m e n to ft h ec o m p e t i t i o nm a r k e t f o rg l o b a l i z a t i o n ，h o wt oi m p r o v et h eq u a l i t i e so f m o u l dd e s i g na n dm a n u f a c t u r eh a sb e e nt h e m a i nc o n t e n to ft h em o u l dt e c h n i c a ld e v e l o p m e n tf i e l da l lt h et i m e t h ea p p l i c a t i o no f c a d c a mt e c h n o l o g yc a ni m p r o v et h em o u l dd e s i g na n dm a n u f a c t u r eb yal a r g em a r g i n b u tt h e r ea r eo b v i o u sd e f i c i e n c i e si ni n t e l l e c t u a l i t yi nt h ec u r r e n tc a d s y s t e m ，s t u d y i n gt h e a u t o m a t i ca n di n t e l l i g e n tt e c h n o l o g yo fm o u l dd e s i g np r o c e s si ss i g n i f i c a n tt ot h em o u l d t e c h n o l o g yo v e r a l ll e v e l t h em o l d i n gp a r ti sa ni m p o r t a n tc o n t e n ti nt h em o u l ds t r u c t u r a ld e s i g n ，a n di ti sa l s o o n eo ft h ek e yc o n t e n t so fm o u l dc a dt e c h n i c a lr e s e a r c h t h ei n v e s t i g a t i o no fa u t o m a t i ca n d i n t e l l i g e n tt e c h n o l o g ya n dm e t h o di ss i g n i f i c a n tt oi m p r o v et h el e v e lo fm o u l dc a d e n g i n e e r i n ga n dt h em o l dd e s i g nq u a l i t i e sa n de f f i c i e n c i e s u s i n ga u t o c a d 2 0 0 2a st h ep l a t f o r ma n dv c + + + 6 0 s q ls e r v e r 2 0 0 0a n do b j e c t a r x a s d e v e l o p i n gi n s t r u m e n t s ，t h i sp a p e rs t u d i e st h e a u t o m a t i c g e n e r a t i o nt e c h n o l o g yf o r i n j e c t i o nm o l d i n gp a r t sa c c o r d i n gt ow i d e l ya n a l y z i n gt h ea p p r o a c h e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f t h e mw i mt h ec o m b i n a t i v em e t h o db a s e do nf e a t u r ea n dc b r t h ep l a s t i cp r o d u c tm o d e li st h ep r i m a r yf o u n d a t i o nf o rt h em o l d i n gp a r t i no r d e rt o m e e tt h er e a s o n i n gr e q u i r e m e n t st h a tt h em o l d i n gp a r ti sa u t o m a t i c a l l yd e s i g n e d ，t h i sp a p e r a d o p t so r i e n t e d o b j e c tt e c h n o l o g y , d a t a b a s et e c h n o l o g yt os e p a r a t e l ys h o wa n ds t o r et h e d e s i g nk n o w l e d g e t h r o u g ht h ec o n c r e t em e t h o d ss u c ha sf e a t u r em o d e l i n g ，c h o o s i n gp a r t i n g s u r f a c e ，m e n d i n gu n d e r c u t so nt h es u r f a c ea n db u i l d i n gf i c t i t i o u sc a v i t y , t h i sp a p e rr e a l i z e st h e m o d e l i n gf o rp l a s t i cp a r t sa n dt h ea u t o m a t i cg e n e r a t i o no f m o l d i n gp a r t s t h ee n t i r es t r u c t u r ef i a m eo ft h ea u t o m a t i cg e n e r a t i o ns y s t e mf o rm o l d i n gp a r t s ，t h e r e l e v a n tf u n c t i o nm o d u l e sa n dt h ec a s ed a t a b a s ea r ea l ld e s i g n e d i nt h el a s tp a r t ，ap l a s t i cp a r t o fs q u a r ef l o w e r p o ti su s e dt oe x p l a i nt h ep r o c e s sa n dm e t h o d s a n dt h er e s u l to ft h ei n s t a n c e i n d i c a t e st h a tt h eo p e r a t i o np r o c e d u r eo f t h i ss y s t e mi ss i m p l e ，t h ep e r f o r m a n c ei sr e l i a b l et o r u n a n di tc a no f f e re f f e c t i v er e f e r e n c e sf o rm ei n t e l l i g e n ta n da u t o m a t i cd e s i g no f t h em o u l d k e yw o r d s ：i n j e c t i o nm o u l d ；m o l d i n gp a r t s ；b a s e do nf e a t u r ea n dc b r ；a u t o m a t i c g e n e r a t i o nt e c h n o l o g y i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文跫我个人在导师指导下进行的研究工 作及取褥磷究残果。尽我所知，除了文中特掰加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者英德蕈经的学位或谖警瘊搜尾过的材料。与我司王佟戆翳意 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名；。_ 日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阕和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 鞋蓦= 警 靳签名：孚剑l 呈监年卫月盟日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 注塑模具c a d 技术发展概况及趋势 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 是当代计算机应用的一个重要领 域。随着计算机硬件和软件技术水平的迅速提高，c a d 技术及其应用一直处于日新月异 的发展浪潮中。作为c a d 技术应用的一个十分重要的领域，塑料模具计算机辅助设计、 模拟分析与制造，即模具c a d 、c a e 、c a m ( 统称c a d ) 也一直是国内外普遍关注的热点。 作为高分子化学和材料科学发展的重要成果，塑料早已为人们熟悉，塑料产品已成 为人类生产和生活中不可缺少的重要组成部分。多年来，塑料产品制造业一直在迅速发 展，而当前全球范围的以塑料代替金属的趋势又进一步加速了这一发展速度。塑料产品 一般采用模塑成型方法生产，因而塑料成型模具已成为塑料制品生产的重要工艺装备， 在国民经济中起着愈来愈重要的作用。随着塑料制品在汽车、电子、家电、机械等产品 和日常生活用品中越来越广泛的应用，市场对塑料模具的需求越来越大，设计和制造的 要求也越来越高，传统的模具设计与制造方式已不能满足市场对高质量模具的要求。应 用c a d c a m 技术可以显著提高塑料制品和塑料模具的设计制造效率，提高设计制造质量， 减少试模修模时间，从而缩短从塑料产品设计、模具设计与制造到制品模塑生产的整个 周期“。 1 1 1 注塑模具c a d 技术发展概况 发达工业国家注射模c a d 技术发展相当迅速。2 0 世纪7 0 年代己开始应用计算机对 熔融塑料在圆盘形、管形和长方形型腔内的流动情况进行分析。8 0 年代初，人们成功地 采用有限元法分析三维型腔内塑料熔体的流动过程，使设计人员可以依据理论分析并结 合自身的经验，在模具制造前对设计方案进行评价和修改，以减少试模时间，提高模具 质量。近十年来，注射模c a d 技术在不断进行理论和实验研究的同时，十分注意向实用 化阶段发展，一些高水平的商品软件逐步推出，并在推广和实际使用中不断改进、提高 和完善。比较有代表性的软件系统有。1 ： 澳大利亚m o l d f l o wp t y 公司的m o l d f l o w 系统该系统具有很强的注射模分析模 拟功能，包括绘制型腔图形的线框造型模块s n o d ，有限元网格生成模块f m e s h ，流动分 析模块f l o w ，冷却分析模块c o o l i n g ，流动、冷却分析结果和摸架应力场分布的可视化 显示模块f r e s 以及翘曲分析模拟模块。 p r o e n g i n e e r 系统是美国参数化技术公司p t c ( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ) 推出的三维c a d c a m 软件，包括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 df 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。 韩丹莉：基丁特征与c b r 的模具成型零件自动生成技术研究 u g ( u n i g r a p h i c s )是美国e d s ( e l e c t r o n i cd a t as y s t e m sc o r p ) 公司旗舰 c a d 产品。该软件为用户提供了一个全面的产品建模系统，也提供了众多模具c a d 模块： u g d i ee n g i n e e r i n gw i z a r d ( 冲压模工程向导) 、u g p r o g r e s s i v ed i ew i z a r d ( 多工 位级进模向导) 、u g m o l d w i z a r d ( 注塑模具向导) 等。 我国在注射模c a d 技术开发、应用及研究方面起步较晚。从上世纪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c a d 系统。同时，某些高等 学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。多年来，我国对注射模设 计制造技术及其c a d 的开发应用十分重视，在“八五”期间，这方面安排了“大型薄壁 深腔注射模具制造技术”、“多型腔小模数齿轮精密模具制造技术”和“实用c a d c a m 技 术在精密注射模具制造中的应用”等国家重点企业技术开发项目，还安排了国家“八五” 重点科技攻关项目“塑料注射模c a d c a m c a e 集成系统研究”。不少省市也在这方面安 排了攻关项目或重点科研课题。这些项目的成果对促进我国注射模c a d 技术的迅速发展 起到了重要作用，使我国注射模c a d 技术的发展和应用水平得到很快提高。 我国在注射模c a d 技术研究与开发方面较具有代表性的工作有： 华中科技大学是国内较早自行开发研究注射模c a d c a m c a e 系统的单位之一，自 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地研究与 开发工作，并推出了塑料注射模c a d c a m c a e 系统h s c - i 。该系统包括塑料制品三维形 状输入、流动模拟、冷却分析、型腔强度与刚度校核及模具图设计与绘制等功能，在一 些企业单位应用，取得较好效果，现已实现商品化。 浙江大学基于工作站的u g i i 系统开发出精密注射模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统一，并利用特征反转映射 实现了型腔模型的快速生成。 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1 9 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 m c a e 系统。 1 1 2 计算机辅助模具成型零件自动生成技术的国内外现状 随着模具c a d 技术的发展，模具设计的质量和效率有了明显的提高，如模具标准件 的选择、模拟分析等模块已在模具设计的实际应用中发挥了比较重要的作用。但在模具 成型零件自动生成方面，由于塑件结构的复杂性和多样性，导致其自动生成算法的研究 进展比较缓慢，尽管国内外学者针对这方面的研究已经取得了一定的成果，但大多还处 于理论研究阶段，在实际应用中，目前还没有开发出能实用于各种情况下的成型零件自 动生成算法。不能实现成型零件的自动生成，也就无法实现从塑件模型到模具成型零件 的自动转换。因此模具成型零件自动生成模块的实际应用滞后于模具c a d 系统的其他模 块，使得整个模具c a d 系统的功能大打折扣，延缓了整个模具设计过程的自动化程度， 2 大连理工大学硕士学位论文 因此本文提出对成型零件自动生成技术的研究具有较强的实际意义。 目| j r 注塑模具成型零件自动生成技术的研究主要集中在以下三个方面【4 】：1 ) 塑件的 几何建模到模具成型零件工作尺寸的自动转换1 5 。8 】。模具成型零件工作尺寸是指成型零 件上直接用于成型塑件部分的尺寸，它决定了最终成型的塑件尺寸。熔融塑料在模具型 腔中冷却定型过程中，由于塑料所具有的收缩特性以及其他因素的影响，导致塑件尺寸 与模具成型零件工作尺寸存在着差异；2 ) 塑件分型方向与模具分型面的自动选取”。 模具设计实践表明，脱模方向和分型面的确定是影响模具结构设计和制造成本的重要参 数之一，也是模具成型零件自动生成的基础；3 ) 由塑件模型到模具成型零件结构的自 动生成。这是指对经过了尺寸转换和分型面选择的塑件模型，进行模具成型零件结构的 自动生成，如型腔、型芯、成型杆与侧抽芯等直接和塑件内外表面相接触的零件。 目前国内外注塑模分型面自动生成算法的研究可分为两类。一类是以整个塑件几何 实体为研究对象，采用不同算法确定沿分型方向的塑件最大轮廓作为分型面；另一类是 以塑件实体的表面为研究对象，根据对面的分析确定塑件的分型方向、分型线或分型面。 这种分法并不是绝对的，许多算法之间有很多联系及相关因素，但问题的关键都是要找 出塑件在某一方向上的最大轮廓线作为分型线，从而确定出塑件的分型面位置f 1 2 - 1 5 。 在上述三个方面的问题研究中，第一方面的研究已经比较成熟：而分型面自动生成 的研究目前还大都处于理论探索阶段，且是第三方面研究的基础；第三方面的研究虽然 取得了一定成果，但自动化程度还不高。 从目前模具成型零件自动生成算法的国内外研究现状中可以看出，大多数学者试图 通过建立某一种数学模型的方法来全面表达成型零件设计的过程，但由于塑件结构的复 杂性和多样性，使得数学模型的应用具有一定的局限性“”。1 。而且成型零件设计是一个 经验性比较强的工作，模具专家在长期的设计实践中所形成的感性经验往往是模糊的， 非公式化的，很难用某一种数学模型进行完整表示。随着人工智能( a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，简称a i ) 技术在模具设计中的应用，并取得了较好的效果。成型零件设 计的经验知识同样可以以特定的知识表达方式记录并保存，使之可以永久的利用。因此 将基于特征和c b r 的方法引入到成型零件计算机辅助设计中来，拓宽了成型零件自动生 成研究的方法，具有一定的理论意义。 1 1 3 发展趋势 注塑模具c a d 技术的发展方向是集成化、智能化、柔性化、网络化和并行化等1 ， 以提高系统的实用性和方便性，降低生产成本。 ( 1 ) 注塑模具c a d 与c a m 系统集成 为了提高模具的开发工作效率，人们将模具c a d 与模具c a m 两个过程有机地连接起 来，实现了模具c a d c a m 一体化。这种系统将c a d 的设计结果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。 韩丹莉：基于特征与c b r 的模具成型零件自动生成技术研究 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 u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，c i m s ) 的研制及其在模具领域的应用。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、整体装配和检 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 ) 建立和应用注塑模具c a d 网络环境 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。参加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 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 ) 人工智能( 专家系统) 技术在注塑模具c a d 中的应用 目前的模具c a d 系统大都是人机交互式系统，即系统中包含了使用系统的人。使用 模具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 ) 技术的发展及其在注塑模具设计领域的应用，为注塑模具c a d 技术的发展开辟了 新的途径，从而出现了新的发展生机。 所谓智能模具c a d 系统，是一个具有大量模具设计知识与相关经验的程序系统。它 采用人工智能技术，运用模具设计知识库中的设计知识进行推理、判断和决策，解决以 前必须由模具设计专家解决的复杂问题，使模具c a d 技术的发展达到一个新的水平。由 于模具设计知识库中的知识来源于专家长期积累的设计经验，因此，一个成功的模具c a d 专家系统可以达到甚至超过模具设计领域专家的水平。 4 大连理工大学硕士学位论文 1 2 注塑模具设计技术概述 1 2 1 注塑成型的原理与基本概念 注塑成型是指将粒状或粉状塑料置于能加热的料筒内，经过加热使之成为熔体，用 柱塞或螺杆作为加压工具，使熔体通过喷嘴以较高的压力注入模具的型腔中，经过冷却、 凝固阶段，而后从模具中脱出，成为塑料制品“。 成型零件是指直接用于成型制品内外表面的零件。主要包括型腔、型芯、成型滑块、 螺纹型芯、型环、成型顶杆以及可以活动的成型块、侧滑块等零件o “。成型零件中最核 心的部分是型腔和型芯，一般型腔用于成型注塑件的外部形状，型芯用于成型注塑件的 内部形状o “。 分型面是为了将塑件和浇注系统凝料从密闭的模具中取出，以及为了安放嵌件等， 而将模具适当的分成两个或多个主要部分，这些可以被分离部分的接触表面通称为分型 面。通常把分开模具的动、定模的分型面叫主分型面。 设计注塑模具时，选择分型面是一个重要的环节。分型面选择合理，模具制造的工 艺性好，塑件质量就容易保证，否则会给模具设计与制造带来很大的麻烦。 分型方向是指开模时，塑件从模具型腔或型芯脱离的方向。通常是与模具开模方向 一致。 分型线是指模具打开时塑件与模具分型面相接触的边界线，它与脱模方向有关。为 了使成形的塑件能够从模腔中顺利脱模，必须正确确定分型线的位置”。 侧凹是塑件上阻碍型腔和型芯沿主脱模方向移动的凸起或凹陷特征。侧凹又分外部 侧凹和内部侧凹，外部侧凹是在塑件外表面的凸凹结构，它阻碍塑件从型腔中脱出；内 部侧凹是塑件内部表面的凸凹特征，它阻碍塑件从型芯中脱出嘞1 。 1 2 2 注塑模具设计技术发展的过程 模具设计技术的发展主要经历了三个阶段“”1 ： ( 1 ) 完全手工设计阶段 这一阶段主要依靠设计人员的经验、技巧和现有的设计资料，从对塑件的工艺计算 到注塑模具的设计制图，全靠手工完成，设计效率低下，不能满足模具制造周期的要求。 同时，由于设计过程依赖于设计人员的经验和技巧，缺乏系统的理论指导，所以模具的 质量难以保证。 ( 2 ) 应用通用c a d c a m 系统进行模具设计 随着现代工业的不断发展，以手工为主的注塑模具设计己不能满足客户需求，通用 的c a d c a m 软件便在模具设计中发挥了重要作用，人们利用计算机的高效、准确性，部 分地代替了手工设计与绘图工作，减轻了设计人员的劳动强度，并在很大程度上提高了 模具设计的质量，缩短了模具设计的周期。但模具设计的质量和效率仍然依赖于设计者 韩丹莉：基于特征与c b r 的模具成型零件自动生成技术研究 的经验和对c a d 系统的熟练程度，没有完全发挥出c a d 系统的优势，不能满足工业产品 快速发展对模具设计的要求。 ( 3 ) 专用注塑模c a d 系统的研究与开发 由于通用c a d c a m 系统可在汽车、航空、建筑等多个领域应用，针对性不强，而模 具设计又是一个复杂和经验性较强的工作，因此许多具体模具设计的专业知识，像收缩 率的计算、由塑件模型到模具成型零件尺寸的转换、模具成型零件的生成等还必须由设 计人员手工操作完成。而且通用c a d 系统各模块之间的集成化程度较低，如设计者在进 行注塑模具设计时，首先须借助相关的计算规则来处理由塑件几何模型到模具成型零件 的尺寸转换，以解决材料的收缩率问题；再凭设计者的知识和经验确定塑件的分型方向 和模具分型面；然后，还须按系统提供的几何造型方法分别向计算机输入塑件及型腔型 芯的尺寸数据，才能完成模具成型零件的结构与工作尺寸设计；最后再依据模具设计的 总体方案，通过人机交互进行详细结构设计。这一过程需对同一塑件的几何信息进行三 次重复操作，既浪费时间与人力，又易出错，更没有充分发挥c a d 技术的优势。因此开 发出专用的注塑模具c a d 系统，把塑件造型、模具成型零件设计、浇注系统设计、顶出 机构设计、模架选择和流动分析等许多功能模块集成于一体，实现快速、高效的注塑模 具设计，是模具技术的发展方向。 专用注塑模c a d 系统开发包括许多内容。”，如标准零件库。”、顶出机构。”、浇注 系统以及模具成型零件“。“等，其中以模具成型零件自动生成的研究最为困难，因为 模具成型零件直接与塑件模型相关，而塑件模型的结构又具有复杂性和多样性，这就决 定了模具成型零件的自动生成过程具有许多不确定性，因此对模具成型零件自动生成技 术的研究成为模具c a d 技术研究领域的热点和难点。 1 3 课题的提出和主要内容 1 3 1 基于特征与o b r 的成型零件自动生成方法的提出 特征技术作为一种新兴技术，在产品设计和c a d 等方面的应用日趋广泛和成熟。自 特征( f e a t u r e ) 的概念产生以来，特征技术的研究一直十分活跃。这是一种既面向设 计过程也面向制造过程的新型造型技术，是几何造型技术的新一代发展。特征造型的出 现，一方面为设计人员提供了高层的符合设计思维的人机交互语言，改变了传统的 基于几何拓扑的低层次交互设计方法，使设计人员能集中精力处理较高层的设计问题， 有助于设计质量的提高。另一方面，由于特征是一个高层次的设计概念，内含大量设计 人员的设计意图，这对于设计的修改维护及后续的分析综合等过程有重要的意义”1 。 特征是为了表达产品的完整信息而提出的一个新概念。它是一组具有特定属性相互 关联的几何形体，是零件形状、工艺和功能等特征信息集的综合描述。它能携带和传送 有关设计和制造所需要的工程信息。对于制造领域，非几何信息包括尺寸与公差、表面 大连理工大学硕士学经论文 粗糙腹、材料与热处耀等信息。其中，形状特征是携带某些特征信息的主要载体。 褥锰定义豹方法骞嚣耱；一秘楚预定义( 1 y e d e f i n i t i o n ) ，另一耱是螽定义 ( p o s t d e f i n i t i o n ) 。预定义指的是先定义特征再产嫩几何体，用户直接定义特征，系 统掇撰浚入黪黪徭参数生或缎残特征懿冗每嚣素( 嚣蠛实捧) ，这秘方法霹翔在结麴瓣 设计阶段。设计者在以外形数据为依据形成的实体上，用实体运算来实现特征，构成这 些特缝戆且傍元素也裁随之产生，改变特征懿参数，簧| l 几霹元素睫之修改。震定义方法 就是先定义几何形状厝定义特征，后定义方法又可分为自动的和人机交互的。自动方式 是由系统自动分援一个完全爝凡露信怠来接遴豹零 譬，然后生成特征。这秽特征自动识 别方法是一种理想的特征定义方法，假是难度很大，人机交互蹩更为现实和灵活的方法。 它先选择菜种要定义的特征，然后选择这静特征豹更详细的予类，最后输入特征参数。 考虑刘实际应用和实现上的方便，可将特征分为：形状特征、精度特征、材料特征、装 配特链、分析特征等等，用以表示零件的形状、功能、制造方法等信息。根摆以上分柝， 基于特征造型来实现模具成登零件自韵生成，无疑简化了模爨本身前设计和以后的船工 难度，并且可以提高生产效率。 基于事例推理( c a s eb a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 程设计领域的应糟是近年来发震较 快、研究比较多的问题求解方法之一。”，其设计思想来源于人类的恩维方式，面对 个新懿设诗篓求，设计者静赫海中往往首先浮蠛出馥往静工 乍中曾经窝现过黪类赣豹设 计条件。找出两者之间的相似和区别，并以此为依据联系标凇的设计准则，确定新的设 计方案。基予攀铡蘸设计试鬻翻雳计算穰霉褒这一逯程：设谤系统禳舞霹设诗条传抟擒 述抽象出事例特征，并建立筛选条件；根据这一条件从事例库中选择与设计要求最接近 韵事锲；对毙嚣者之润瓣区别，调整选定事缪l 串不裁满是条穆豹霞素，生藏畿终懿莰诗 方案并更新事例库。因此把基于事例推理的方法引入剁注塑横具设计中来，比求解某 穆数学模型冥鸯更磐敬表达效袋帮较麓煞效察及准确馁。 波塑模具设计问题涉及到大量的领域相关知识和求解技巧，这些知识和披巧随着设 计者麴经验、习嫒及设诗条馋粒不同恧不同，缀难熬袈出通用豹表示黻果关系豹摁剐， 因此，基于规则的方法很难获得成功的应用：而基于事例的设计方法与r u l e b a s e d 等 传统麴人工钽能设计方法不同。它不投依赖予领域内豹通用知识，霹且通过建立闯题攒 述之间的抽象关系，威用以往特定设计环境下的独特经验，宠成当前的设计任务，领域 专家的工 乍更多地倾向于描述设计的缝验面不是抽象熙设计的规则，因而更肖剥于系统 设计者与领域专家的交流。另外系统的自扩充能力较强，随着事例的积累，系统的求解 能力将不断摄穗。根掇以上对比，基于事例的设计方法比基予规则的设计方法更适合予 模具成型零件裔动生成闯题鹤求解。 根据对以上模具成型零件自动生成技术的研究，可以看出，注塑模具成型零件计算 视辅勋设计方法的研究，其关键问题楚要得到整侔酌特征信憨，要确定望彳牛静优选分麓 韩丹莉：基于特征与c b r 的模具成型零件自动生成技术研究 方向，并找出沿分型方向的塑件最大轮廓尺寸位置，此轮廓即是模具分型线，包含此轮 廓的截面即为模具分型面，然后生成分型面，利用生成的分型面分割实体，得到型腔、 型芯。这些算法大都试图通过对塑件整体几何模型或塑件各个表面进行某一种数学分 析，像对塑件模型进行切片，对表面进行三角面片的划分，判断各表面的可视性等，都 取得了一定的成果。但由于塑件结构的复杂性及多样性，因此建立某一种数学模型来全 面表达设计的过程是非常困难的，往往会出现对某一类塑件成立，而运用到另一类塑件 模型上时就可能不成立。所以现阶段采用交互式的设计方法生成注塑模的成型零件是一 种有效的途径，即通过特征建模，生成塑件的全信息模型，进行特征识别，再通过c b r 方法获得塑件分型线与分型面信息，最后用分型面切割实体得到型腔、型芯。 因此，将基于特征与c b r 技术相结合应用于注塑模具成型零件自动生成中具有以下 优点： ( 1 ) 符合塑件结构的复杂性及多样性的特点。将设计工程师的设计经验用事例的方 式表示出来，用于求解新的问题，比运用某一种数学模型的方法具有较好的效果。充分 利用了以往成功的设计方案，大大提高成型零件设计的效率，从而缩短整个模具设计的 周期，同时减少设计过程中的人为错误，提高设计的正确性。 ( 2 ) 采用特征造型和特征识别技术，生成塑件全信息模型，简化了注塑模具成型零 件设计的难度，提高了i h 动化程度。 ( 3 ) 由于事例i h 身包涵了大量的成型零件设计经验知识，可省去大量知识的获取与 表达；每得到一个新的设计结果都可以存入事例库，从而扩充了知识，使系统具有一定 的自学习能力。 1 3 2 课题的主要研究内容 本课题主要针对基于特征和事例推理的理论、方法进行研究，并将其应用到模具成 型零件自动生成系统中。系统主要由下面四个模块组成：1 ) 基于特征的塑件几何实体 造型模块。2 ) 、型腔布局模块。3 ) 分型面生成模块。4 ) 型腔、型芯生成模块。即应用 塑件特征造型模块获得塑件几何模型后，首先需获得塑件的最大轮廓尺寸，生成模具成 型镶件；再通过塑件几何特征识别和表面修补求得完整的塑件分型面。然后用塑件模型 与模具镶件进行布尔减运算，生成含有塑件和模具分型面信息的虚拟型腔；最后用模具 分型面切割虚拟型腔，便可获得包含塑件全部信息的模具型腔、型芯。 研究工作以基于特征与c b r 技术相结合的方法，采用面向对象和模块化设计，基于 a u t o c a d 2 0 0 2 平台，使用v c + + 6 0 和o b j e c t a r x 2 0 0 0 为开发工具，实现了模具成型零件 的自动生成。上面这四个模块都集成在a u t o c a d 平台中，有统一的界面，形成一个相互 联系，相互依赖的有机整体注塑模具成型零件自动生成系统。 大连理工大学硕士学位论文 2 基于特征与0 b r 的成型零件自动生成系统总体设计 2 1 模具成型零件设计概述 型腔又叫凹模或阴模，是成型塑件外型的主要零件。它一般装在定模板上。根据塑 件成型的需要和加工与装配的工艺要求，凹模有整体式和组合式两类。“。 图2 1 整体式型腔 f i g21i n t e g e rc a v i t y 闺豳 a ) 整体嵌入式 b ) 局部嵌入式 a ) t h ei n t e g e ri n l a ym o d e lb ) t h el o c a li n l a ym o d e l 图2 2 组合式型腔 f i g 2 2a s s e m b l e dc a v i t y ( 1 ) 整体式型腔 图2 1 所示为整体式型腔，这种型腔结构简单，成型塑件外观质量较好。它是由整 块钢材直接加工而成的，其特点是强度高、刚性好，不易变形。因此对于形状简单、容 易制造、或形状虽然比较复杂，但可以采用仿形机床等特殊加工方法加工的场合是适宜 的。 图2 3 整体式型芯 f i g 2 3i n t e g e rc o r e 图2 4 整体组合式型芯 f i g 2 4w h o l e - a s s e m b l e dc o r e ( 2 ) 组合式型腔 图2 2 所示为组合式型腔，这种型腔改善了加工性，节约了模具钢，减少了热处理 变形，但有时塑件表面可能存在拼块的拼接线痕迹，装配调整较麻烦。因此，组合式型 腔主要用于形状复杂的塑件成型。组合式型腔的组合方式是多种多样的，常见的组合方 式有整体嵌入式组合型腔、局部镶嵌式型腔、镶拼组合式型腔、瓣合式型腔。 型芯是成型塑件内表面的成型零件。与型腔相似，型芯也可分为整体式和组合式两 韩丹莉：基于特征与c b r 的模具成型零件自动生成技术研究 类，如图2 3 、2 4 所示。 2 2 基于特征与c b r 的模具成型零件自动生成系统构造 模具成型零件自动生成系统是整个专用注塑模c a d 系统中的重要组成模块之一，其 他如顶出机构的设计、浇注系统的设计以及塑料冷却凝固模拟分析等模块，这些模块共 同组成了注塑模具计算机辅助设计系统。具有基于特征与c b r 的成形零件自动生成系统 的结构如图2 5 所示。 图2 5 系统的总体结构 f i g 2 5w h o l es y s t e mf 1 i l l 【n e 成型零件的生成是和塑件的几何形状密切相关的，而像模板、导柱等标准件的形状 对于任何塑件都是一样的，只是其尺寸依赖于塑件尺寸，因此在进行成型零件自动生成 时不能做成固定模式，要考虑不同塑件的几何形状。所以在基于特征与c b r 的模具成型 零件自动生成系统中，利用特征技术将塑件建模模块和模具成型零件自动生成模块联系 起来，根据所建立塑件模型的形状特征推理其分型面位置，生成完整的分型面，切割虚 大连理工大学硕士学位论文 拟型腔，即得到型腔和型芯。然后选择标准模架进行整体模具设计，通过c a e 系统的分 析，得到用户满意的结果后，就可以通过c a p p 系统进行工艺规划，否则需要反馈进行 修改，整个过程都是通过计算机辅助完成。 2 3 系统开发工具的选择及其关键技术 2 3 1 系统开发工具的选择 本系统选择美国a u t o d e s k 公司的a u t o c h d 2 0 0 2 软件作为开发平台，该软件经历十 几年的发展，已成为全世界使用最广泛的c a d 系统，可以说在目前的机械工程设计行业， a u t o c a d 充当了通用图形平台的角色，对该软件进行二次开发具有如下特点；系统稳定 性好，使开发出的软件比较稳定；其底层核心技术是在w i n