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摘要 摘要 注塑模的计算机智能化、自动化设计，是模具c a d 技术的一个 飞跃发展。由于我国模具专业人才的缺乏，专业教师队伍人员的短缺， 使得模具专业的教学队伍的人员构成以及教学手段，无法满足目前模 具行业对技术专业人才培养的要求。智能注塑模c a d 教学系统大大 提高注塑模具设计课程教学工作的效率，有效地解决当前注塑模具设 计教学工作中，学生和教师缺乏实践经验和动手机会的问题。为此， 本文开发一种适用于当前模具设计人才培养要求的注塑模具设计教学 软件系统。 本文研究了k b s 技术、参数化设计技术在注塑模c a d 系统中的 应用，对k b s 中的推理机进行了深入的研究，使用c b r 与r b r 复合 推理策略，依据知识库中的事例、规则推理出模具的总体方案；并且 建立了与之配套的参数化模型库；完成了友好的用户交互界面。以 s o l i d w o r k s 为平台，开发适合于教学需要的智能注塑模c a d 课程设 计教学系统。系统运行过程中，从图形库中选择相应的模型，使用推 理得出的注塑模各个红件的类型、尺寸参数驱动该模型，以得到各个 组件的三维模型、二维工程图。 同时，本文在应用软件菜单、界面、设计思路等方面，面向教学 设计的需要做了大量的工作，使本软件具备了良好的实用性。 关键词智能化；注塑模；c a d ；教学 山东大学硕士学位论文 a bs t r a c t i n t e l l i g e n t i z e da n da u t o m a t i o nd e s i g no fi n j e c t i o nm o l di sag r e a t d e v e l o p m e n to fm o l dc a dt e c h n o l o g y a st h el a c ko ft h ep r o f e s s i o n a l t e a c h e r si nm o l dd e s i g n i n gf i e l d ，a p p l i c a t i o no fi n t e l l i g e n t i z e di n je c t i o n m o l dc a de d u c a t i o ns y s t e mc a ri m p r o v et h et e a c h i n gc o u r s ee f f i c i e n c y i nt h em o l dd e s i g n ，a n dr e d u c et h ed e p e n d e n c eo n e x p e r t so fm o l d d e s i g n i nt h i sa r t i c l e ，t h ea p p l i c a t i o no fk b sa n dp a r a m e t e r i z e dd e s i g ni n i n j e c t i o nm o l dc a ds y s t e ma r es t u d i e d i n t e l l i g e n t i z e di n j e c t i o nm o l d c a d s y s t e mb a s e do ns o l i d w o r k si se s t a b l i s h e da sw e l l ，w h i c hl e a d st o t h er e a l i z a t i o no ft h ei n t e l l i g e n t i z e da n da u t o m a t i o nd e s i g no fi n j e c t l o n m o l d t h ei n f e r e n c ee n g i n ei nk b si si n v e s t i g a t e di nd e t a i l b a s e do nt h e c a s e sa n dr u l e si nt h ek n o w l e d g eb a s e ，u s i n gs p e c i f i c a l l yr e a s o n i n g a r i t h m e t i c ，am o l dp r o j e c ti sb r o u g h tu pw i t hh y b r i dr e a s o n i n go fc b r a n dr b r ；p a r a m e t e r i z e dg r a p hl i b r a r yi sb u i l t ，p a r a m e t e r i z e d3 ds o l i d m o c l e la n dd r a w i n gm o d e lo fe v e r yp a r to fi n j e c t i o nm o l da r ed r a w ni n t h el i b r a r y t h i sa r t i c l ea l s oi n v e s t i g a t e st h em e n u ，i n t e r f a c e ，a n dd e s i g no ft h e a p p l i c a t i o ns o f t w a r et om a k et h ee d u c a t i o ns y s t e mm o r eu s e r - f r i e n d l i e r a n dg o o da tp r a c t i c a lu s e k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n c e ；i n j e e t i o nm o l d ；c a d ；e d u c a t i o n i i 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 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) 论文作者师签名： 网 魁 第1 章绪论 第1 章绪论 随着社会经济和科学技术的发展，新产品更新换代的速度日益加 快，市场竞争对模具设计与制造的质量提出更高的要求：更高的精度、 更长的寿命、更短的交货期等。依赖于经验与手工技能的传统模具产 品设计与制造方式，远不能满足这种要求。我国由于历史的原因，在 模具制造业中，特别是型腔模具制造业中缺少有经验的模具制造技术 人员和模具设计开发工程师。迅速地培养和训练能够熟练的、独挡一 面的模具设计工程师和模具制造操作技术人员，成为当前我国发展型 腔模具生产，提高我国的模具设计制造水平的重要基础性的任务。 1 1 注塑模c a d 技术的发展 借助于c a d c a m c a e 技术，可以大大缩短产品的开发周期，提高 产品的质量。实际上模具工业也是c a d c a m 技术最普及、应用最成熟 的行业之一，今天的模具工业已成为高技术最密集的行业。 1 1 1 注塑模c a d 技术发展的背景 工程塑料制品由于具有密度小、比强度高、电绝缘、隔热、耐化 学腐蚀。容易成型加工等优异性能而广泛应用于精密仪器、电子仪表、 航空航天、汽车工业、光学仪器、 办公设备、家用电器和日用品行 业中。有的行业如气动元件( 如 图1 - 1 所示) ，甚至还出现了金属 产品塑件化的趋势，注塑模的需 求增长非常迅速。 随着经济全球化的发展，企 业间的竞争也日趋激烈，各个企 业为了在竞争中处于有利位置， 纷纷加快了产品的更新换代的速度， 图1 - 1 新型塑料气动阀座零件 因此对注塑模的设计和制造的要 山东大学硕十学伊论文 求越来越高，交货期越来越短。一副中等复杂的注塑模从定货到交货 的时限，已经从过去的半年或更长的时间缩短到两个月，甚至一个月 以内必须完成! 对注塑模设计制造的整体水平的要求大大提高，使得 模具设计制造商的压力变得更大。 注塑模c a d 技术的发展适应了模具设计制造业这种客观实际的 要求。在注塑模行业中采用c a d 技术可以显著提高塑料产品和模具 的设计制造效率，保证和提高模具的设计制造质量，确保模具设计制 造的一次成功率，减少试模和修模的次数和时间，从而缩短从塑料产 品设计、模具设计、模具制造到进行产品模塑生产的整个周期。 计算机软、硬件技术的飞速发展，硬件方面：c p u 和图形卡的运 算能力以惊人的速度不断提高，使微型计算机具备了处理复杂图形的 能力；软件方面：随着计算机图形学研究的不断深入以及数据库技术 的不断提高，出现了大量的功能强大、开放型通用c a d 软件，如二 维软件a u t o c a d ，三维软件u g i i 、s o l i d w o r k s 等，为注塑模c a d 的 发展提供了客观条件。 注塑模c a d 技术在软件方面的发展主要经历了三个阶段： ( 1 ) 通用c a d 软件应用阶段。这个阶段主要是通过a u t o c a d 、 p r o e 、u g 等软件提供的绘图功能来设计注塑模。与传统的手工绘图 相比，这种方式方便了模具设计修改，加快了模具设计。 ( 2 ) 专用c a d 软件设计阶段。通用c a d 软件不是针对注塑模 设计开发的，因而对注塑模设计水平的提高有限。而专用注塑模c a d 软件按照注塑模设计的要求开发，可以提供注塑模设计需要的大量的 标准件、通用件及设计计算工具，从而可以大幅度的提高模具设计的 标准化程度和设计效率。 ( 3 ) 智能c a d 软件设计阶段。这是注塑模c a d 技术发展的一 个飞跃。由于注塑模设计过程非常复杂，需要大量的设计经验，而智 能c a d 系统可以通过k b s ( 知识库系统) 把模具设计经验按一定的 规则总结在知识库内，来实现注塑模的自动化智能设计，从而不仅可 以极大的减少模具设计的时间，而且可以最大限度地减少对有经验模 具设计人员的依赖i 。 2 第1 章绪论 由于注塑模c a d 技术在模具设计中的重要性，国内外高等院校、 科研单位以及模具制造企业都在进行广泛深入的研究和开发【2 1 。 1 1 2 国外注塑模c a d 技术发展现状 国外注塑模c a d 技术发展较早，早在上个世纪六十年代初，国 外的一些飞机和汽车公司就致力于飞机机身和车身的c a d 研究，c a d 技术也随之引入模具行业中。进入上个世纪八十年代后，模具c a d c a m 技术得到了飞快的发展。注塑模c a d c a m 技术也从实验阶段进入实用 阶段，已经推出了一些商品化的注塑模c a d c a m c a e 软件，主要有： 美国g r a t e k 公司的注塑模c a d c a m c a e 系统。该系统包括 三维描述软件o p t i m o l d i i i 、二维注塑流动分析软件s i m u f l o w 、 三维有限元流动分析软件s i m u f l o w3 d 、冷却分析软件s i m u c o o l 、 标准模架( 美国d m e 标准) 选择软件o p t i m o l d 软件。 美国和意大利的p l a s t i c s & c o m p u t e r i n c 公司的t m c o n c e p t 专 家系统。该系统包括材料选择t m c m s 、注射工艺条件和模具费用优 化t m c m c o 、注塑模流动分析t m c f a ，型腔尺寸设计t m c c s e 和模具传热分析t m c m t a 模块卜 u g i i 、p r o e 等著名的三维造型软件也开发了模具设计模块，如 c m o l d 和i - m o l d 等模具设计功能模块。 c a e 技术在欧美已日渐成熟。在塑料模具设计中应用c a e 分析软 件，模拟塑料的充模过程，分析冷却过程以及压力分布状况，预测成 型过程中可能发生的缺陷，从而使试模时间减少5 0 以上。如澳大利 亚的m o l d f l o w ，美国的p o l y c 0 0 l 等。通过c a d 和c a e 技术的应用， 大大缩短了模具的设计生产制造的周期。 1 1 3 国内注塑模c a d 技术发展现状 国内模具c a d c a m 研究起步较晚，我国从事注塑模c a d 技术研究的 主要是大学中的研究部门。1 9 8 8 年华中工学院开发了注塑模c a d 系统； 浙江大学蓉杭模具所开发了自己的注塑模c a d 系统。 近十多年来，国内针对注射模具辅助设计也做了许多研究工作例 3 蓐 山东大学硕十学仿论文 如，北京华正软件工程研究所开发的c a x a - i m o 注射模具c a d 系统，具有 标准件及标准模架库，提供了注射模设计常用参数，此系统是在c a x a e b 上二次开发的软件系统；华中理工大学等联合开发的基于a u t o c a d 平台 的h - m o l d 软件；大连理工大学模具研究所开发的d g m c a d 等，这些软件包 都建立在二维设计平台上。 此外，还有很多的研究开发是针对模架进行的，例如，黑龙江阿 城的基于p r o e 的三维注射模标准模架库的建立【3 1 ；上海交通大学的 基于c b r 的注射模模架数据库的开发【引，东北大学的在s o l l d e d g e 平 台上开发的通用三维零件库管理系统，山东大学关于注塑模具模架选 型中知识库与推理机连接技术的研究【5 】等。 华中理工大学在注塑模具流动分析和冷却分析模拟等方面都有研 究，其开发的c a d c a m c a e 系统包括塑件的模型输入、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， 近期主要进行了流动分析的研究，其开发的软件有华塑c a e3 d r f 5 o 、华塑c a d 3 0 i “。 上海交通大学，在国内首次将人工智能技术应用到模具c a d 系 统中，现在也湃始研究智能模具c a d c a m c a e 系统，开发了基于模 型推理的智能注塑模设计系统，在p r o e 设计平台上构建了m b r 智能 注塑模设计系统【7 1 。 上海模具技术研究所与美国e d sp l ms o l u t i o n s 公司联合开发基 于u g i i 的模具c a d 软件，以推动三维模具设计应用软件向知识化、自 动化和实用化发展。从2 0 0 0 年4 月起，开发基于u g i i 平台的塑料模 具设计模块m o l d w i z a r d 引。 浙江大学基于u g i i 开发的模具c a d c a m 系统。主要研究成果 是使用特征造型技术实现型腔的快速成型。其近期科研项目有注塑模 成型零件产品模型自动创建机理研究。 华侨大学先进制造技术研究所进行了基于知识库的注塑模设计系 统研究，开发了基于知识库的注塑模设计系统k i m d s 。k i m d s 系统 采用面向对象的方法构造产品模型来存储设计数据和设计方法，是一 个基于三维实体造型软件u g 的新一代智能辅助设计系统。 4 第1 章绪论 山东大学对于注塑模具设计知识库与推理机技术进行了深入地研 究与开发1 9 1 。 总的束说，目前我国注塑模c a d 技术水平还处于高技术集成和 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 软件尚有一些 差距，还没有能力形成真正商业化，实用化的软件1 1 0 】。 1 2 人工智能技术( ai ) 在注塑模具设计领域中的应用 人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 技术是一门新兴边缘学 科，它主要研究如何用计算机来模仿和实现人类的智能行为，被誉为2 0 世纪的三大尖端科技成就之一。从1 9 5 6 年开始出现“人工智能”这一术 语，至今经历了五十年的发展，a i 技术的应用已深入到社会的各个领域 中。其中，专家系统是人工智能应用研究的一个重要领域。 近年来以专家系统为代表的人工智能技术越来越多地应用于c a d 技 术中在机械的设计过程中，计算机辅助设计能比较圆满完成大量的计 算、分析和绘图等数值计算型工作：但对于符号推理工作如方案设计， 包括最优方案选择及结构设计等，需要应用专业知识和丰富的设计经验 来进行思考和推理，这需要c a d 系统具有智能性把人工智能技术，特 别是专家系统的技术，与传统的c a d 技术结合起来，形成智能化的c a d 系 统，这是c a d 技术发展的必然趋势【1 1 l 。 传统的塑料模具c a d 在处理有关实体造型和数据处理等算法型问 题，或确定型问题具有较好的优势，但缺乏分析问题和解决问题的能力。 模具设计的过程不但涉及一系列的理论设计公式、大量的设计标准规 范，而且还要用到许多非数值的经验性知识，这就需要设计人员具有专 业知识和经验，而仅凭c a d c a e 软件有限的数值分析功能无法为用户提 供完善和正确的设计结果。注射模设计是根据塑料制品的形状，大小、 工艺要求和生产量，来决定模具的总体方案及结构，包括型腔数日确定、 流道系统、冷却系统、侧向抽芯机构、脱模机构等结构设计，还要进行 模架选择，以及注射设备的选择等。 这主要是靠设计者的经验和专业知识来进行的，由于设计知识难 5 山东大学硕士学伊论文 以从设计师处获取和难以表示，所以目前的注塑模具c a d 系统都是通 过人机交互的方式，主要由人来完成。国内对a i 技术在注射模具设计 方面的应用也做了一些研究工作：如上海交通大学提出“基于c b r 的 模具结构概念设计模型研究”【1 2 l 、“基于c b r 的注塑模结构智能设计 系统研究”和“基于事例推理( c b r ) 的同构模具工艺设计模型”f 1 3 】； 华中理工大学的“基于实例推理的注塑模结构设计研究”【1 4 】；福建华 侨大学研究的“基于知识库的注塑模设计系统研究”【”j ；合肥工业大 学研究了“基于产生式规则和模糊推理的注射模总体结构设计专家系 统”【“】等。但在这些基于c b r 注射模具设计系统研究中，大都停留在 理论研究的层面上。从实用性的角度出发，应将a i 技术引入注射模具 c a d 系统中，研究a i 技术在模具c a d 系统中如何应用，以提高注塑模 具设计的效率及质量水平。 1 3 我国模具设计制造人才的培养体系分析 我国目前在高等院校和职业技术学院分别设置了不同层面的模具 设计开发专业人才的培训体系。但是，由于起步较晚，在这些高等、高 职院校中的教师队伍中，缺少具有实践经验的教师和教学指导人员，具 有实践经验的高水平的型腔模具教学科研教师队伍更加短缺。这样，型 腔模具专业学生的培养平台和教师队伍的建立成为首要的任务。 从高职技术院校的情况来看，模具专业大部分是以注塑模具为主要 培养目标。它们大部分是从传统的钳工专业豹基础上整合了传统的机加 工专业，以及快速发展起来的数控专业的部分课程而发展起来的。由于 模具设计人员和教学、指导人员在模具设计实践经验的局限性，大量的 实践经验的积累成为塑造模具设计制造专业人员的基本和首要的条件。 因此，对于型腔模具的设计制造技术人才的技能的培养，单独依靠书本 和课堂教学很难达到高级模具专业人才培养的目标。面对我国经济的快 速发展，为了满足我国目前模具行业快速发展对高级技术技能人员的需 求，建立快速培养模具专业设计技术人才，快速积累模具设计实践经验 的教学科研平台，缩短学生获取模具设计制造经验的教学实践环节，是 目前模具设计制造技术人才培养训练机构和教学平台需要迅速亟待解 6 第1 章绪论 决的问题。 1 4 智能注塑模具c a d 研究的意义 1 4 1 智能注塑模c a d 的研究意义 引入k b s 的智能注塑模c a d 系统具有传统的手工设计无法比拟 的优势，它主要有以下几方面的优点： 1 加快设计速度，缩短产品开发周期在注塑模c a d 系统中存 储有关的注塑模综合性知识，通过推理机对知识的推理，来实现模具 的自动化设计，并可在系统内建立相应的数据库，使检索存储迅速， 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，大幅度的提高模具行业的生产率优化设计减 少了原材料的浪费，使得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 供了可靠的技术基础。 3 减少了对模具设计专家的依赖k b s 的引入可以在模具设计 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。 智能注塑模c a d 技术对注塑模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c a d 技术还处于理论研究阶段，没有开发 出实用性的软件系统，模具制造企业使用的大多是通用c a d 软件和 专用模具c a d 软件。所以开发一款性价比较高的国产智能注塑模c a d 教学软件系统具有较大的实用价值。 1 4 2 智能注塑模c a d 教学系统的研究内容 本课题以s o l i d w o r k s 为三维c a d 平台、v i s u e lb a s i c 6 0 为程序 设计工具、a c c e s s 为数据库应用平台，应用a i 技术，开发基于 s o l i d w o r k s 的注射模具c a d 教学系统，课题的主要研究内容包括： 1 研究三维造型软件s o l i d w o r k s 的核心机理掌握基于v b 的 7 山东大学硕士学位论文 s o l i d w o r k sa p i 二次开发技术。 2 智能注塑模c a d 教学系统的总体方案设计建立一种既能适 应设计者使用要求，又能满足教学设计需要的软件系统总体方案。 3 利用k b s 来完成注塑模的总体方案设计以s o l i d w o r k s 为平 台，通过建立注塑模结构类型库，整理归纳模具设计的知识和研究建 立实用的结构设计推理机制。 4 对模具设计教学软件的用户界面进行了设计开发根据教学辅 助设计软件的要求，设计开发模具设计教学软件的用户界面，以便更 加符合教学实践的设计要求。 5 开发配套的三维参数化模型库开发符合国情的标准模架、通 用零件、标准件的三维参数化模型库，总结一套建立模型库的方法。 6 将注射模具设计的有关知识以不同的方式在中系统应用将人 工智能技术、数据库应用技术与c a d 技术融合一体，构成系统应用的主 要技术支撑。 1 5 本章小结 、 本章论述了国内外注塑模具c a d 技术的发展背景和研究现状， 从我国模具设计制造人才培养平台的需求和现状出发，指出了研究智 能化注塑模具c a d 教学系统的意义和本课题的主要研究内容。 8 第2 章 注塑模具结构设计简介 第2 章注塑模具结构设计简介 2 1 注塑模具结构设计的特点 由于塑料注塑成型工艺十分复杂，设计模具时要考虑的因素比较 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是： 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水道、动模水道和型腔、 型芯模兮的冷却芯等部分。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 注塑模具结构设计的主要内容 注塑模结构设计一般包括以下内容【1 7 】： 1 选择分型面分型面的位置有利于模具加工、排气，脱模及成 型操作，有利于保证塑件的精度和表面质量。当上述要求有矛盾时， 应根据实际情况，以满足塑件的主要要求为宜。 2 确定型腔数量及排列方式根据塑件的几何结构特点、尺寸精 、 山东大学硕士学位论文 度要求、批量大小、模具制造难易、模具成本及成型设备等确定型腔 数量及其排列方式。 3 确定流道系统和排气系统包括主流道、分流道、浇口及冷料 穴的位置和形状；排气的方式，排气的位置。 4 选择顶出方式根据塑件的形状特点和质量要求，确定塑件顶 出的方式及顶出位置。顶出零件的结构，流道系统凝料的顶出方式。 5 确定塑件侧凹侧凸部分的处理方式根据带侧凹或侧孔塑件 的结构特点和批量大小，确定模具的侧向分型与抽芯方式。 6 确定模具的加热和冷却方式根据塑件的成型工艺要求和结 构特点，确定加热元件的安装部位或冷却水道的形状和位置。 7 确定成型零件及其主要结构方式根据塑件的结构特点、精度 要求及模具的加工条 件等确定型腔，型芯 的结构形式。 8 选择模架 根据成型零件的总体 外形尺寸、型腔的数 量布局、流道系统的 结构形式及顶出机构 的形式选择合适的模 架。 9 确定模具的 总体装配型式设计 各个零部件之间的联 结方式。 3 2 图2 1 典型注塑模具标准结构 i - 定模板2 定模型扳3 导套4 导挂，动模型扳6 型模垫扳7 - 支脚 8 顶针固定扳9 - 定推扳i o 动模扳1 1 顶针1 2 侧滑块1 3 - 镇紧块 1 4 - 辫导柱1 5 定位环1 6 主浇套1 7 - 型蕃壤件l0 拉杆 2 3 注塑模具的标准模架体系简介 注塑模具的结构( 如图2 1 所示) 一般由标准模架作为主体结构， 特别的主要零件有：型腔和型芯镶件、侧抽芯结构部件根据具体的注 塑件的结构和精度要求进行设计此外，流道系统、冷却温度控制系 l o 1 2 3 4 5 b 7 8 9 “ 第2 章 注塑模具结构设计简介 统对注塑件的精度、质量和工作效率具有决定性的影响。 2 4 注塑模具标准通用零部件体系 除了标准的模架体系以外，经过中外模具设计制造者的研究和经 验总结，已经形成了体系完备、数量齐全的注塑模具零部件标准，构 成了被模具行业界普遍接受、技术上得到公认的注塑模具的各种标准 零部件体系，图2 - 2 表示了二板模部分主要标准零部件。 2 5 本章小结 图2 - 2 典型二板模标准零部件体系 简要叙述了注塑模具结构设计的主要特点和主要内容，介绍了注 塑模具的标准模架体系，标准通用零部件体系，为课题的深入研究奠 定基础。 山东大学硕士学位论文 第3 章注塑模具c a d 开发关键技术 3 1 注塑模具零部件数据库 注塑模具c a d 教学系统应为教学和模具设计人员提供一个良好 的设计学习环境，应具备快速获取相关信息，检索定位、分析计算、 生成和存储、输入和输出、图形设计和处理能力以及良好的人机交互 等功能。基于s o l i d w o r k s 的智能化c a d 系统面向注塑模具设计的全 过程，融三维参数化设计技术、交互式界面设计技术和数据库管理技 术于一体，根据注塑模具结构设计的具体特点，面向对象，通过三维 参数化驱动技术，保证设计结果的一致性。 s o l i d w o r k s 环境下注塑模具零部件库的系统结构如图3 1 所示。 其中有用户界面、执行模块、零部件模型库、零部件特性参数数据库 四个部分。其核心部分就是执行模块和零部件模型库及数据库。 由图可以看出，其几大模块都 是围绕着s o l i d w o r k s 这个平台，其 它几个模块以外挂的形式和 s o l i d w w o r k s 平台相关联，也就是 说其它几个模块把处理后的信息汇 总后通过接口a p i 发向s o l i d w o r k s 平台来完成画图。这种建模方式的 优点体现在以下几点： 1 数据库建立可以独立进 图3 - i 零部件库总体结构图 行，不受任何条件约束因为a c c e s s 数据库的访问操作已经标准化， 已经形成标准化的数据库语言，在任何编程语言环境中都是通用的。 2 模型的建立不受任何外界因素影响因为s o l i d w o r k s 的核心 技术不会变，确保其建造的模型的通用性以及零部件库的通用性。 3 数据库与编程语言无关模型与s o l i d w o r k s 版本和编程语言 无关。二次开发编程语言有多种选择，使其二次开发的难度降低。 第3 章注塑模具c a d 开发关键技术 4 开发的零部件库以外挂的形式与s o l i d w o r k s 集成各个模块 相互独立，因此其扩充性好。我们可以增加更多的标准件数据库，增 加更多的模型文件来达到扩充零部件库的目的。 3 2 参数化设计技术 参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ，也叫尺寸驱动d i m e n s i o n d r i v e n ) 一般是指设计图形拓扑关系不变，尺寸形状由一组参数进行约束。参 数化设计是规格化、系列化产品设计的一种简单、高效、优质的设计 方法。 参数化设计是一种驱动机制，参数驱动机制是基于对图形数据的 操作。通过参数驱动机制，可以对图形的几何数据进行参数化修改， 但是，在修改的同时，还要满足图形的约束条件，需要约束间关联性 的驱动手段约束联动，约束联动是通过约束间的关系实现的驱动方法。 对一个图形，可能的约束十分复杂，而且数量很大。而实际由用户控 制的，即能够独立变化的参数一般只有几个，称为主参数或主约束； 其它约束可由图形结构特征确定或与主约束有确定关系，称为次约束。 对主约束是不能简化的，对次约束的简化可以有图形特征联动和相关 参数联动两种方式。 1 图形特征联动就是保证在图形拓扑关系不变的情况下，对次 约束的驱动，亦即保证连续、相切、垂直、平行等关系不变。反映到 参数驱动过程就是要根据各种几何相关性准则去判识与从动点有上述 拓扑关系的实体及其几何数据，在保证原关系不变的前提下，求出新 的几何数据。这些几何数据称为从动点。这样，从动点的约束就与驱 动参数有了联系依靠这一联系，从动点得到了驱动点的驱动 2 相关参数联动就是建立次约束与主约束在数值上和逻辑上的 关系。在参数驱动过程中，始终要保持这种关系不变。相关参数的联 动方法使某些不能用拓扑关系判断的从动点与驱动点建立了联系。使 用这种方式时，常引入驱动树，以建立主动点、从动点等之间的约束 关系的树形表示，便于直观地判断图形的驱动与约束情况。 与其他参数化方法相比较，参数驱动方法简单、方便、易开发和 山东大学硕士学位论文 使用，能够在现有的绘图系统上进行二次开发。 3 3 建模技术 3 3 1 概述 计算机内部表示及产品建模技术是c a d 系统的核心技术。所谓计 算机内部表示就是决定在计算内部采用什么样的数字化模型来描述、 存储和表达现实世界中的物体。由于对客观事物的描述方法、存储内 容、存储结构的不同而有不同的建模方法和不同的数据模型。随着计 算机相关技术尤其是计算机图形学的发展，c a d 技术逐渐由二维辅助 绘图向三维设计过渡。三维c a d 系统采用三维模型进行产品设计， 设计过程反映产品的真实几何形状，使设计过程更加符合设计师的设 计习惯和思维方式，设计师可以更加专注于产品设计本身，而不是产 品的图形表示。 3 3 2 三维几何建模技术 ， c a d 三维模型的表示经历了从线框建模、曲面建模到实体模型、 特征建模【1 8 1 的发展过程，所表示的几何体信息也越来越完整和准确。 1 三种几何建模方法的比较 表3 1 给出了三种几何建模的技术特点和应用场合。 1 4 表3 - 1 三种几何建模技术的比较 比较选项线框模型曲面模型实体模型 数据结构点和边点，线和面参数方程点，线、面，体和相关信息 工程图能力好有限性好 削切视图仅有交点仅有交线交线与剖切面 自动消隐线 不可能有限制可行 真实感图形不可能可行可行 物性计算有限制在人机交互下可行全自动且精确 干涉检查凭视觉用真实感图形判别可行 有限元网格人机交互适于壳单元可自动剖分 线框建模用几何体的棱线表示几何体外形，模型中没有表面、体 第3 章注颦模具c a d 开发关键技术 积等信息。曲面建模利用几何体的外表面构造模型，使几何形状有了 一定轮廓，可以产生诸如阴影、消隐等效果，但模型中缺乏几何形状 体积的概念，如同一个几何体的空壳。实体模型则是封闭的几何表面 构成一定的体积，形成几何形状的体的概念，使之具有了几何特性， 如重量、密度等，实体模型更加完整地定义了三维形体。 2 三维实体模型的计算机内部表示法 现实世界中的物体是三维的连续实体，但计算机内部表示是一维 的离散数据描述，如何利用一维离散数据来描述现实世界中的三维实 体，并保证数据的准确性、完整性、统一性是计算机内部表示方法研 究的内容。目前，常用的形体表示模式有以下几种【”】： ( 1 ) 边界表示法 边界表示法( b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n ，b - r e p ) 是用组成形状的 面及面与面之间的拓扑结合关系来表达形状的方法。物体的拓扑构造 提供面与边的关系，点与边的关系等信息。由物体的几何形状规定其 顶点、棱边和面的位置和尺寸，从而将它们固定于空间。拓扑构造仅 仅描述物体上点、线、面的连接关系，同一拓扑关系，可以形成不同 一 的几何形状，只有几何形状与其拓扑关系结合在一起，才能完全并且 、 唯一的在空间定义该物体。在边界建模中，一旦定义了一个特殊的拓 1 扑构造，在不改变基本拓扑的条件下，可在零件中进行多种不同的操 、 作以调整其几何形状。 ( 2 ) 构造立体几何法 构造立体几何法( c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ) 简称c s g 法。在 计算机内部，它不是通过边界平面和边界线来定义边界，而是通过基 本体素及其几何运算( 如并、交、差) 来表示，即通过布尔模型生成 二叉树结构进行表示。c s g 法与b r e p 法的主要区别在于计算机内部 表示与物体的描述和拼合运算过程密切相关，即存储的主要是物体的 生成过程，所以也称为过程模型。 ( 3 ) 混合模式 混合模式( h y b r i dm o d e l ) 目前还没有清楚的界限，但在c a d 系 统中广为应用。总之，它是在一个系统中采用了不同形式的表达方法， 、 1 5 山尔大学硕十学伊论文 例如常见的c s g 法与b r e p 法的混合。它基于这样一种设想：在原来 c s g 树的结构基础上再扩充一级边界数据结构，以便达到实现快速图 形显示的目的。在这种混合模式中，起主导作用的数据结构仍然是 c s g 结构，c s g 的所有特点完全存在于混合模式中。 3 3 。3 特征建模技术 基于计算机图形学的几何建模系统所提供的信息不能满足于工艺 的需要，作为加工对象除几何形状及尺寸外，还必须提供零件的材料、 加工精度、表面质量、形位误差等信息，几何建模系统并未提供这类 工艺信息。特征建模系统解决了这一问题，它能提供零件的几何信息 及工艺信息。其内容概括起来有： ( 1 ) 零件的几何形状信息； ( 2 ) 作为加工对象的孔、沟槽及面等的形面特征； ( 3 ) 有关形面特征的位置、尺寸及其公差； ( 4 ) 对于形面特征的加工规定( 如表面抛光、发黑等) ； ( 5 ) 形面特征之间的关联； ( 6 ) 各加工面的表面粗糙度。 、 特征概念包含丰富的工程语义，所以利用特征的概念进行设计是 实现设计与制造集成的一种行之有效的方法。目前国内。外大多数特征 建模系统的研究都是建立在原有三维实体建模系统的基础上。这是因 为三维实体建模的c a d 软件已比较完善，具有较强的几何拓扑处理、 图形显示及自动网格划分等多项功能，在此基础上增加一些特征的描 述信息，建立特征库，并将几何信息与非几何信息描述在一个统一的 模型中，作为建模的基本单元，实现产品建模。 3 4 系统三维平台的选择 开发注塑模c a d 系统，三维平台的选择至关重要，它对三维平 台的要求主要有以下三点： ( 1 ) 强大的建模功能，能够方便快捷的绘制模具的零件，并能自 由的将其装配获得模具的装配体，最终得到二维工程图纸。 第3 章注塑模具c a d 开发关键技术 ( 2 ) 良好的性价比，在具有较强功能的前提下，必须有合适的用 户可以接受的价格，这样有助于软件的推广。 ( 3 ) 提供完整的二次开发接口，可以自如的对其主程序进行扩展。 综合考虑以上要求，本注塑模c a d 教学系统选择s o l i d w o r k s 作 为二次开发平台。 3 4 1s o l i d w o r k s 概述 s o l i d w o r k s 是美国s o l i d w o r k s 公司基于w i n d o w s 平台开发的全参 数化三维实体造型软件，它具有强大的零件设计、钣金设计、装配设 计、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。其简明扼要、易用性和创新性，极大地提高了机械设计工程 师的设计效率。s o l i d w o r k s 的设计数据可以编辑，尺寸、相互关系和 几何轮廓形状可以随时修改，特征管理器将复杂零部件的细节和局部 设计安排条理清晰，操作简单。s o l i d w o r k s 的全相关技术使得零部件 之间和零部件与图纸之间的更新完全同步。该软件能自动进行动态约 束检查，具有强劲复杂曲面造型能力，能设计表面形状复杂的曲面零 件，既可以设计立体零件也可以按零稗的平面展开图进行设计。同时 s o l i d w o r k s 具有良好的开放性和兼容性【19 1 。 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，它是一个基于o l e ( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g ，对象链 接与嵌入) 技术的编程接口，此接口为用户提供自由、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。凡支持o l e 编程的开发工具，如 v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、d e l p h i 等均可用于s o l i d w o r k s 的二次开发。 并且支持a c t i v e x a u t o m a t i o n 技术和d l l 库文件，使用户可以方便的 对其进行二次开发。 3 4 2s o l i d w o r k s 软件的主要功能 1 造型( m o u d e l i n g ) 功能 山东大学硕士学位论文 s o l i d w o r k s 提供的造型功能包括了草图和实体，参数化特征造型 技术；提供了丰富的基本特征，并且提供用户自定义特征的功能。通 过使用s o l i d w o r k s 提供的各种标准的或用户自定义的特征，设计者可 以快速地构造出各种实体模型。 s o l i d w o r k s 支持强大的三维参数化设计功能，可以在设计的任何 阶段修改零件模型，并自动将这种修改传递至与之相关的各种模型。 它基于特征的实体建模功能可通过拉伸、旋转、薄壁特征、抽壳， 特征阵列以及打孔等操作来实现产品的设计1 2 0 1 。 2 装配( a s s e m b l y ) 功能 s o l i d w o r k s 装配功能是由用户指定装配体中的各零件之间的约束 关系，将零件装配成装配体。装配系统不但可以将零件装配起来，也 可以读入已经装配好的装配体，作为子装配体进行装配；子装配体在 装配过程中视为一个整体。s o l i d w o r k s 可以模拟仿真装配的全过程。 3 工程图( d r a w i n g ) 功能 工程图功能主要用于三维模型的工程图纸编辑。当设计人员创建 工程图文件时，可以将实体模型移动插入到工程图文件中，自动生成 对应模型的三视图，视图包括标准视图、投影视图、一般视图、局部 视图以及剖面视图，在生成的工程图上自动标注尺寸信息。在视图上 可以增加或删除符合国家标准的工程标注。工程图与实体模型是相互 关联的，当模型上的尺寸或造型变化时，工程图也相应改变。 s o l i d w o r k s 系统随时维护三维模型和二维绘图的一致性。 。 s o l i d w o r k s 的属性管理员用来管理整个设计过程和步骤，同时特 征模板提供良好的操作环境。配置管理是s o l i d w o r k s 软件体系结构中 非常独特的部分，它涉及零件设计、装配设计和工程图等多个方面。 3 4 3s o l i d w o r k s 二次开发技术 s o l i d w o r k s 是一个开放的系统，提供v b 、v c + + 和其它支持o l e 的开发语言接口，给用户必要的工具( 宏语言、库函数等) 以开发个 性化的应用模块，并且易于将它集成到系统中去。用v b 或c + + 调用 s o l i d w o r k s 的a p i 函数，可以完成零件的建造、修改；零件各特征的 1 8 第3 章注塑模具c a d 开发关键技术 建立、修改、删除、压缩等各项控制；零件特征信息的提取