（机械设计及理论专业论文）基于知识的注塑模冷却系统智能设计技术研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 冷却系统作为注塑模具主要功能结构之一，其作用是将冷却介质由结构合理的冷却 水道引入模具中，并将塑料熔体固化定型过程中释放的大部分热量带走，以达到成型制 品快速、均匀冷却和缩短成型周期的耳的。冷却系统设计的合理与否，不仅影响制品的 尺寸精度和质量，而且直接关系到制品的生产效率。因此，研究提高模具冷却系统设计 的先进技术与方法，对促进模具设计制造技术的发展具有重要意义。 本文在全面总结注塑模具冷却系统设计理论与知识的基础上，针对冷却系统结构设 计的特点和原则要求，采用知识工程和智能化设计的相关理论，研究了基于知识的注塑 模具冷却系统智能化设计技术与方法。 通过对冷却系统设计知识和专家经验知识的详细总结、提炼和分类整理，采用基于 模糊理论的知识模型和基于特征的编码体系，分别对冷却系统设计的规则知识和事例知 识进行了合理的表示；同时，根据不同类型知识的特点，设计并建立了具有层次结构的 冷却系统知识库。从便于知识管理和知识利用的角度出发，设计了可视化的知识库管理 界面，并采用a d o 数据库访问技术，实现了对知识库的查询、添加和修改。针对冷却 系统设计计算量大的特点，采用面向对象技术，将冷却系统的设计计算知识封装成独立 的模块，供智能化设计过程调用。在深入研究智能化推理技术的基础上，建立了由模糊 推理( f r ) 和事例( c b r ) 推理两种方式引导的冷却系统智能化推理机制。即采用模糊 推理技术，通过对知识库中模糊规则的调用及给定条件与模糊前提的匹配，实现冷却系 统方案的模糊化推理。而采用事例推理技术，通过给定事例的索引特征进行事例匹配及 相似度计算，提取最相似事例作为推理方案。由此弥补了单一推理方法在规则表示和事 例匹配方面的不足。 最后，以水杯塑件为例，给出了注塑模冷却系统智能化设计的基本流程与方法，设 计结果显示，应用智能化设计技术推出的冷却系统方案合理可行。 关键词：注塑模具；冷却系统；知识工程；模糊推理；事例推理 基于知识的注塑模冷却系统智能设计技术研究 r e s e a r c ho nt h ei n t e l l i g e n td e s i g nt e c h n o l o g yo fi n j e c t i o nm o u l dc o o l i n g s y s t e mb a s e d o nk b e a b s t r a c t c o o l i n gs y s t e mi so n eo f t h em m n f u n c t i o n 引时u c t l h 它si nt h ei n j e c t i o nm o u l d , i t se f f e c ti s t ot a k et h ec o o l i n gm e d i u mi n t ot h em o u l dt h r o u g ht h er a t i o n a l 刚n k ：t i 】r cw a t e rc h a n n e l 。a n dt o t a k ea w a yl a r g eo f t h eh e a tw h i c hi sr e l e a s e db ym o l t e np l a s t i ci nt h ep r o c e s so f s o l i d i f i c a t i o n m o l d i n g i no r d e rt om a k et h ep r o d u c tb ec o o l e db n i f o r l na n dq u i c k l ya n dt 0r e d u c et h e c o o l i n gt i m e t h a tw h e t h e r0 1 n o tt h ec o o l i n gs y s t e mi sd e s i g n e dr e a s o n a b l yn o to n l y i n f l u e n c e st h ed i m e n s i o n a lp r e c i s i o na n dq u a l i t yo ft h ep r o d u c t , b u ta l s ot h ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c y ，t h e r e f o r ei ti sv e r yi m p o r t a n tf o rp r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to f m o u l dd e s i g na n d m a n u f a c t u r et or e s e a r c ho nt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g ya n dm e t h o do fd e s i g n i n gc o o l i n gs y s t e m o f i n j d 2 t i o nm o u l d t h et h e o r i e sa n dk n o w l e d g eo f 删e c t i o nm o u l dd e s i g ni ss u m m a r i z e dc o m p l e t e l yi nt h e p a p e r a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nc h a r a c t e r i s t i c sa n dp r i n c i p l c so fc o o l i n gs y s t e ms 虹u c n l r e d e s i g n , t h ei n t e l l i g e n td e s i g nt e c h n o l o g yo fi n j e c t i o nm o u l dc o o l i n gs y s t e mb a s e do nk b e i s s t u d i e dw i t ht h er e l a t e dt h e o r i e so f k n o w l e d g ee n g i n e e r i n ga n di n t e l l i g e n td e s i g n t h r o u g hs u m m a r i z i n g , r e f m i n g a n d c l a s s i l y i n gt h ed e s i g nk n o w l e d g ea n de x p e r t e x p e d e n si nc o o l i n gs y s t e md e s i g n , t h er u l e sa n dc a s e so fc o o l i n gs y s t e md e s i g na r e r e p r e s e n t e db yt h ek n o w l e d g em o d e lb a s e do l if u z z yt h e o r ya n dt h ec o d es y s t e mb a s e do n f e a t u r e a n da c c o r d i n gt ot h ec h a r a e t e r i s t i c so fd i f f e r e n tt y p ek n o w l e d g e ，t h ek n o w l e d g e d a t a b a s eo fc o o l i n gs y s t e mw i t hn _ e es l l u e t l 皿ei se s t a b l i s h e d av i s u a lm a n a g e m e n ti n t e r f a c e o fk n o w l e d g ed a t a b a s ei sd e s i g n e dt om a n a g ea n du t i l i z e dk n o w l e d g ec o n v e n i e n t l y t h ed a t a o fk n o w l e d g ed a t a b a s ei sa b l et ob es e a r c h e d , a d d e da n da m e n d e dd i r e c t l yb ya p p l y i n ga d o t e c h n o l o g y a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a r g ea m o u n tc a l c u l a t i o ni nc o o l i n gs y s t e m d e s i g n , t h eo b j e e to r i e n t e dt e c h n o l o g yi su s e di nt h ep a c k a g i n go fc o o l i n gs y s t e md e s i g n c a l c u l a t i o na sas i n g l em o d u l e ，w h i c hm a k e st h ed e s i g n e rg e tr i do ft h et e d i o u st r a d i t i o n a l m a n u a lc a l c u l a t i o n r e s e a r c h i n go nt h ei n t e l l i g e n tr e a s o n i n gt e c h n o l o g yd e e p l y ，t h er e a s o n i n g m e c h a n i s mo fc o o l i n gs y s t e mi n t e l l i g e n td e s i g n 鲥d e db yf ra n dc b ri se s t a b l i s h e d t h r o u g ht r a n s f e r r i n gt h ed a t af r o mt h ek n o w l e d g ed a t a b a s et h eg i v e nc o n d i t i o n sa n df u z z y p r e m i s e st i t l ec o m p a r e da n dm a t c h e dt or e a l i z et h er e a s o n i n go fi n t u l l i g e n td e s i g no fc o o l i n g s y s t e mb yu s i n gt h et e c h n o l o g yu f f r w i t ht h et e c h n o l o g yo f c a s e - b a s e dr e a s o n i n g ，t h em o s t s i m i l a rc a s ei sa c h i e v e da st h er e a s o n i n gp r o j e c tb yc a l c u l a t i n gt h es i m i l a r i t ya n dm a t c h i n gt h e i i 大连理工大学硕士学位论文 f e a t u r ew i t ht h ef e a t u r ei n d e x e s t h ei n s u f f i c i e n c yo fs i n g l er e a s o n i n gm e t h o di nt h ea s i n x m s o f r u l er e p r e s e n t a t i o na n dc a s em a t c h i n gi sr e m e d i e db yt h i sr e a s o n i n gm e c h a n i s m f i n a l l y , t h ef l o wa n dm e t h o do f t h ei n t e l l i g e n td e s i g no fi n j e c t i o nm o u l dc o o l i n gs y s t e m i sp r e s e n tt h r o u g ha l le x a m p l eo fp l a s t i cc u p t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o o l i n gs y s t e m d e s i g n e db ya p p l y i n gt h ei n t e l l i g e n td e s i g nt e c h n o l o g yi sr e a s o n a b l ea n d f e a s i b l e k e yw o r d s ：e c t i o nm o u l d ：c o o l i n gs y s t e m ：k b e ：d r ：c b r i i i r 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别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，也不包舍为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 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 交学位论文的复印彳牛和电子版，允许论文被查阅和借阅。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、缩印或扫描等复铡手段保存和汇编学位论文。 作者签名： j 小彭 导师签名：芋数 立竺生年l 月量e 1 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 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，对设计和制造的要求也越来越高，传统的注塑模 具设计与制造方法已不能满足市场对高质量注塑模具的要求。在注塑模具的计算机辅助 设计过程中，把人工智能( a j ) 技术、专家系统( e s ) 和基于知识的工程技术应用于注 塑模具设计领域，不仅可以发挥计算机强大功能优势，而且可以充分利用注塑模具基础 知识和领域内设计专家的经验知识，实现注塑模具的智能化设计，进而显著提高塑料制 品和塑料模具的设计制造效率，减少试模和修模时间。同时也为注塑模具c a d 技术的 发展开辟了新的途径【l 川。 1 1 注塑模具c a d 技术概述 经过近3 0 年的发展，注塑模具c a d 技术由开始的二维设计发展成以实体造型、基 于特征设计和c a d c a m 高度集成为特征的三维设计，并不断将人工智能( a i ) 技术和 计算机网络技术引入这一领域，逐步向智能化、自动化和网络化的方向迈进【5 】。 1 1 1 注塑模具c a d 技术发展过程 注塑模具的设计主要经历了三个阶段。 n ) 人工设计阶段 这一阶段一直持续到c a d 技术的发展初期，当时的注塑模具设计纯粹依靠设计人 员的经验、技巧和现有的设计资料，从塑件的工艺计算到注塑模具的设计制图，全靠手 工操作完成，设计效率较为低下。同时，由于设计过程纯粹依赖于设计人员的经验和技 巧，缺乏系统的理论指导，所以注塑模具和塑件的质量难以得到保证。 ( 2 ) 通用c a d 设计阶段 2 0 世纪7 0 年代，以手工为主的注塑模具设计己跟不上塑料工业高速发展的形势， 于是人们开始尝试使用当时比较成熟的通用c a d 系统进行注塑模具设计。这个时期主 要是特征三维几何造型技术的应用，在几何造型方面分别采用了三维线框模型、曲面模 型和实体模型技术。这些技术的应用，实现了设计计算和图样绘制的自动化，缩短了设 计时间。但是，这只是将设计人员从手工绘图中解放了出来，起到的只是辅助绘图的功 能，没有完全体现辅助设计功能。 到了2 0 世纪8 0 年代，随着c a d 技术的蓬勃发展，一些通用的c a d 集成系统逐步 问世，面向注塑模具的c a d 相关技术研究也开展起来。这个时期提出的c a d 技术的主 要特征是参数化设计方法的应用。参数化设计以一种全新的思维方式来进行产品的创建 基于知识的注塑模冷却系统智能设计技术研究 和修改。它用约束来表达产品几何模型，定义一组参数来控制设计结果，从而能够通过 调整参数来修改设计模型。这样，设计人员在设计时，无需再为保持约束条件而操心， 可以真正按照自己的意愿动态地、创造性地进行新产品设计。 参数化设计方法与传统方法相比，最大的不同在于它存储了设计的整个过程，设计 人员的任何修改都能快速地反映到几何模型上，并且能设计出一组形状相似而不是单一 的产品模型。参数化设计是新一代智能化、集成化系统的核心内容。参数化设计技术以 其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形的功能，成为初始设计、产品建模及修改、系 列化设计、多种方案比较和动态设计的有效手段。参数化设计技术的应用，很大程度上 提高了注射模具设计质量和效率，提高了注塑模具设计的水平。但是参数化设计只适用 于结构简单的零件设计，当对结构复杂的塑件进行设计时，修改参数就很容易引起结构 干涉。 ( 3 ) 专用注塑模具c a d 设计阶段 采用通用c a d 系统进行注塑模具设计，虽然在很大程度上提高了模具设计的质量 和效率。但是，一方面由于通用系统在某种程度上来说还只是一种几何建模工具，注塑 模具设计效率的提高仅在于三维效果的增强、绘图及建档速度的加快等实现手段上，注 塑模具设计经验的加入还主要依赖于人工干预，设计过程与手工实现基本相同，设计效 率没有从根本上得到提高。另一方面，作为通用系统，在开发之初都是作为通用机械设 计工具来构思的，因此在使用这些通用软件设计注塑模具时，仍会感到效率低下、操作 烦琐、功能短缺。 为了实现注塑模具结构设计的自动化，减少对设计专家的依赖，人们逐步将智能化 技术应用到传统c a d 中，把总结出来的以往在设计、制造方面的成功经验应用到注塑 模具设计中，形成用于工程分析和综合决策的知识库和智能化的推理机制，从而实现注 塑模具的智能化设计 0 3 。 1 1 2 注塑模具c a d 技术研究概况 人工智能技术是当今c a d 技术的主要研究内容。将人工智能技术运用到注塑模具 设计过程中，进行知识的推理、判断和决策，大大提高了设计效率和设计质量。目前， 国内外专家学者对注塑模具智能化设计技术进行了多方面的研究，并取得了一些成果。 ( 1 ) 国外研究概况 发达工业国家注塑模c a d 技术发展相当迅速。2 0 世纪7 0 年代已开始应用计算机 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，己成功地 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 大连理工大学硕士学位论文 设计的可靠性。近十多年来，国外学者在不断进行注塑模c a d 技术理论和实验研究的 同时，也十分注意向智能化、自动化阶段发展，具体研究成果如下。 澳大利亚的i c s h e l e s h - n e z h a d 和p r o f e s i o r e s 将专家系统应用于注射参数的确定， 将注射模参数的确定过程的分三阶段：首先是根据塑件材料，几何形状，塑料流动特点， 采用事例推理技术，从事例库中提出所有与之相吻合的事例来初步确定待求的工艺参 数；然后，将这些事例根据他们与待解决问题的相似程度分级，选出相似度最大的事例； 最后，通过基于规则的子系统对先前确定的参数进行修正。专家系统技术的采用，减少 了系统的优化时间以及设计过程中对专家的依赖【。”。 韩国的d o n g - h y u nj e e 和k i - j u k a n g 提出了选择最优材料的决定树理论，解决了注 塑模具设计过程中最优塑件材料的选择问题【8 】。美国的r r a v i w o n g s e 等研究并采用了 s o m ( s e l fo r g a 崩n gm a p ) 技术和模糊分析技术来进行塑料零件的制造加工方法的选 择，缩短了产品的设计周期【9 】。x g y e 等研究了基于特征的造型技术，实现了注塑模具 各结构零件的特征造型及注塑模具的自动装配模型。 ( 2 ) 国内研究概况 我国在注塑模c a d 技术研究、应用及开发方面起步较晚。从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，国内一些高等 院校和科研院所也开始了注塑模c a d 技术的研究工作。多年来，我国对注塑模具设计 制造技术及其c a d 系统的开发应用十分重视。自1 9 8 3 年上海交通大学在国内首次将人 工智能技术引入注塑模c a d 系统中后，我国学者在智能化注塑模c a d 技术的研究与开 发方面进行了大量的工作研究。 上海交通大学的蒋亚军，娄臻亮针对注塑模具顶出机构中顶杆类型的选择和顶出位 置的确定问题进行了研究。在建立塑件形状特征模型的基础上，运用产生式规则推理技 术进行塑件最优顶杆类型的选择；运用基于实例的推理技术确定项杆的顶出位置和所需 顶杆的数量，并对实例的框架表示法和基于模糊相似度的实例相似性度计算进行了进一 步研列1 0 1 。 上海交通大学的石峰，娄臻亮进行了基于模糊粗糙集模型的注塑模浇注系统方案智 能化设计研究，考虑到浇注系统方案设计中存在的模糊性和不确定性等因素，对经典的 粗糙集理论进行了扩展，将等价关系扩展为模糊相似关系，并提出一种租糙集模型的归 纳学习方法。利用此模型建立了具有规则数目少、规则简捷等优点的浇注系统方案设计 模糊知识库，实现了浇注系统方案的智能化设计【i ”。 上海交通大学的王轶为、娄臻亮、彭颖红进行了基于特征的注塑模浇注系统智能化 设计的研究。他们根据不同形状特征在构造零件几何形状、满足零件功能要求和制造要 基于知识的注塑模冷却系统智能设计技术研究 求中所起作用的不同，把形状特征分为主形状特征( 基特征) 和辅助形状特征( 辅特征) 。 在此基础上，结合c b r 和r b r 技术提出了一种混合型智能化设计系统来实现注塑模浇 注系统的智能化设计，并对c b r 和r b r 技术的关键问题和实现原理进行了研究f 1 2 】。 华中科技大学的于德祥、刘来英等人，采用人工神经网络技术作为注塑成型工艺参 数优化的核心技术，通过建立压力和温度网络模型，成功地模拟了注射成型过程中对成 型质量有重要影响的关键参数，建立了设计合理的优化策略，快速有效的将最优的工艺 参数提供给用户【1 3 1 。 山东大学的李凯岭、张月蓉进行了基于k b $ 的注塑模具设计技术研究。将人工智 能技术和数据库技术结合，建立了注塑模具知识库，对模具设计已有知识和经验进行总 结和分类，研究其不同的知识表示方法。采用框架表示和规则表示的知识表示方法，建 立完善的框架库、规则库和实例库，并设计了可视化的知识库管理界面，方便用户对知 识库的各项操作1 1 4 j 。 总体来讲，我国注塑模c a d 技术与国外先进技术还有一定差距，在这方面的研究 还有待于进一步的加强。 1 1 3 注塑模具冷却系统智能化设计研究现状 冷却系统作为注塑模具主要功能结构之一，其结构设计的合理与否，不仅影响塑件 的尺寸精度和质量，而且直接关系到塑件的生产效率。目前，在注塑模冷却系统智能化 设计方面，具有代表性的工作有。 香港大学的c l - l i 进行了基于特征的注塑模冷却系统设计技术研究，提出将设计合 成方法应用于冷却系统设计的思想。将复杂的塑件分解为具有简单形状的形状特征，而 每个简单形状特征的冷却系统则可以直接通过实例推理或规则推理获得，近而整个塑件 的冷却系统就可以通过对每个形状特征的冷却系统组成后得出【嘲。 c l l i 在其以前的研究基础上，进行了注塑模具冷却系统自动化布局技术的研究， 提出在设计的初始阶段考虑冷却系统功能的时候，就要同时考虑冷却布局的功能和冷却 水道加工的可行性。采用启发式搜索技术搜索出冷却系统布局的候选方案，再通过模糊 评估框架对候选方案从冷却系统的功能和加工可行性两方面进行评估，最后得出最佳的 冷却系统布局【| o j 。 华中科技大学的华都、王华昌、李建军进行了基于u g 的注塑模具冷却系统自动生 成的研究与实现。通过分析注塑模具各模板水孔和水道及其相关结构件的关系，给出了 动模水孔和定模水道的生成算法。并给出了水孔和密封圈槽的关联设计和水道与型腔表 面的关联设计。以此为基础，在u g 平台上建立了注塑模冷却系统设计模块，简化了模 板水孔的设计过程，提高了冷却系统的设计精度和效率，保证了设计结果的一致性1 1 7 1 。 大连理工大学硕士学位论文 天津科技大学的秦一芬、吴崇峰、王军进行了基于特征和面向对象的注塑模冷却系 统设计的研究，采用特征造型技术对注塑模冷却系统进行冷却回路形式特征建模、模具 钢材料特征建模、温度特征建模及回路形式特征建模。采用规则框架混合表示法来进 行知识的表达，采用事理推理和规则推理相结合的方法来进行冷却系统的智能化设计， 提高了注塑模具冷却系统设计的自动化程度【l 柳。 1 2k b e 技术的研究现状及进展 1 2 1k b e 技术的定义与内涵 k b e ( k n o w l e d g e b a s e de n g i n e e r i n g ，k b e ) 直译为基于知识的工程。迄今为止， 尚无一种公认的、完备的k b e 的定义。福特汽车公司认为k b e 是利用a i 、r r 和计算 机工具来解决工程问题的方法。它将设计、制造和与客户相关的知识融合在一起，尽可 能实现自动创建几何模型的功能。英国c o v e n t r y 大学知识工程管理中心指出k b e 是一 种基于产品模型、存储并处理与此相关知识的计算机系统；它是目前促进工程化、实用 化产品开发的最值得研究的软件方法。欧洲面向k b e 应用的方法和软件工具研究联盟 提出k b e 是计算机辅助工程领域的一个进步；是一种将面向对象方法、a j 和c a d 技 术三者集成的工程方法，能够提供设计过程客户化、变量化和自动化的解决方案。美国 大学费根鲍姆教授在第五届国际人工智能联合大会上提出了“知识工程”的概念，他指 出人工智能技术的研究应该从获取智能化功能的策略转变成基于知识工程的研究，由此 明确了人工智能技术研究中把知识作为处理对象的重要地位。综合各种k b e 的定义， k b e 技术可以归纳为：k b e 是面向整个产品开发过程，以提高市场竞争力为目标，通 过对知识的继承、归纳、集成、运用和管理，建立各种异构知识系统和多种描述形式知 识集成的开放设计环境，并提高创新能力的现代设计方法。 k b e 技术的内涵：是对工程知识的有效继承、集成、运用、管理与创新；是c a x 技术( 如c a d c a m ，c e c a p p 等) 技术与人工智能( 舭) 技术的有效集成；是将知识 充分运用到设计和制造环节的使用技术；是以工程为中心的过程；不是c a x 技术的替 代”9 1 。 1 2 2k b e 技术的发展概况 随着计算机和人工智能的快速发展，智能化技术的研究受到众多领域的高度重视， 探索新的基于知识的设计模式和技术已成为一种趋势。基于知识的c a d 系统对于新产 品的开发起到了驱动力的作用，通过记录不同经典工程的设计知识，对它们加以理解、 抽象和维护，构建一个可以重复使用的知识库，通过修改k b e 中的对象性能参数驱动 c a d 系统设计。将知识工程( 包括知识库、知识规则、知识推理) 与c a d 系统有机结合， 基于知识的注塑模冷却系统智能设计技术研究 使其应用对象从几何造型、分析、制造延伸到工程设计领域 2 0 1 。所以，进一步研究如何 把知识工程的思想方法引入到传统的c a d 系统中具有很重要的现实意义。 作为当前国内外研究的热点，英国c o v e n a y 大学、c r a n f i e l d 大学、美国w a s h i n g t o n 大学等都正在开展k b e 技术的研究。许多跨国公司如b o e i n g 、g e 、f o r d 、b r i t i s h a e r o s p a c e ，j a g u l a r ，l o t u s ，s a a bf r o me u r o p e ，m i t s u b u s h i ，h i t a c h i ，m a z d a ，h o n d a 、 m a t s u s h i t a 等都成立了专门的k b e 研发部门【2 n 。 1 2 3k b e 技术在智能化模具设计中的应用 我国基于k b e 技术的智能化模具设计技术应用研究尚处在起步阶段，在新方法的 使用和知识处理技术的研究方面还有待于进一步深入。目前主要研究的成果有： 上海交通大学国家模具c a d 工程研究中心的杨宁，娄臻亮，周雄辉进行了基于知 识的注塑模具d f x 系统研究，提出了一个基于对象规则的知识元模型，通过面向对象 的方法提高了知识的表示和推理能力。采用事例推理方法，通过对以往成功事例的参考， 解决了成本评估问题；利用神经网络强大的自学习能力，解决了加工时间的计算问题； 采用基于黑板推理的综合评价方法，实现了产品设计的评价与优化 2 2 1 。 大连理工大学模具研究所的于同敏、姜开宇等学者进行了注塑模知识库系统构建的 研究，采用基于规则、面向对象、基于案例和基于数据表的混合知识表达方式对知识进 行了表达。通过对注塑模具知识的分析与整理，得到了不同知识表达方法在表达注塑模 知识时的一般原则j 。 浙江大学现代制造工程研究所的邵健、吕霞、柯应林进行了基于k b e 的模具型腔 设计技术研究。采用面向对象技术、r b r 技术及c b r 技术分别对知识库中的特征库、 规则库及实例库中的知识进行了表达，解决了模具型腔设计过程中各阶段信息的集成及 设计过程中的知识共享问题 2 4 1 。 江苏理工大学的骆志高、石明洪建立了基于知识的注塑模冷却方式图形库，根据传 统的冷却系统设计思路和作法，在总结各种设计规则及在设计实践中积累起来的非形式 化经验的基础上，建立了知识库。采用规则一框架的混合表达形式来描述模糊设计知识 。和确定性设计规则，实现了冷却方式自动匹配圈。 1 3 课题的研究意义和主要研究内容 1 3 1 课题的研究意义及应用价值 注塑模具冷却系统的设计不但对制品尺寸精度、翘曲变形、应力开裂、表面质量等 影响较大，更为重要的是，在注射成型过程中，冷却时间占成型周期的8 0 左右，这对 产品的生产效率乃至企业的经济效益都有很大的影响。 大连理工大学硕士学位论文 近几年来，人们不断把人工智能技术应用到传统的注塑模具c a d 中，使注塑模c a d 的部分模块实现了智能化，但是与实际应用还有很大的距离。因此，采用合理的人工智 能技术与方法，研究注塑模具冷却系统智能化设计技术，对提高设计质量与效率具有重 要意义。 针对目前注塑模具冷却系统设计的自动化、智能化程度低的问题，本文提出了基于 知识的注塑模冷却系统智能设计技术研究的课题。知识工程( k b e ) 技术的引入，可把 设计人员从繁琐反复的设计一审核修改过程中解脱出来，设计者通过熟悉的w i n d o w s 可视化的人机交互界面实现整个冷却系统的设计过程。通过对冷却系统不同知识的合理 表达及正确推理机制的建立，将大大提高系统的智能化推理速度。而且，随着知识库中 设计经验及模拟经验的不断完善与扩充，注塑模冷却系统设计的效率和满意度将大幅度 提高。因此，基于知识的注塑模冷却系统智能化设计技术的研究，对缩短塑料制品的开 发周期，降低生产成本具有较强的研究意义和应用价值。 1 3 2 课题的主要研究内容 本文在分析注塑模具冷却系统设计理论的基础上，结合计算机辅助设计，采用知识 工程和人工智能技术，研究基于知识的注塑模具冷却系统智能化设计关键技术。主要完 成以下内容： ( 1 1 研究注塑模具智能化设计技术，结合计算机辅助设计理论，针对注塑模具冷却 系统进行智能化设计的总体方案及工作流程设计。 ( 2 ) 系统分析冷却系统设计知识和专家经验的特点，通过对知识的详细总结和分类 整理，利用知识工程的思想方法建立冷却系统知识库，其中包括模糊规则库、事例库、 材料数据库等，并对知识库中知识的表示和组织方法进行研究。 ( 3 ) 建立可视化的管理界面，采用数据库技术，实现对知识库中知识的查询、添加 和修改。 似) 研究注塑模冷却系统智能化设计中知识的推理方法及策略，采用模糊推理技术 和事例推理技术，完成设计规则的模糊匹配和事例的相似求解。 ( 5 ) 采用模块化技术，建立冷却系统设计计算模块和冷却系统智能化推理模块，通 过人机交互界面完成智能化设计的操作，并利用实例验证注塑模具冷却系统智能化设计 方法的正确性和可行性。 一7 一 基于知识的注塑模冷却系统智能设计技术研究 2 注塑模具冷却系统设计知识 在塑料注射成形过程中，模具的温度将会直接影响到塑件成型的质量和生产效率。 由于各种塑料的性能和成形工艺要求不同，对模具温度的要求也不同。对于大多数要求 低模温的塑料，仅设置模具的冷却系统即可。但对于要求模温超过8 0 c 的塑料以及大型 注塑模具，均需要设置加热装置 2 0 - 1 。本文仅研究注塑模具的冷却系统智能化设计技术。 2 1注塑模具冷却系统的意义 2 1 1 冷却系统对塑件质量的影响 高温塑料熔体在模具型腔内凝固并释放热量，模具内需要形成一个合适的温度分 布，使塑件的质量达到最佳。注塑模具温度调节系统对制品质量的影响，表现在以下几 个方面【2 7 1 。 ( 1 ) 成形性能 每种塑料在成形加工过程中若能始终维持合适的模温，则可使其成形性能得到改 善。模温过低，会降低熔体的流动性，可能发生欠注：模温过高，会使熔体发生分解， 塑件收缩率增大，影响尺寸精度。模温恒定，可减少成形收缩率的波动，制品尺寸稳定， 成形质量均匀。 ( 2 ) 尺寸精度 保持模温恒定，能减少制品成形收缩率的波动，提高制品尺寸精度的稳定性。在可 能的情况下采用较低的模温，有助于减小制品的成形收缩率。结晶形塑料，模温高些有 利于结晶过程的进行，充分结晶的塑件，在存放或使用中不会发生尺寸的变化；但结晶 度高收缩率大，较柔软的塑料，成形中宜用低模温，有利于其尺寸稳定。任何一种材料， 模温恒定，收缩一致，均有利于提高尺寸精度。 ( 3 ) 塑件变形 模具温差过大，会使塑件冷却不均匀，收缩不一致，由此产生应力而引起塑件变形， 尤其壁厚不均匀和形状复杂的塑件更为突出。合理的温度调节，可消除塑件变形。 ( 4 ) 力学性能 结晶形塑料，结晶度愈高，塑件的应力开裂倾向愈大，故从减小应力开裂的角度出 发，降低模温是有利的。但对于聚碳酸酯一类高粘度无定形塑料，其应力开裂倾向与制 品中的内应力大小有关，提高模温有助于减小塑件中的内应力，也就减小了其应力开裂 的倾向。 ( 5 ) 外观质量 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 提高模具温度能改善塑件表面质量，过低的模温会使塑件轮廓不清晰并产生明显的 熔接痕，导致塑件表面质量变差。表2 1 所示为不正常模具温度对塑件质量的影响。 表2 1 不正常模温对塑件质量的影响 t a b 2 1 t h ei n f l u e n c vo f a b n o r m a lm o l dt e m p 盯a l i m0 1 1q u a l i t yo f p l a s t i cp a r t 2 1 2 冷却系统对生产效率的影响 在注射成形过程中塑料熔体所释放的热量约有5 以模具传导、对流和辐射的方式 散发到大气中，其余的大部分热量由冷却介质( 一般是水) 带走，因此注塑模的冷却时 间主要取决于模具冷却系统的冷却效果。据统计，模具的冷却时间约占整个注塑成型周 期的2 1 3 4 5 2 s ，因此，缩短冷却时间是提高生产效率的关键因素。 2 2 注塑模具冷却系统的设计计算 注塑模具冷却系统的设计是一个计算量大，影响因素较多的设计过程。其主要设计 内容包括：冷却时间的计算、模具的热平衡计算、冷却管道尺寸和冷却介质的用量、冷 却回路的设计及冷却系统工作参数的确定等，其中以熟传导分析和热量计算为难点。此 外，设计冷却系统要考虑的因素也很多，如模具材料、冷却回路的分布、冷却液温度及 一9 一 基于知识的注塑模冷却系统智能设计技术研究 流动状态、模塑材料、塑件厚度、模具温度等等。图2 1 所示为冷却系统设计计算的流 程图。 图2 1 冷却系统设计计算流程 f i g 2 1 t h ec a l c u l a l j o n f l o w o f c o o l i n gs y s t e m d e s i g n 2 2 1 冷却时间的计算 冷却时间通常指塑料熔体从充满模具型腔开始，到可以打开模具取出塑件为止的时 间。理论上，冷却时间与塑件最大壁厚的平方成正比，或是与最大流道直径的1 6 次方 成正比，即： 冷却时间一砺翥等淼冷却时间一磊曼奁淼 塑件可以从模具中取出的时间，是以塑件是否已经充分固化，具有一定的强度和刚 度，在开模推出时不致变形开裂为准。以塑件壁厚计算冷却时间，可分为结晶形塑料和 非结晶形塑料两情况进行计算。 ( 1 ) 非结晶形塑料 薄壁塑件( 壁厚与平均直径之比1 2 0 ) 薄壁塑件通常按照塑件断面的平均温度巩，来计算冷却到该温度的时间f 归森s 2 懈 ( 2 ” 式中：j 一塑料的热扩散系数( m m 2 s ) ； s 一塑件的最大壁厚( m m ) ； 如一塑料熔体的初始注塑温度( ) ； 鼠r 模具温度( ) ： 矽厂一塑件截面的平均脱模温度( ) 。 大连理工大学硕士学位论文 厚壁塑件( 壁厚与平均直径之比) 1 2 0 ) 厚壁塑件通常只要其两表面层具有足够的刚性，且壁厚中心层的温度大致在该物料 的热变形温度附近，即可脱模。 通常用该塑料的热变形温度或略低于该温度作为脱模温度毋，来计算冷却到该温度 的时间f 扭磊s 21 i i 筇4 ：( 0 0 - 也0 , , ) 妇 ( 2 2 ) 式中，岛为塑件最厚部位中心层达到的脱模温度( ) ，其它参数参考式2 1 。 ( 2 ) 结晶形塑料 对于结晶形塑料来说，冷却时间的计算与塑料的种类有关，以下为常用三种结晶形 塑料的冷却时间经验公式： p e ( 聚乙烯) 棒类2 3 9 6 舻( 篙等) 溅日_ 7 9 9 8 s 2 鹾) p p ( 聚丙烯) 适用范围0 0 = ( 2 3 2 2 2 8 2 2 ) ，8 尸( 4 4 7 9 4 ) 棒类：p = 6 5 6 6 r 2 ( 乏0 i o 瓦+ 4 石9 0 ) 板类日瑚s s s 2 ( 鑫等) p o m ( 聚甲醛) 适用范围0 0 1 9 0 ( 2 ，以 1 2 5 ( 2 棒类：p _ 7 1 6 l r 2 铽0 0 + 1 5 7 8 ) 板类：日- 3 6 2 7 s 2 铽0 0 + 1 5 7 8 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) +( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 衄) ，其它参数参考式2 1 。 基于知识的注塑模冷却系统智能设计技术研究 2 2 2 热平衡计算 模具熟平衡计算的目的是计算出单位时间内进入模具的总热量和需要冷却剂带走 的热量。本文选择水为冷却剂。 ( 1 ) 单位时间内进入模具的总热量 可通过下述公式求得： q = w q = n x g x g ( 2 9 ) 式中：畔位时间内进入模具型腔的塑料重量( k g h ) ； m 每小时注射次数； q 厂单位重量的塑料材料从熔体状态进入型腔开始，到冷却结束时所放出的热量 ( k j k g ) ；又称为单位热流量之差或热焓之差，其值可查表获得，或由下式 近似计算求得： g = c ，( 0 0 - 0 2 ) 4 - p ( 2 1 0 ) 式中：c 一塑料的比热容d j 瓜g 】； 一结晶形塑料潜热( k j k g ) ； 日d _ 塑料熔体进入模腔时的温度( ) ； 口厂一塑件冷却固化结束时的温度( ) 。 ( 2 ) 通过自然冷却所散发的热量 通过自然冷却所散发的热量由旦谚、q r 和q 工三部分组成，具体散发形式的计算公式 如下： 模具由于空气对流散发的热量q e q = 啊4 ，( 日2 。一吼) ( 2 1 1 ) 式中：彳扩模具表面温度( m 2 ) ； 矽撕一模具平均温度( 1 2 ) ； 日_ 车间室温( ) ； 广- 传热系数 k j ( m ：h ) ，当o 伊加 6 0 0 0 时，冷却水处于稳定的湍流状态，这时冷却水管壁与冷却水交界面传热 膜系数加可用下式计算： = 7 3 4 8 ( 1 + 0 0 1 5 0 s m ) 志 ( 2 2 9 ) 式中：口一却水的平均温度( ) ； y 冷却水的平均流速( m s ) 。 2 2 5 冷却水管的表面积计算 因为冷却水是以对流方式进行热传递的，故有q 2 = h e ( 0 。一日，。) 。所以，所需冷 却水管的表面积计算公式如下： 大连理工大学硕士学位论文 炉丽丽而蔑瓦j 5 q _ 式中；6 赢一冷却水管壁的平均温度，本文取( 疗矗一矽加) = 1 5 c 。计算得到的冷却水管的 表面积，值，大致标准应该接近或者大于制品与模具型腔相接触的面积。 2 2 6 冷却水管的总长度计算 由