（机械设计及理论专业论文）饮料瓶盖注塑模热流道方案建模技术研究及应用.pdf

摘要浙江大学硕士学位论文 摘要 热流避技术怒匿家“十益”铺造渡大力发髅舔遗秘需求懿一项新技术，采阕 该技术可减少制黯废料、缀短成型周期、提高制品精度。开发热流道辅助设计软 件对辅缝热流道浚计周期，洚低试模潺簦率等蹙有熏簧的意义。本文从概念设计 舞麦穗发，对热流遭诗冀瓤辏殛糍念莰计接恭遂行了深讨秘磅究，实疆了款壤念 摹霆爨谱缎镶撬竣诗的诗舞壤辕助竣诗过程。 第一耄， 阐述了淀塑模具的发展现状和热流遒的应用情况，引出课题背景。通 过分析溺前热流道辅渤设计技术存农驰闯籁，掇癌本文黝研究斑容与 总体穗黎。 第二攀，掇爨了蒸予扩羼z 形羧射熬模鞭与躐糖产鼹攘念知识裘遮摸爨。势基 于该方法建立了热流道产品的知识袭达模激。i 司时根据模糊与或树模 黧懿姆燕，奔终了壤念浚诗方寰集笺或_ i 建疆。 第三露，掇爨热流遭计算税辅瓒掇念设计酶过程撰檠。棼详缨夯缡了从耩念攀 图懑发的详细热流道鞴髓穰念设计套过程，包搔概念草阁的爨成、功 能分解、概念设计方案榘的嫩成及傀纯，蒸体方案的产黧及设计实璃。 第四鬻，分缨了热流道设计中个聪囱装酝的互继参数他标准 夸库的建立方 法。阐述了建瘁廉则与建瘁详细过稷。宠成了热流道标潍件及通用 牟 梅猴麾鹣建立。 第蠹豢， 蒸予禳念设诗京p r o e 警台开发了熬滚遂壤籀獠念设谤较释暴统，实 现了热流道结构部分的辅助设计，辩给出棚关的设计实例。 第六露，辩零文的研究工终遴嚣了慧维，奔缓了煞瀛遂鞴勤设诗避一疹磷究工 终毒震熬。 关键阕；热瀛邋概念设诗结构设计计算杌辅助概念漤计 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t h o tr u n n e ri san e wt e c h n o l o g yw h i c hh a su r g e n td e m a n di nm a n u f a c t u r i n g i n d u s t r yw mw h i c hc a r lb r o u g h tl e s sw a s t e s h o r t e rp r o d u c t i o nc y c l ea n db e n e r m a n u f a c t u r i n gp r e c i s i o n i no r d e rt os h o r t e nt h ed e s i g nc i r c l e o fh o tl q l n n e ra n d d e c r e a s et h er e w o r kp r o b a b i l i t yo ft e s tm o l d ，i ti si m p o r t a n tt od e v e l o pt h ed e s i g n s o f t w a r eo i lh o tr u n n e rc a d i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ea u t h o rm a d ead e e pr e s e a r c ho n h o tr u n n e rs y s t e mo nt h eb a s i so fad e t a i ld i s c u s s i o na n ds t u d yo fc a c dt e c h n o l o g y a n dc o m p l e t e dac a c ds o f t - w a r es y s t e mf o rh o tr u l m e rd e s i g n i nc h a p t e r1 ，c u r r e n td e v e l o p m e n to fi n j e c t i o nm o l da n dt h ea p p l i c a t i o no fh o t r u n n e rw e r ep r e s e n t e d b a s e do i lt h ea n a l y s i so fe x i s t i n gp r o b l e m so nh o tr u n n e r c a d t e c h n o l o g y , t h er e s e a r c hd i r e c t i o na n dt h em a i nf r a m eo ft h i sd i s s e r t a t i o nw e r e p u tf o r w a r d ， i nc h a p t e r2 ，t h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fc o n c e p t u a ld e s i g nt e c h n o l o g yw a s i n t r o d u c e d t h ec o n c e p t u a ld e s i g na n dc o n c e p ts p a c eo ff u z z ya n d o rt r e eb a s e do n e x t e n d e dz i g z a gm a p p i n gw a sp u tf o r w a r d o nt h eb a s i so ft h i st h e o r y , c o n c e p ts p a c e o fh o tr u n n e rp r o d u c tw a se s t a b l i s h e d t h ee s t a b l i s h i n gp r o c e s so fc o n c e p t u a ld e s i g n s c h e m es e ti sr e p r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo f f l i z z ya n d o rt r e em o d e l i nc h a p t e r3 ，t h ep r o c e s sf a n eo f h o tr 1 u l r l c rc a c dw a s p u tf o r w a r d t h ew h o l e p r o c e s sf r o mc o n c e p ts k e t c ht od e t a i l e dh o tr u n n e ra i d e dc o n c e p t u a ld e s i g nw a s p r e s e n t e di n c l u d i n gt h ec r e a t i o no fc o n c e p ts k e t c h , f u n c t i o nd e c o m p o s e ，c r e a t i o na n d o p t i m i z a t i o no f c o n c e p t u a ls c h e m es e t ，d e s i g na n dr e a l i z a t i o no f d e t a i ls c h e m e h lc h a p t e r4 t h em e t h o do ff o u n d i n ga3d p a r a m e t r i cs t a n d a r dp a r tb a s ef o r a s s e m b l ei nh o tr u n n e rd e s i g nw a s p r e s e n t e d t h ep r i n c i p l eo ft h eb a s ew a sp r e s e n t e d ， a n dt h ed e t a i lp r o c e s so f b u i l d i n gt h eb a s ew a si l l u s t r a t e d c o m b i n e dt h es t a n d a r d p a r t w i t hg e n e r a lp a r to f h o tr u n l l e r , t h eh o tn l n n e rp a r tb a s ew a sf o u n d e d i nc h a p t e r5 ，b a s e do nt h ep l a t f o r mo fp r o ea n dv c + + t h eh o tn l r l n e ra i d e d c o n c e p t u a ld e s i g ns o f t w a r es y s t e mw a sc o m p l e t e di nw h i c ht h ei d e ao fc o n c e p t u a l d e s i g nw a si m p l e m e n t e d t h em e c h a n i s md e s i g no fh o tr u n n e rw a sr e a l i z e d f i n a l l y , s e v e r a ld e s i g ne x a m p l e sw e r eg i v e n t t 摘要浙江大学硕士学位论文 i n c h a p t e r6 ，t h er e s e a r c hw o r ki ss u m m a r i z e da n dt h ef u t u r ew o r ko ft h i s r e s e a r c hw a sg i v e n k e y w o r d s ：h o tr u n n e rc o n c e p t u a ld e s i g nm e c h a n i s md e s i g n c a c d i i i y 。7 7 6 4 3 s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 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过的 研究成果，也不包含为获得逝塑互螳或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝堑盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝逛盔堂可以 将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、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 f 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 九! 龟虫导师签名：，尹何万 签字日期：为哆年弓月乡日 签字日期：年月日 位论文作者毕业后去向； ：作单位：浙江科技学院求是应用技术学院 l 讯地址：浙江科技学院求是应用技术学院计信系 电话 邮编 第1 章绪论浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 【本章摘要】阐述了注塑模具的发展现状和热流道技术研究现状，；j l 出课题背景a 通过分 析当前热流道辅助设计技术存在的问题，提出本文的研究工作与总体框架。 1 1 引言 随着制造业的发展，塑料制品在生产、生活中的应用越来越广泛，对塑料 制品性能、质量和外观的要求也相应提高。注塑模具热流道以其应用范围广、 有利于生产自动化和节约原材料等优点正在相应领域逐步取代传统的冷流道。 热流道可看成是注射成型机械的延伸，是注塑模结构的一部分。它连接注 塑机浇口和型腔，把自注塑机射出的熔融塑料输送到型腔内部。和传统的冷流 道不同，它具有自己的加热系统，从而可以保持流道内熔融塑料的温度恒定， 在注塑机一次注射完成后，喷嘴e ：i ( g a t e ) 因为负压自动封闭，这样就不会在 塑件上留下凝料把，免去了入工或者机械另外除去凝料把的工作，有利于一次 注射成型、节约原料、改善塑件外观。热流道尤其适合像c d r 、d v d 、瓶盖和 一次性调羹这样大量和简单的产品的生产。热流道能节约成本，肯德基炸鸡公 司使用3 2 腔调羹的热流道模具就是一个很好的例子。由于无需清理飞边，加快 了成型周期，因采用热流道而增加的成本一个月就可收回。而且对于某些特殊 性能和外观的塑件，如薄壁制品、医疗用塑件制品等，只能采用热流道。 热流道注射成型模具于1 9 5 8 年由美国i n c o e 公司开发成功，因其自身优点， 迅速得到业界认同。但是因为技术和价格的原因，初期其工业化进展速度迟缓。 但是近年来随着现代加工技术的发展，热流道技术也相应发展，现在其技术品 种多达3 g o 多种。加热方式从内热式向外热式发展，从而使热流道模具升温更 快，温度分布更均匀，换色更方便，寿命更长；经济上，价格大幅降低，目前 的价格较5 年前几乎下降了半。近年来热流道技术的应用在国外发展很快， 发达国家的使用率己达8 0 以上，取得了良好的经济效益。国内热流道模具已 有生产，有些企业使用率达到2 0 3 0 ，但是总的来看，比例还太低，亟待迸 一步发展。 第1 章绪论浙江大学硕士学位论文 目前国内企业对热流道产品的设计也越来越关注，但是热流道设计开发涉 及的因素比较多，设计过程复杂，对加工工艺要求也比较高，因此拥有自主知 识产权的热流道模具技术与产品比较少，大部分采用进口热流道系统。如杭州 娃哈哈集团有限公司曾先后从意大利、德国进口该类产品总价值达3 0 万美元。 为了降低热流道成本，国内很多大的公司、研究所都投入大量人力物力致力于 热流道及其辅助设计软件项目的开发。 杭州娃哈哈集团有限公司是国内最大的食品饮料企业，其仅纯净水一项在 国内同类产品就占有5 0 以上的市场份额。目前娃哈哈年产饮料达4 0 0 万吨， 与之配套的制罐、制瓶、制盖等辅助生产能力也相当发达。饮料产品成本中饮 料瓶成本占较大比例，如6 0 0 m l 的瓶装纯净水中，包装成本占总成本的8 5 左 右。于是节约原材料、降低生产成本的任务就落在降低瓶体及瓶盖的制造成本 上。但是为了占领市场，饮料的综合质量( 包括包装) 又需要提高，因此提高 饮料瓶模具设计与制造的技术水平势在必行，热流道的采用成为必然。进口热 流道成本非常昂贵，如何能够拥有自主知识产权的热流道开发技术成为饮料行 业提高竞争力的关键。目前娃哈哈公司已经设计完成了一套4 腔的瓶盖注塑模， 包括热流道部分，并且对相关的数据进行了测试与分析。因为热流道设计过程 复杂，为了提高热流道设计效率与质量，更大程度的降低模具试制成本，缩短 设计周期，迫切需要在现有基础上，开发热流道辅助设计软件。 浙江大学工程与计算机图形学研究所同杭州娃哈哈集团有限公司精密机械 制造公司联合提出了“注塑模具热流道设计软件开发”项目。该项目被列为杭 州市与浙江大学战略科技合作“5 1 1 2 ”工程研究专项。浙江大学工程与计算机 图形学研究所承担热流道辅助设计软件的开发，杭州娃哈哈集团精密机械制造 公司负责热流道的结构制造和生产测试。 本文通过对热流道计算机辅助概念技术的研究，建立热流道产品知识表达 模型的模型，分析热流道计算机辅助概念设计过程，完成基于概念设计思想的 热流道计算机辅助设计软件的开发。把热流道辅助设计从结构设计提升到概念 设计的层次。最后给出应用实例。 2 第1 章绪论 浙江大学硕士学位论文 1 2 注塑模具的发展现状 作为五大经济支柱产业之一，模具行业的发展水平反映了一个国家的经济水 平。特别是在汽车、家电、玩具等行业，模具水平更是起到决定其命脉的作用。 近年来随着石化工业的发展，塑料的种类越来越丰富，塑料材料来源便捷、成本 相对低廉、制作简单、性能稳定，已经在很多领域代替了原来使用的传统材料。 塑料模具在模具行业里如一匹黑马，得到日新月异的发展。 在工业发达国家，据1 9 9 1 年统计，日本生产塑料模和生产冲压模的企业各占 4 0 ：韩国模具专业厂中，生产塑料模的占4 3 9 ，生产冲压模的占4 4 8 9 6 ：新加 坡全国有4 6 0 家模具企业，6 0 生产塑料模，3 5 生产冲模和夹具。 8 0 年代以来，我国模具工业发展迅速，2 0 0 0 年中国模具工业总产值己达2 8 0 亿元人民币，在模具工业的总产值中，冲压模具约占5 0 ，塑料模具约占3 3 ，压 铸模具约占6 9 6 ，其他各类模具约占1 1 。目前，塑料模具在整个模具行业中约占 3 0 左右。据预测，在未来的模具市场中，塑料模具在模具总量中的比例将逐步 提高，且发展速度将高于其他模具。 在塑料模具中，注射模具是应用最广泛、类型最多、结构最复杂的种。在 现代塑料制件的生产中，合理的加工工艺、高效的设备、先进的模具是必不可 少的三项重要因素。尤其是塑料模具，对提高塑料加工工艺、满足塑料制品性 能、降低塑料制件的成本起着重要的作用。- - n 好的注塑模可成型上百万次， 这与模具的设计、模具材料及模具的制造技术有着很大的关系。 国外注塑模具的发展历史比较长，目前已经相当成熟，其注塑成型技术的 发展指导思想是：多工位、高效率、自动化、连续化、低成本。国内的注塑模 具目前发展趋势也不错，已经有很多厂家可以做到多品种、交货期短、精度高、 质量好、价格低，但和国外相比，国内的模具行业仍有较大差距，具体数据见 表一”。 从塑料模的设计、制造及模具的材料等方面考虑，塑料成型技术的发展趋 势可以简单地归纳为以下几个方面。 第1 章绪论 浙江大学硕士学位论文 表1 ：国内外塑料模具技术比较表 项目国外国内 注塑模型腔精度 o 0 0 5 o 0 1 r a mo 0 2 o 0 5 r a m 型腔表面粗糙度 r a 0 0 l o 0 5 i i i l lr a 0 2 0 p m 非淬火钢模具寿命1 0 6 0 万次1 0 3 0 万次 淬火钢模具寿命1 6 0 3 0 0 万次5 0 1 0 0 万次 热流道模具使用率8 0 以上总体不足1 0 f 标准化程度 7 0 8 0 小于3 0 i 中型塑料模生产周期一个月左右2 4 个月 i 在模具行业中的占有量 3 0 4 0 2 5 3 0 1 模具的标准化 为了适应模具大规模成批生产塑料成型模具和缩短模具制造周期的需要，模 具的标准化工作十分重要，目前我国模具标准化程度尚未达到2 0 。 2 加强理论研究 随着塑料制件的大型化和复杂化，模具的重量达数吨至十多吨，这样大的模 具，若只凭经验来设计，往往会因设计不当而造成模具报废，数十万元的费用将 毁于旦，所以设计模具己逐渐向理论设计方面发展，并将理论与生产实际相结 合，以指导实际的模具工业生产。 3 塑料制件的精密化、微型化和超大型化 为了满足各种工业产品的使用要求，塑料成型技术正朝着精密化、微型化和 超大型化等方面发展。随着塑料制品在各行业应用日益广泛，对塑件的外观、形 状和性能要求也越来越高。塑件规格d n 0 0 5 9 ，大至u 1 7 0 k g ，这就对注塑模具的 要求非常严格。 4 新材料、新技术、新工艺的研制、开发和应用 随着塑料成型技术的不断发展，模具新材料、模具加工新技术和模具新工艺 方面的开发己成为当前模具工业生产和科研的主要任务之一。十多年来，国内外 塑料成型行业在改进和提高模具设计与制造方面投入了大量的资金和研究力量， 取得了许多成果。 5 热流道技术的应用 随着塑件制品应用领域越来越广泛，对塑件制品的要求也越来越高。如电子、 仪表工业需要微型化的塑料制件，塑料制品尺寸公差要求保持在0 0 l 一0 0 0 lm m 4 第l 章鳍论 浙江大学硕士学位论文 之内：另外如汽车、电子、玩具、化妆品等行业，对塑件的外观质量要求特别高， 对于这类塑料制品，采用热流道技术的模具可提高制件的生产率和质量，并能大 幅度节省塑料制件的原材料和节约能源，所以广泛应用热流道技术是塑料模具的 一大变革。制订热流道元器件的国家标准，积极生产价廉高质量的元器件，是发 展热流道模具的关键。 6 计算机辅助设计计算机辅助制造计算机辅助工程技术的应用 塑料制件应用的日益广泛和大型塑料制件的不断开发，对塑料成型模具设计 和制造提出的要求越来越高。传统的模具设计与制造方法不能适应工业产品不断 开发和及时更新换代与提高质量的要求，为了适应这些变化，先进国家的计算机 辅助设计计算机辅助制造计算机辅助工程( c a d c 嬲e a e ) 技术在2 0 世纪8 0 年 代中期己进入实用阶段，市场上已有商品化的系统软件出售。国内一些高校和研 究所也对模具c a d c a m c a e 技术进行了许多研究和实践，并取得了很大成果。但 我国在该技术的应用和推广方面与外国相比还存在一些差距，有待于进一步改进 和完善。 1 2 热流道辅助设计技术研究现状 注塑模具系统主要分为冷流道系统和热流道系统。热流道具有节约原材料、 提高生产效率、提高塑料制品质量、利于生产自动化等优点，目前在注塑行业 应用非常广泛。热流道系统早在l 9 5 8 年就被美国i n c o e 公司开发出来，但是此 后的很长时间内，因为设计复杂、设计周期长、试模返修率高等因素，热流道 并没有因其诸多优点而得到推广和应用。直到8 0 年代以后，随着现代科技的发 展，热流道技术才得以迅速推广和应用。特别是c a d c 埘c a e 技术的发展，使 得热流道设计人员得以从复杂的劳动中解放出来，把精力更多的投入到热流道 新产品的开发中去，而计算机模拟熔体流道的技术，使得设计完成的产品无须 进行试制和试生产，即可分析出模型的合理性。这就大大降低了热流道设计的 成本和周期。可以说，c a d c a e c a m 技术进入模具行业成为历史的必然。计算 机技术的运用，正在各方面取代传统的手工设计方式，并取得了显著的经济效 益。 c a d c a m 技术产生于本世纪5 0 年代后期发达国家的航空和军事工业中，随 第l 章绪论 浙江大学硕士学位论文 着计算枧软硬件技术和计算枧图形学技术的发展两迅速成长起来。1 9 8 9 年美国 国家工程科学院将c a d c a m 技术评为当代( 1 9 6 4 1 9 8 9 ) 十项最杰出的工程技术 成就之一。 在几何造型方面，基于线挺模型的c a d 系统率先由飞枫帮汽车制造公司开发并 整孺。饲如美国l o c k h e e d 公司于1 9 6 5 年骚麓的c a d a m 系统、美 m c d o n n e l l d o u g l a s 飞机公司于1 9 6 6 年研制的c a a d 系统。进入7 0 年代后，曲面造型技术发展 很快，c o o n s 曲面、b e z i e r 曲面和b 样条曲面相继问世，出现了一批以曲耐造型为 核心的c a d c a m 系统，如英国的d u c t 系统、美国的c a m a x 系统等。曲面造型系统比 较适用于具有复杂型黢表面的注塑模。8 0 每伐实体造型技拳迸震迅速，如美国薪 踅福大学的g e o m o d 系统，日本北海道大学静t i p s 系统，英雷翻轿大学的b u i l d 系 统等，它们为实体造型软件的开发作出了奠基性的工作。无疑新一代的c a d c a m 软件是实体造型与曲面造型兼铸的系统。 在滚动模拟方嚣，6 0 年代中期戮? o 每我孛羯，英国、美国、燕拿大的学者 p e a r s o n ，丁s t e v e n s e n ，j k a - m a l ，s k e n n i n g 等人对塑辩溶俸在黩盘形_ 嵇矩 形型腔内的流动行为进行了详尽的研究，6 0 年代完成了一维流动与冷却分析程 序，7 0 年代完成了二维分析，8 0 年代开展三维流动与冷却分析，并把研究扩展到 保压、纤维分子取向以及翘曲预测等领域。进入9 0 年代后开展了流动、冷却、应 力分斩的注塑工艺垒过程的集成化研究“”“3 。这些卓有成效的研究成果为系 统地开展注塑模c a d 的研究奠定了坚实的基础。 1 9 7 4 年，美国c o r n e l l 大学注射成型研究计划( c i m p ) 开始启动”。 这是一项与生产紧密相连的系统工程研究。c i m p 的主持人和领导者是国际著名 学者、美国国家工程瑟学院院士、c o r n e l l 大学的k k 。w a n g 教授。他们完善 了三维造型系统t i p s ，建立了注塑过程的流动、保压、冷却的一维、二维、三 维数学模型，歼展了塑料熔体流变性能和热性能的实验研究，创立了流邋平衡 计算的数学模型，成功地实现了液塑模型腔的三轴、五轴n c 加工的计算机仿真。 8 0 年彳弋中期开始，i 静豹研究成栗在注塑摸c a d c a e 行韭孛取得世界范围的技 术领先地位。 1 9 7 5 年，德国a c h e n 大学i k v 塑料工程研究所谯g m e n g e s 教授领肄下， 6 第1 章绪论 浙江大学硕士学位论文 采用c a d 技术进行塑料成型工艺和计算机模拟方面的系统研究，开发了一系列 注塑模设计和工艺过程模拟的计算机软件。 8 0 年代开始，注塑模c a d c a m c a e 技术已进入实用阶段，出现了许多商 品化的软件。设计软件比较著名的有美国p t c 公司的p r o e n g i n e e r 、美国e d s 的u g 和以色列c i m a t r o n 公司的m o l d e x p e r t 等，熔体流动过程模拟软件中比较 有代表性的有澳大利亚m o l d f l o w 公司的注塑流动和冷却分析软件m o ld f l o w ， 德国i n v 的c a d m o u i l d 系统，美国a ct e c h 公司的c - f l o w c - p a c k 和c - c o o l 软 件，模具c a e 公司的m o l d c a e 、韩国的k m o l d 、美国s d r c 公司的i d e a s 软件、 美国c v 公司的注塑模c a d c a m c a e 系统，美国g e c a l m a 公司的注塑模 c a d c a m c a e 系统等。 国内注塑模c a d c a m c a e 系统的研制起较晚，1 9 8 7 年由华中理工大学自行 开发了第个注塑模c a d 系统。此后，华中理工大学进行了“彩电零件注塑模 c a d ”的研究。连理工大学开发出的注塑模c a d 微机实用软件包”1 ，该系统以 出工程图为主，并利用编程的方法按照有关标准建立了相应的零件图形库。北 航的c a x a i m d 是目前国内在注塑模设计相关软件中的佼佼者，它是一个完全自 主知识产权的软件，具有适应国内模具的实际情况、在微机上应用且价格较低 等特点。华中科技大学的模具国家重点实验室开发的华塑c a e 软件、郑州工业 大学的z - - m o l d 模流分析软件已经在企业开始推广应用。国内其他大学，如： 上海交通大学、合肥工业大学、浙江大学等单位也进行了一系列的研究工作， 取得了一些成果，但跟国外相比，差距很大。 c a d c a m c a e 技术经过约3 0 年的发展，已成为当今计算机应用的重要领域。 它广泛地应用于机械( 包括航空、造船、汽车) 、电子、建筑等各行业，该技术 在国外已进入普及阶段，因为随着高效可连网的计算机、先进数据库管理程序 以及综合的三c a d c a m c a e 技术的出现，使国外各大公司都拥有从事计算机集 成制造的工具。 目前的商品化注塑模c a d c a m c a e 集成系统，都是模具结构程序、工艺分析程 序和n c 编程的松散组合，各程序之间的数据传送仅依靠一些软件接口程序。这三 大部分并无统一的数据管理，因此，在使用上不方便，效率也低，有的数据甚至 第1 章绪论 浙江大学硕士学位论文 需要重复定义。另一方面，注塑模c a e 软件目前包括注射流动模拟、保压过程分 析、冷却过程分析、塑件应力及翘曲分析以及模具刚度与强度分析等“”“”。 而在实际的注射成型过程中，流动与冷却、保压与冷却都是交织在一起互相影响 的，所以为了获得更为精确的分析结果，必须将流动、保压、冷却分析有机地结 合起来，才能获得更为符合实际的分析结果。这是在这种情况下，开发一个集 c a d c a e c a m 于一体的注塑模具开发系统被提上日程。目前国外许多公司正在开 发集成化程序更高的注塑模c a d c a m c a e 系统。这些系统不仅将通用的 c a d c a m c a e 系统的功能作了进一步扩充以适应模具设计制造的需要，还增加了 标准模架、塑料材料数据库等专用软件，国内些大学和研究所也致力于这方面 的研究，比如浙江大学工程与计算机图形学研究所同杭州娃哈哈集团有限公司合 作的注塑模热流道辅助设计软件开发项目即以c a d c a e c a m 集成化为研究方向。 目前i 勺c a d 技术是以数值计算为基础的。它能胜任繁杂的计算、分析与绘图 任务，却难以解决符号推理这一类的难题。热流道辅助设计过程中诸如模其方案 的选择、成型工艺参数的确定、模具结构的优化等，都需要思维与推理，即需要 采用人工智能技术，创造性地进行模具计算机辅助设计。 c a d c a m c a e 技术应充分利用网络平台，开发具有远程协作功能的注塑模具 辅助设计软件。近年来计算机技术发展十分迅速，各种网络平台的出现使得远程 协作设计成为可能。如何实现在计算机上利用网络进行远程交互建模和可视化分 析，将成为热流道辅助设计软件研究的方向。这将极大的方便设计人员和客户的 联系，使得设计人员可以迅速了解客户的需求，有效的减少设计过程中的失误， 缩短设计周期，降低设计成本。 1 3 目前存在问题分析 目前尚没有成熟的热流道辅助设计商品化软件问世。但是国外几家热流道 企业已经开发出了可以根据客户的实际需求进行简单设计的热流道软件，抓紧 研究开发拥有自主知识产权的热流道辅助设计商品软件是当务之急，这对热流 道技术的推广和应用有着重要的意义。综合研究热流道辅助设计技术的发展和 现状，发现目前热流道辅助设计技术中还存在以下几个问题： 8 第1 章绪论浙江大学硕士学位论文 1 目前辅助设计软件还集中在对设计完成的热流道产品进行塑料流动模拟、温 度场分析等。辅助设计手段主要应用于设计的后期阶段，而对于如何开发设 计热流道产品，相应的软件还很少。 发达鬻象基经毒这方甏豹开发彝骚究。热淡大麓驻m o l d - - m a s t e r s 公司 的m e r l i n 程序，德国e w i k o n 公镯的s y s t e m g u i d e 獠序等。这毖软件可以根 撵麓户瓣窦鼯蓑求送嚣篱擎黪热浚遭结梅浚诗。另外，垫专潼懿注塑模设 计软件也能部分的设计热流道结构，如m o l d c a e 和k - - m o l d 中的热流道结构 设计模块等。但是真正的、完整躲针对热流道产燕的巍鑫讫软传髫静尚来闻 毽。溺茂砖融流道技本磷究蛰然瞧有一定糕发逸发鼹，僵大部分磷究工撵凭 氆缀骚或者依靠引进霞外热滚潦摸具来实现，对经骢豹寝赣往强，嚣豆设计 周期漫长，热流道模具黧复设计的可能性增大，不髓良好地指导热流道设计 和威用，导致设计总成本升高。本文所依托纳背景项目致力于开发一个专业 赞瓣热流遂产瑟豹羹穗设计专豢系统，窭热漉遂没诗甥关箱谖黎戏予一令系 统，便于热流道专业设计人员使掰，以缩矮热流道产品豹研发设计周期，降 低熬濂逶产黼黪并发戒零。 2 目前已有的热流道产品结构设计软件思想仍停留在结构设计阶段，很少考 虑热浚遂产菇熬爱瑟熬翊踅。这些较传鼓本大舔蒙力予在攘宠了竣计大髂 方案之后才w 以进行的几何设计和工艺设计，这就需要设计袭菊相当的设 谤经验、了解客户麓羹黻及蒂l 逡工艺和过程，够藏功缝送行秘麓莰诗( 簸 念设计) 。而经验不足的设计者谯概念设计阶段就必须得到各领域有经验设 计卷的协助，并且缀可艘毽势巢个错误璐踅复设计，造成缀大戆成零浪 费掰以爵髓很多学者谯概念设计智麓他研究激及檄念设计与其它设计工 具熬繁蒇等方嚣进雩亍理论粒方法约磅究。莰诗是入炎改造垂然熬基本涵动 之，设计怒复杂的艨维过程，设计过程蕴含着创新和发明的桃会。设计 本身就是创新，没有创新的设计严格来说不能稼之为设计。设计的目豹是 褥鬏定瓣嚣椽，经过一系罗 | 瓣潮与分辑决繁，产囊一定豹落塞( 文字、数 据、壤j 形) ，形成设计，并通过制造，使设计成为产品。翠在1 9 7 4 颦，坻f r e n c h 莸谯德的薯作c o n c e p t u a ld e s i g nf o re n g i n e e r s 中撵弱：概念设计虢建 确您设计任务和用简图形式表达的广义解。概念设计模仿人类进行产晶设 垒 第1 章绪论 浙江大学硕士学位论文 计活动的思维过程，把单纯的结构设计活动提升为根据需求，从广义解中 寻求合理解的过程，提高了产品设计中创新的机会。本文将对热流道计算 机辅助概念设计技术进行研究，并将其应用于热流道的辅助设计之中，把 概念设计的思想应用于热流道辅助设计软件的开发中。 3 浙江大学与杭州娃哈哈集团有限公司合作成立项目小组，对注塑模具热流 道辅助设计进行研究。该项目组于2 0 0 3 年1 月启动，至2 0 0 4 年1 月，建 立了热流道知识单元的表达模型，提出了基于知识的热流道结构设计方法， 完成了热流道设计原型系统，并对热流道系统温度场的分布状况模拟显示 “”。本文在此基础上，提出基于模糊的与或树知识表达模型，使得热流 道的知识模式表达更为合理，并进一步完善热流道设计知识，从概念草图 出发，依次完成热流道的概念设计一详细结构设计一温控系统设计一温度 场的模拟，设计出商品化的热流道辅助设计软件。 1 4 本文主要研究内容及框架 1 4 1 本文的主要研究内容 本文对热流道计算机辅助设计技术进行研究。首先，建立机械产品的概念 知识表达模型。本文拟对当前流行的建模方式进行分析、比较和综合，得出合 理的，适用于热流道产品的知识表达模型。然后，对机械产品的计算机辅助概 念设计过程进行研究，实现热流道的计算机辅助概念设计。最后，结合热流道 产品的特点，对热流道的功能进行分解，对热流道设计知识进行统一和归纳， 实现热流道的计算机辅助设计软件系统。 主要研究内容可分为以下四部分： 1 提出机械产品概念设计知识表达模型 对当前有代表性的产品概念设计知识表达模型进行研究，综合和比较，提 出种概念设计知识表达模型，为实现热流道计算机辅助概念设计打下基 础。 2 建立热流道的知识表达模型 对热流道功能进行有效分解，设计知识表达进行统一和归纳，以前面得出 i o 第1 章绪论浙江大学硕士学位论文 的机械产品概念设计知识表达模型为基础，建立热流道的知识表达模型。 3 实现热流道的计算机辅助概念设计 通过搜索热流道知识表达模型，对遍历获得的子空间( 有效知识表达模型) 进行修改、完善，分解有效知识表达模型获得概念设计方案集合并更新产 品知识表达模型( 知识库) ，实现热流道计算机辅助概念设计过程。 4 完成热流道辅助设计软件的开发 本文以浙江大学与杭州娃哈哈集团有限公司合作的“注塑模具热流道辅助 设计”项目为背景，通过研究热流道产品的计算机辅助概念设计技术，开 发完成了热流道辅助设计软件，将其应用到饮料瓶坯、瓶盖模具热流道开 发中，实现自主知识产权的软件开发。 1 4 2 本文框架结构 本文共分六章。第一章绪论阐述热流道辅助设计技术发展现状和课题背景， 引出本文研究工作。第二章提出基于扩展z 形映射和模糊图论的机械产品知识 表达模型，建立热流道产品的知识表达模型。第三章讨论热流道产品的概念设 计过程，详细介绍了热流道辅助设计的各个模块。第四章建立了面向装配的三 维参数化热流道标准件库。第五章给出具体产品的热流道模具设计实例，最后 进行总结与展望。论文框架如图1 - 1 所示。 饮料瓶盖注塑模热流道计算机辅助设计 l 己，7 r “一 1第四章 第二章饮料瓶盖j 第三章饮料瓶盖 第章绪论渤 热流道概念设计 = 划热流道概念设计 蚓黧茬爨黧嚣 l l 方案的生成 过程分析 ： 准件庠的建立 弋夕 第五章饮料瓶盖注塑模热流道辅助设计软件 弋多 第六章总结和展望 图1 - 1 论文结构框架图 第2 章饮料瓶盖热流道概念设计方案的生成 浙江大学硕士学位论文 第2 章饮料瓶盖热流道概念设计方案的生成 【本章摘要】本章提出了基于扩展z 形映射的模糊与或树产品概念知识表达模型一产品知 识表达模型。并基于此理论建立了热流道产品的知识表达模型。同时根据模糊与或树模型 的特点阐述了概念设计方案集生成过程， 2 1 概述 随着工业生产的发展，有关概念设计方法和应用的研究越来越受关注。这 是由于概念设计阶段对整个设计制造过程有举足轻重的影响。研究表明，只占 5 产品成本的设计早期阶段决定了产品全生命周期高达7 0 - - 8 0 的产品成本。 概念设计是设计的前期工作过程，其结果是产生概念设计方案。概念设计最早 是由m f r e n c h 于1 9 7 4 年提出来的。随后大量学者对概念设计进行了深入的研 究。p a h l & b e i t z 于1 9 8 4 年在其“e n g i n e e r i n gd e s i g n ”一书中提到：机械设 计分为明确任务、概念设计、技术设计和施工设计等四个阶段“”。其中概念设 计从根本上决定了产品的功能、质量、开发成本和开发时间，尤其对于需要创 新设计的产品，概念设计在开发过程中尤其重要。所谓概念设计是一个发散思 维和创新设计的过程，是一个求解实现功能的，满足各种技术和经济指标的可 能存在的各种方案并最终确定综合最优方案的过程。具体来说就是根据产品生 命周期各个阶段的要求，进行产品功能创造、功能分解以及功能和子功能的结 构设计，进行满足功能和结构要求的工作原理求解和进行实现功能结构的工作 原理载体方案的构思和系统化设计。 目前国内外的机械产品计算机辅助概念设计的研究面非常广泛，在概念设 计的智能化技术和相关理论、方法的许多方面都有探索和发展。例如，在设计 过程模型方面：8 r i d h a rk o t a 提出功能一结构方法，u m e d a 等“8 1 认为，概念 主要是指功能及其组合，因此概念设计就是功能设计。行为是作用原理的体现， 功能与行为不可分，因此功能设计在本质上也包含了原理方案设计，在此基础 上提出了基于f b s ( 功能一行为一状态) 的功能设计模型。功能一行为一结构模 型是将功能分解转化为行为描述的分解，再由行为描述映射到实现功能结构的 概念设计过程模型。而在这个模型的行为设计方面；o m e d a 和w l e c h 将行为分 第2 章饮料瓶盖热流道概念设计方案的生成浙江大学硕士学位论文 解划分为基于经验的分解和基于因果关系的分解；在结构设计方面：q i a n 等“” 基于类似的观点，提出s b f ( 结构一行为一功能) 模型，并且通过该模型的表达， 进行产品的拓扑结构设计，并由交互方式产生新的拓扑方案。冯培思等“” 提出运用原理解的设计目录对产品进行原理求解。在形状设计方面：研究重点 是在概念形状设计时期信息残缺的情况下，对概念形状的描述、表达和操作， 并按设计人员的设计习惯，如何实现几何图形的快速输入和计算机草图识别问 题。另外，在基于计算机的设计环境方面：t w e n t e 建立了一个机电一体化产品 的设计支撑环境，支持多模型状态：t o b m i y a r n a 利用大型数据库建立了一个概 念设计开发环境；s h a r p e 主张开发的环境着重于集成，同时利用了超媒体和超 文本技术”1 。 机械产品概念设计的发展方向是计算机辅助实现、智能化设计，但由于产品 概念设计阶段计算机实现的研究起步较晚，目前还没有成熟的、能够达到上述 目标的概念设计工具软件。 热流道计算机辅助技术起步比较晚，国内的热流道模具应用仅有十几年的历 史，因生产工艺及技术的限制，大部分热流道模具仍需从国外引进。相应的热 流道辅助设计技术也比较落后，大多数辅助设计仍停留在结构设计及优化分析 阶段。本文在公理化设计( a x i o m a t i cd e s i g n ，a d ) 的基础上，结合定义了热流 道设计元素之间的扩展z 形映射规则，以保证设计元素层次分解的合理性。基 于该映射规则的知识表达较好地反映了概念设计阶段的特点，有利于概念设计 方案的生成。 在产品概念设计中存在着大量的非结构化问题，包括对非数字化 ( n o n - - n u m m e r i c a l ) 信息或者非算法化( n o n - - a l g o r i t h m i c ) 信息的处理等非结 构化知识的组织和表达是实现计算机辅助概念设计最为关键的技术之一。目前 人们普遍认为，不同层次的功能、行为和载体之间的关系信息是概念设计非结 构化知识的基本组成部分“”。本文将功能、行为和载体统称为设计元素。 第2 章饮料瓶盖热流道概念设计方案的生成 浙江大学硕士学位论文 2 2 机械产品的知识表达模型 2 1 1 产品知识表达模型的定义 概念，是反映客观事物的一般的本质的特征。所谓知识表达模型是指产品 的概念设计知识表示模型。我们用每个结点来表示设计中的一个知识，用有向 边或无向边表示结点之间的推理关系，那么一个复杂的机械产品的的功能、行 为和载体将被分解，然后通过“与”或者“或”( a n d o r ) 的关系有机组合来， 形成计算机可以表达的获取、解决的过程，来表达该产品的设计知识。产品知 识表达模型的主要内容是：( 1 ) 概念及其之间的联系是空间的，多维的，任何一 个复杂概念可以由简单概念组配而成。 ( 2 ) 产品知识表达模型中每两点之间的 连接方式，我们称之为结点关系。 为更加清晰、有效的描述产品知识表达模型，本文采用模糊与或树的表达 方式，即用框架描述载体结点，用有向边和无向边描述不同层次结点之间的关 系，结点用一个二维数组表示，第一维表示该结点的i d ，第二维表示该结点的 模糊度。这样建立的产品知识表达模型可以方便的采用模糊设计理论中的最优 水平值法产生概念设计方案集。 图2 一l 产品知识表达模型 如图2 -