（材料加工工程专业论文）基于并行工程的注塑模cad技术与实现.pdf

r e s e a r c ho nt h e t e c h n o l o g i e s f o r i n j e c t i o nm o l d c a d s y s t e m b a s e do nc o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g a b s t r a c t c o n c u r r e n te n g i n e e r i n gi sar e s e a r c hd i r e c t i o nu n d e rt h ep r e s s u r eo fm a r k e tc o m p e t i t i o na n d f o r c eo f t e c h n o l o g yp r o g r e s s ，p r o v i d e sa l le f f e c t i v ep r o d u c td e v e l o p m e n tm o d ef o rd e s i g n i n gn e w p r o d u c ti nh i g hq u a l i t y , s h o r tp e r i o da n dl o wc o s t c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g , ap r o c e s sb a s e do n k n o w l e d g e ，n e e d s n o t o n l yk n o w l e d g e a n d e x p e r te x p e r i e n c e i nd i f f e r e n t d o m a i n s ，b u tt h e m e c h a n i s mt o i n t e g r a t i o n a n dh a r m o n i z a t i o no ft h e s ek n o w l e d g ea n de x p e r t e x p e r i e n c e s i n c e c o n c u r r e n te n g i n e e r i n gw a sb r o u g h tf o r w a r d , i th a sb e e nu s e di n p r a c t i c ef r o mt h ef o u n d a t i o n r e s e a r c h d e s i g no fi n j e c t i o np r o d u c ti sav e r yc o m p l e xp r o c e s s ，i n v o l v e di np a r td e s i g n ，m o l dd e s i g n ， s i m u l a t i o no fi n j e c t i o np r o c e s s ，a n ds oo n i no r d e rt oi m p r o v et h ec o m p e t i t i o na b i l i t y , s h o r t e nt h e d e v e l o p m e n tt i m e ，c o n c u r r e n te n g i n e e r i n gi san e c e s s a r yc h o i c eb e t w e e nr e l a t i v ee n t e r p r i s e i nt h i s p a p e r ，c o n c u r r e n te n g i n e e r i n gw a sa d o p t e di nt h ed e v e l o p m e n to fi n j e c t i o np r o d u c t t h er e s e a r c ho n t h i st h e s i sf o c u so n ：t h ei m p l e m e n ts c h e m e , p r o d u c t i o ni n f o r m a t i o nm o d e l ，c a d c a ei n t e g r a t i o n t e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fd e v e l o p m e n to fi n j e c t i o np r o d u c t ，t h e i n t e r a c t i o nm a t r i xf o r m j e c t i o np r o d u c ta n dp r o c e s sd e v e l o p m e n t t a s k sw a s d i s c u s s e d , b ya n a l y z i n g t h et a s kd e c o m p o s i t i o n a n dp r o c e s sr e e n g i n e e r i n g a n dt h es y s t e mi m p l e m e n ta r c h i t e c t u r ef o ri n j e c t i o nm o l dc a d s y s t e m b a s e do nc o n c u r r e n te n g i n e e r i n gi sb r o u g h tf o r w a r d p r o d u c t i o ni n f o r m a t i o nm o d e li st h ek e yt e c h n o l o g yf o rc o n c u r r e n te n 西n e e r i n g i nt h i sp a p e r t h em o d e lf a c e dg e o m e t r y , f e a t u r ea n d i n t e g r a t i o ni n f o r m a t i o ni sd i s c u s s e d , t h e ni n j e c t i o np r o d u c t i o n i n f o r m a t i o nm o d e li sb r o u g h tf o r w a r da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro f e s t a b l i s h i n gm o d e l c o n s i d e r i n g t h en e e d so fc o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，t h em o d e lf a c e df e a t u r ei sd i s c u s s e dd e e p l y , t h e nt h ep a p e r a n a l y s e s t h ef u t u r e m a p p i n gm e c h a n i s m ，a n da c h i e v et h ep r o c e s s t h a tt h ep r o d u c t i o nf e a t u r e t r a n s f o r mt ot h em o l d s i m u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o n i s n e c e s s a r yd u r i n g t h e p r o c e s s o f i n j e c t i o np r o d u c t i o n d e v e l o p m e n t t h ep a p e re x p a t i a t e st h ec a et h e o r yp o i n ta n d d i s c u s s e st h ei n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yo f c a d c a e t h ei n j e c t i o nm o l dc o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g b a s e do nc a es i m u l a t i o ni sr e a l i z e d t h r o u g h t h ei n t e g r a t i o ne x a m p l eb e t w e e nu g i ia n dm o l d f o l w a c c o r d i n gt os t u d i e ss t a t e da b o v e ，t h eb s e rd e f i n e df e a t u r ed a t a b a s ef o ri n j e c t i o np r o d u c t i o ni s e s t a b l i s h e du n d e rt h es o f t w a r ee n v i r o n m e n to fu g i i ，a n dt h ec e i m c a dp r o t o t y p es y s t e mi s d e v e l o p e d t h es y s t e mo fc e l m c a d r e f l e c t st h ei d e ao fc o n c u r r e n te n g i n e e r i n gw e l l ，w h i c hi s v e r i f i e db yt w o e x a m p l e s k e y w o r d s ：c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g f e a t u r ec a d c a e p r o d u c ti n f o r m a t i o nm o d e l i j e c t i o nm o l d 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 并行工程的发展概述 长期以来，人们从事的生产活动一直采用串行工程方式进行即在前一工作环节完成之后 才开始后一工作环节的作业，除了在设计后期和制造阶段发现问题时提出工程修改外，设计 和上下游工序之间不存在经常性的信息交换，各个环节的作业在时序上没有重叠和反馈，常会 造成信息流通不畅、设计与制造脱节、设计版本混乱和设计差错增加，从而严重地延误产品开 发周期，增加产品开发费用，且无法保证产品质量，导致人力、财力的不必要的损失。 由于全球广泛的市场竞争，制造业面临产品设计、制造与市场的敏捷性，产品的生命周 期越来越短。要求在最短的时间内开发出高质量、高性能的新产品。为了应付多变的国际市 场，单纯靠提高制造过程的生产效率是不行的，还必须从总体策略、组织结构、技术和管理 模式等方面适应市场的需求。并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n 0 、精良生产、敏捷制造等 新的生产模式也随之产生。并行工程是近年来出现的一种新型企业管理的哲理，是采用动态 优化方法处理问题的一种系统方法。并行工程技术改变了传统的串行设计思想和管理体制，它 以信息技术为基础，采用并行方法处理产品设计及其相关的工艺过程，包括制造和支持活动。 这种方法可使产品开发人员从一开始就能考虑到产品从概念设计到消亡的整个生命周期的各 个环节，大大缩短产品生产周期。它将传统的产品开发过程转换为集成的产品开发过程。从 而在满足用户需求的前提下，通过在产品开发的早期阶段考虑整个产品生命周期的所有因素 来提高开发括动的并行设计，以实现并行工程的目标。 1 2 并行工程定义 并行工程并不是一个全新的思想，其实设计中设计人员总是有意无意的考虑各种后续开 发过程的因素，只是由于设计规模和复杂性的不断的提高，参与产品开发过程的人员越来越 多的时候，怎样系统程式化地考虑各种后续因素和进行信息交流才被提上议程，并上升到理 论高度。 并行工程又称同步工程或生命周期工程，是针对传统的产品串行生产模式而提出的一个 概念，一种哲理和方法。在并行工程提出之初，并没有一个统一的认识，提法也是多种多样的。 但人们的实践都反映了一种趋势，即通过多功能小组并行进行产品及其相关过程的设计。 它被提出作为产品系统化开发的哲理是源于1 9 8 6 年美国总统防务咨询委员会向总统提出 的研究报告，该委员会认为 6 ：目前武器系统开发时间太长，生产成本过高，而且不能达到预期 的效果：实际上美国的汽车工业和电子工业也存在类似的弊病丧失了许多市场。报告研究了 并行工程在武器系统中的应用。这样并行工程概念才逐渐被大家所接受，成为目前比较一致的 提法，其定义如下 1 7 ： 并行工程是产品及相关过程，包括制造过程和支持过程，进行并行体化设计的一种系统 1 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 化方法，这种方法力图使产品开发者从一开始就考虑到产品全生命周期从概念形成到产品报 废的所有因素，即包括：质量、成本、进度计划和用户要求。 换句话说：并行工程是集中了各学科的人才运用现代化的手段组成产品开发群组协同工 作，使产品开发的各个阶段，既有一定时序又能并行，同时收集大量的有关信息、采纳上、 下游的各种因素和有用信息，共同决策产品开发各阶段工作的方案，使产品开发的早期就能 及时发现和纠正产品开发过程中的问题。从而缩短产品开发周期、提高产品的质量，降低成 本，增强企业的竞争能力。并行工程强调在集成环境下的并行工程，它是c i m s ( 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 ) 的进一步发展方向。并行工程的体系结构通常由过程 管理、工程设计、质量管理、生产制造、支持环境等五个分系统组成的，如图卜1 所示。 图卜1 并行工程的体系结构 1 3 并行工程运行模式 并行工程与传统的产品开发方式的本质区别在于它把产品开发的各个活动作为一个集成 的过程，从全局优化的角度出发，对该集成过程进行管理和控制，并且对已有的产品开发过 程不断地进行改进和提高，即进行产品开发过程的重构。因此，首先要对现有企业产品开发 流程进行分析找出产品开发流程应由哪些活动组成，各活动之间的联系和约束，输入输出的 2 上海变通大学硕士学位论文第一章绪论 内容是什么，并对其进行分析和归类，建立适于并行设计的产品开发流程。在此基础上，建 立实用的产品开发过程模型。另外，要进一步对产品开发活动进行细化，找出该段活动与活 动之间的逻辑关系，为每一个设计阶段提交的产品数据定义版本和权限控制，确定产品数据 的生命周期，如生成一评审一确认提交。更进一步的工作是分析活动之间可能存在的冲突， 制定仲裁策略。在确定了并行产品开发流程，建立了产品开发过程模型之后，利用工作流程 编辑器，针对不同的产品开发特点动态地进行相应的设计流程配置，定义并编辑产品开发流 程，进而发布工作流程，启动并行工作流程。要建立设计流程的管理机制，监督和控制设计 流程的进行，合理组织工作小组、设备资源、应用工具等，对产品数据的存储、提交、发布等 进行控制，做到参加小组的所有成员在适当的时刻和适当的地点取到所需的信息。进行设计 过程的数据版本管理，保证既不产生数据冗余，又能安全、统一、有效地管理数据。适时监 督设计流程的执行情况，及时协调解决各活动之间以及小组成员之间的冲突，如果需要，则 对设计流程进行重新定义并及时发布以避免设计过程的返工和重复，保证设计过程高效、 顺利地进行。 实施并行工程主要有以下几方面的工作： 1 建立并行工程环境。并行工程环境包括：统一的产品模型，保证产品信息的唯一性， 使设计人员用一种语言进行交流；分布式环境，通过网络保证它们之间的信息传递；开放式 界面等。 2 建立并行工程开发小组。 3 采用新的设计方法。如面向制造的设计( d e s i g nf o rm a n u f a c t u r i n g ，d f m ) 方法和 面向装配的设计( d e s i g nf o ra s s e m b l y d f a ) 方法等。 并行工程强调要用集成的思想来组织有关人员协同工作( t e a m w o r k ) ，这个工作小组包括 设计、经营管理、工艺、装配、检验、维修等部门的人员，他们在设计阶段进行多方面的交 叉和并行合作，便于尽早发现设计中的问题，并及时解决。为了达到这个目的，可在集成的 环境下应用仿真技术进行。并行工程的运行模式如图卜2 所示。 图卜2 并行工程的运行模式 3 上海交通大学硕士学位论文 一 第一章绪论 ! 1 4 并行工程的特点 1 基于集成制造的并行性 并行工程是针对串行工程而提出的一个新概念，是建立在集成框架之上的新发展。实现 信息集成、功能集成和过程集成的软件系统是实施并行二 程的基础。产品数据管理( p d m ) 是 支持并行设计的一种领域集成框架，它进行产品生命周期的全部信息( 时问上有先后的信息) 管理，实现产品数据的统一管理与共享，提供单的产品数据资源。它能支持异构的计算机 联网，在企业范围内为设计与制造建立一个并行化的产品协作环境；它能够方便实现对其应 用工具的封装，便于有效管理应用工具产生的信息，便于应用系统之间的信息传递与交换； 它可提供各系统运行过程的全方位管理与监控。 2 并行有序 并行工程作为一种哲理和方法旨在产品开发的早期阶段利用系列方法和技术综合评估全 生命周期的备个因素，作出正确决策。并行设计是并行t = 程的主体，它是利崩计算机仿真技 术等系列工程丁= 具，对产品开发的全生命周期进行并行而有序的设计，使传统的在生产制造 阶段才能发现的问题能够在设计早期予以修正。 3 群组协同 并行工程中突出了人才因素的第一性。这是因为现代产品越来越复杂，产品开发过程涉 及的学科门娄和专业人员是相当多，如何取得产品开发过程的整体最优是并行丁程的追求e 1 标其中的关键是如何更好地发挥掌握现代先进技术的人的群体协作，组成集成产品开发团 队和支持团队进行协同工作的环境( 指计算机系统、各种软件工具、多媒体手段与设计r 具 在一起的支持系统等) ，把产品开发过程组成一个有机系统，消除串行模式中各部门间的壁垒， 使各部门协调一致，提高团体效益。 4 面向工程的设计 面向j 二程的设计( d f x ) 是一种支持设计的工具总称其概念覆盖了产品设计、制造、使 用、报废同收的整个生命周期。使产品在设计阶段就能考虑到生产制造阶段的问题。面向r 程的设计方法提倡在设计中考虑后续阶段的问题，即通过各方信息综合，使其“第一次”就 能正确的过程，而不是反复地大循环地修改，直到正确的过程。目前面向1 ：程的设计有：面 向制造的设计( d f m ) 、面向装配的设计( d f a ) 、面向质量的设计( d f q ) 、面向可靠性的设计 ( d f r ) 、面向拆卸的设计( d f d ) 等 5 计算机仿真技术 并行】+ 程中，计算机仿真占有重要的地位。产品开发中的设计、制造等大多靠计算机仿 真来描述、检验和验证，其主要内容有：装配过程仿真( a p s ) ；加t 过程仿真( m p s ) ；生产计 划调度仿真( f p d s ) 等。 4 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 并行工程国内外现状 1 4 1 并行工程国外现状 并行工程作为现代制造技术的发展方向，引起美国、欧洲和日本等工业国家的高度重视， 为近几年来的敏捷制造打下基础。并行工程作为一种哲理现阶段已成功地用于机械、电子、 化工等工程领域，其应用范围己在进一步扩大。 工业发达国家十分重视并行工程技术的研究和应用。例如：美国的d i c e 计划投入巨资建 立高校和研究机构联合的并行工程研究基地，日本的i m s 计划、欧洲的e s p r i t l i i i i 计划 都进行了并行工程研究。国外一些著名的企业通过实施并行工程取得了显著的效益洛克希 德公司于19 9 2 年开始的新型号导弹，采用并行工程的方法，将开发周期从5 年缩短到2 年 法国的航空发动机公司白1 9 9 0 年以来，将航空发动机开发时间从5 4 个月，缩短到1 9 9 2 年 的4 2 个月和1 9 9 8 年的3 6 个月。 其中美国最大民航喷气飞机制造基地波音公司在9 0 年代，针对波音7 7 7 大型民用客机的 研制，采用了并行工程：进行了以国际流行的c t , t i a 三维实体造型系统为核心的同构c a d c a m 系统的信息集成，由八台i b m 大型主机e s 9 0 0 7 2 0 构成c a t i a 集成系统的相距5 1 英里11 个地方的2 0 0 0 个i i 圳5 0 8 0 和5 0 8 2 图形终端设备进行图形处理工作。其研制特点 1 1 ： 全部进行产品数字定义； 在计算机中建立了电子样机，取消了原型样机； 采用并行工程的群体协同工作，实现了人才集成； 应用三维实体造型系统c a t i a 使该机在设计时就能充分考虑工艺、制造、材料等 下游的各种因素，保证了飞机质量，同时缩短了近一半时间，争取了市场。 1 4 2 并行工程在我国的研究进展 自2 0 世纪9 0 年代以来，并行工程研究得到我国一些研究单位、工业部门和政府机构的 高度重视。如8 6 3 c i m s 主题重大关键技术攻关项目一并行工程正式立项，由清华大学牵头， 上海交大、华工、北航和航天二院组成了联合课题组，开展并行工程方法、关键技术和应用 实施的研究工作。 并行工程技术和方法的研究在不断地扩展和深入，我国的研究主要集中在咀下几个主要 方面 3 ： 面向并行工程的产品开发过程建模与仿真技术的研究。主要研究并行产品开发过程 中的产品信息、开发活动、组织和资源的内容及其建模方法，通过产品开发过程的 集成多视图建模方法，建立产品开发过程模型各个视图的内在联系：采用优化方法 和仿真手段对串行开发过程进行改进，得到优化的并行产品开发过程模型，通过 对工作流程的管理和监控，及时获取产品开发过程进度信息。 集成产品开发团队技术的研究。研究i p t 的建立与实施模式，以及在我国企业的现 5 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 有体制下团队的组织方式与管理方法。 数字化产品建模及产品信息集成技术的研究。研究产品生命周期中的数字化建模技 术，特别是基于s t e p 标准的产品特征建模技术以及基于s t e p 标准的c a x d f x 集 成技术与系统实现方法。 支持并行产品设计的c a x d f x 使能技术及其工具。其中x 可咀代表生命周期中的各 种因素，如设计、分析、工艺、制造、装配、拆卸、检测、维护和支持等。c a x 是指 各种计算机辅助工具展典型有c a d 、c a e 、c a m 、c a p p 等。d f x 是指面向某一应用领 域的计算机辅助设计工具，它们能够使设计人员在早期就考虑设计决策对后续的影 响，是实现并行设计的最有效方法之一。如面向装配的设计( d f a ) 工具用来制定装 配工艺规划，考虑装拆的可行性优化装配路径在结构设计过程中通过装配仿真 考虑装配干涉。面向制造的设计( d f 岫可以在产品详细设计阶段，即考虑零件的结构 工艺性、资源约束、可制造性及加工制造的成本、时间等。面向成本的设计( i ) f c ) 在设计阶段综合考虑产品生命周期中的材料、加工、装配和维护等各种因素，进行 产品成本的综合评价。 1 5 模具c a d 技术的发展 1 5 1c a d 技术的概述 计算机辅助设计( c a d ) 起始于2 0 世纪五十年代末，从七十年代开始，c a d 技术日趋成熟。 随着软、硬件飞速发展，c a d 技术应用领域越来越广泛，并纷纷作为商品进入市场。c a d 技术 的出现与应用，使传统的工业产品的工程设计，制造等发身根本性的变化。目前c a d 技术的 应用已经覆盖了产品设计和生产的全过程，并且有力地推动了全球性生产合作。 c a d 技术的首要任务是为产品设计和生产对象提供方便、高效的数字化表示( d i g i t a l r e d r e s e n t a t i o n ) 工具。数字化表示是指用数字形式为计算机所创建的设计对象生成内部描 述，如二维图、三维线框、曲面、实体和特征模型而数字化表现是指在计算机屏幕上生成真 实感图形、创建虚拟现实环境进行漫游、多通道人机交互、多媒体技术等。 c a d 技术在当前形势下具有无比广阔的应用范围，它在产品设计生产中所担负的不可缺少 的确使命。c a d 技术发展趋势如下 9 ： 1 尽量简化产品设计的建模和修改过程； 2 c a d 应用软件与产品数据管理、办公自动化、通信工具等的集成愈益紧密； 3 精心设计用户界面，减少菜单层次，引入智能导航，用最少的交互操作实现常用设 计功能。 近年来，一些支持基于符号知识模型及符号处理的推理型工作的计算机c a d 系统这是c a d 技术的新发展也是c a d 技术的发展方向，其主要特征是人工智能( a r t i f i c i a li n t e l li g e n c e 简称a i ) 技术引入到c a d 系统，产生了智能c a d ( i c a d ) 系统。 6 - 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 5 2 模具c a d 技术的发展 随着计算机技术的发展，c a d 技术在模具领域也得到广泛的应用。六十年代末人们开始研 究模具c a d 技术，在七十年代初，美国的d i e c o m p 公司成功的研制了计算机辅助级进冲模设计 p d d c 系统。注塑模系统出现相对较晚，国外较成功软件的有： 基于有限元辅助分析的商品化软件。如m o l d f l o w 、c - m o l d 等，这些系统能够模拟 注塑成型过程，优化工艺参数等。 基于知识的智能系统。如k w a i - s a n gc h i n 等开发的注塑模成本预估计系统 ，可 以根据用户的产品要求预估整个注塑模的成本。 其次，还有一些在商品化c a d 软件基础上进行二次开发的系统。 发达国家非常重视模具c a d 技术，美国和日本应用c a d c a m 的技术的塑料模企业达7 5 采用c a e 分析技术的企业约占6 0 9 6 。 近年来，我国模具cad 技术发展相当迅速，国家对注塑模c a d 技术应用和推广也相当 重视，如华中理工大学模具技术国家重点实验室开发的塑料注射模c a d c a d c a m 系统h s c 系 统合肥工业大学的i p c a d 3 0 ，东南大学的s e t i i c a d 和浙江大学的精密注塑模c a d c 肌系统。 “八五期间”国家重点科技攻关课题注射模c h d c a i a e 集成系统，由北京航空航天大学、 华中理工大学、四川联合大学等联合开发完成。完全拥有自主版权的软件如上海交大国家模 具c a d 工程研究中心开发的集成化注射模c a d c a d c 埘软件s t a o u l d 。总的来说，国内的注塑 模c a d 技术起步晚，基础差，成功的商品化软件极少。因此，不论从注塑模c a d 的应用范围 和深度还是从系统的开发能力与工业发达国家相比都有较大的差距。 1 6 论文选题的意义及主要研究内容 1 i6 1 模具工业的重要性与面临的问题 模具工业是传统的基础工业，在国民经济中占有重要的地位，其技术水平往往代表整体 工业水平的高低。美国工业界认为：模具工业是美国的工业基石。日本模具协会认为：模具 是促进社会繁荣的动力。国际模具协会专家认为：模具是金属加工的帝王。由此可见模具工 业的重要性，其中注塑模又是最常见、最重要、最有发展前景的模具之一。据统计在工业发 达国家，日常消费品中有相当大比例是注塑件。同样在我国，随着工业的发展，以塑代钢、 以塑代木的趋势十分明显，许多家电等轻工产品外壳及内部零件均为注塑件，我们的衣、食、 住、行都离不开塑料制品。由于塑料具有许多优异的性能，例如比重小、耐腐蚀、制造与安 装方便及外形美观已广泛的应用于国民经济各部门。 注塑模具一般结构复杂、精度高、并有较高的材质要求，因此模具设计、制造就相当困 难，同时由于模具成形的封闭性和成形理论的不完善使得模具设计制造带有很强的经验性 和盲目性。目前模具设计制造一般有以下几点不足： 模具造价昂贵，设计带4 造过程中稍有不慎，就可能导致严重的后果，损失惨重； 7 ， t 。 上海变通大学硕士学位论文 第一章绪论 模具设计制造过程中往往需要反复试模和修模才能满足要求，延长了生产周期，增 加了成本，降低了企业的市场响应能力； 尽管模具行业采用了一些c a d 、c 心、c a e 等先进技术，但在总体运转模式是串行的， 造成模具开发周期长、成本高。 1 6 2论文主要研究内容 由于模具的设计制造是一个十分复杂的过程它涉及产品设计、模具设计、电加工、机 械加工、表面工程、快速原型制造等方方面面现在的模具设计制造企业很难同时具有这些 方面的技术优势及软硬件条件，面临市场的竞争为了缩短产品生产周期，提高产品质量， 模具设计制造过程中实施并行工程是当前制造业的必然选择。 本文分析了并行工程技术原理，同时对注塑产品开发过程进行了全生命周期的系统分析， 提出了基于并行工程的注塑模c a d 总体框架，分别研究了并行工程中的产品模型及并行工程 的集成环境，以特征技术为着眼点和突破点。集成c a e 技术，实现基于并行工程思想的注塑 模c a d 。 本文具体内容如下： 第一章首先详细论述了并行工程的起源、发展和历史背景以及并行工程的运行特点和模 式：然后对国内外并行工程的研究情况和模具c a p 技术进行了综述：最后分析模具工业的重 要性与面临的问题，阐明了并行工程应用于注塑模的必然性。 第二章对实旌并行工程的关键环节任务分解、过程重组作了阐述。然后针对注塑产品开 发的特点分析了任务分解、过程重组等实施并行工程的重要环节，研究了注塑成形产品开 发各任务间的关系矩阵，得出注塑成形产品开发并行过程模型，进一步得到基于并行工程的 注塑模c a d 系统体系结构。 第三章主要研究了产品建模技术。首先叙述了产品模型的发展，然后论述了面向几何的 产品信息模型、面向特征的产品信息模型、集成化信息产品信息模型。然后针对注塑产品建 模特点，给出了注塑产品信息模型。 第四章着重研究了基于特征的注塑产品集成信息模型的实现方法。在研究了特征的定义、 分类、表达及特征关系后，根据实施系统的需要，建立注塑产品常见自定义特征库，建立基 于特征的注塑产品信息模型，在此基础上还研究了特征映射机制，实现了产品特征向模具特 征的映射转换过程。 第五章以系统集成的方法，研究了基于c a e 分析的注塑模并行设计技术。本章在介绍注 塑产品注塑过程数值模拟的基础上，探讨c a d 模型向c a e 模型转换技术。并在u g i i 与 m o l d f l o w 之间进行实例集成，实现基于c a e 分析的注塑模并行工程。 第六章根据实施方案，基于u g i 与m o l d f l o w 软件环境下开发了一个集成的注塑模c a d 系统，并通过二个具体实例，详细研究了实现基于并行工程注塑模c a d 实现过程。 第七章为结论。总结全文的研究工作和成果提出了进一步研究的展望。 8 上海交通大学硕士学位论文 第二章基于并行工程的注塑模c a d 系统总体框槊 第二章基于并行工程的注塑模c a d 系统总体框架 2 1 传统的注塑产品开发过程 传统的注塑成型产品开发绝大多数采用的 是串行的开发模式，其信息流是单向的，后道工 作只有在前道工作完全结束后才开始，其特点是 部门间信息流通不畅。特别是在产品的开发过程 中，由于下游过程不能及时得到上游过程的设 计意图，而上游过程又难于获得下游过程的约 束反馈信息，致使上下游过程问难于很好的协 调，造成频繁返工。在传统的串行开发模式下的 注塑件及其模具设计与制造的流程图如图2 - 1 所示。 2 2 注塑模设计的特点 注塑模设计过程是一个复杂的过程，涉及到 不同专家领域的知识。它不仅包括型芯、型腔、 浇注系统冷却系统及顶出机构和抽芯机构的 设计，还包括模架导柱、导套的选择及注塑参数 的确定。- - n 好的模具不仅要快速的成型出合格 的制品，而且要结构合理，制造方便，成本低廉。 图2 - 1 传统模式下注塑产品开发流程图 因此这就要求在注塑模具设计的同时，要综合考虑产品设计，工艺计划，模具制造及装配和 成形生产等过程的因素。注塑模设计最大的困难是不能很好的注意到这些不同领域知识，在 设计时常常发生考虑不周，致使模具设计的多次重复修改，造成模具制造周期长、成本高，甚 至造成模具报废。 2 3 产品开发过程重组 注塑产品并行工程涉及多个过程，需要各种专业人员共同的参与。相互合作。并行工程 强调设计者采用群体工作方式，参与到产品的设计过程中，由于采用群体工作方式，在并行 工程的实施过程中必然会遇到以下问题： 1 产品开发阶段的任务交叠十分频繁，需对产品开发过程众多信息( 设计信息、过程 信息) 和资源( 人才、设各、技术等) 进行有效组织并使其发挥其最大效益； 2 并行设计小组必然结果是开发人员在开发过程中要处理大量的相互依赖、制约的关 系各小组的这种关系需妥善解决； 9 上海交通大学硕士学位论文 第二章基于并行工程的注塑模c a d 系统总体框架 如何解决好以上问题是并行工程必须考虑的问题，为了使整个并行过程能在最短时间内、 以高质量和低成本得以完成，在并行工程初始阶段必须对并行工程进行有效的过程规划对 产品开发中的各种活动过程进行重组。 2 3 1 任务分解 任务分解( t a s kd e c o m p o s i t i o n ) 是并行设计的基本问题。产品开发过程是由不同的子 过程按一定的顺序组成的，任务分解就是按照一定的要求将一个任务分解成多个子任务，并 确定各子任务间的关系。任务分解也是过程重组的关键，要将产品设计过程从传统的串行流 程转变成集成的、并行的产品设计过程，首先要对任务过程进行认真的分析，不对现有的活 动过程进行合理的细化、分解是不可能实现并行目标的( 如图2 - 2 描述的从a 到b 再到c 的 过程) 。由于b 的输入取决于a 的输出，而c 的运行又需要b 的结果，这样的串行过程本身 是不可能并行的( 8 。但如对任务a 、b 、c 分别分解为( a l 、a 2 、a 3 ) 、( b 1 、b 2 、b 3 ) 、 ( c 1 、c 2 、c 3 ) ，再分析子任务之间以及母任务之间的相互关系( 顺序关系、并发关系、 并行关系) ，从而可以实现并行设计。 图2 - 2 典型的串行过程 出 在并行设计过程中，子任务的分解一般要遵循如下原则： 子任务的目标要非常明确，相对独立。某一个子任务并不一定要知道它的前一个或 后个子任务是什么以及如何实现而仅仅只需要知道该子任务要完成什么工作、 如何完成这工作以及完成该工作所需的信息。子任务的解被谁使用由控制模块决 定，与本子任务无关紧要。 子任务要便于求解以便于采用最适合的方式来构造该子任务的求解算法、有关函 数以及相应的规则或数据。 子任务的个数和层次要适中。子任务太少，会使一些子任务太复杂而难于求解，子 任务太多，叉使得协调和综合各个子任务的总体控制算法变得复杂。 子任务的分解要遵循共性与个性相互独立的原则。将共性问题和个性问题分别划分 在不同的子任务里以便于分治处理。 在并行设计任务分解的研究过程中，具有代表性的是任务变量矩阵法。 2 3 2 过程重组 并行设计过程关键之一在于任务分解及相关子任务关系处理，即过程重组。这种分解和 处理应以并行工程的目标和原则作为指导，使各任务尽可能并行执行，并尽可能一次成功。并 行设计的任务分解和处理是一个逐步精化的过程。般的设计实践中，设计者根据其知识和经 1 0 上海交通大学硕士学位论文第二章基于并行工程的注塑模c a d 系统总体框架 验人为地进行设计任务分解和处理。这种定性的划分和处理难以进行精确和量化，从而也不能 利用计算机进行优化。我们可以通过矩阵分析得出其是否合理和怎样优化。然后对设计活动和 制造活动进行重新组合，将任务分解以加速其并行化。 注塑成形产品开发任务一般包括产品设计、工艺设计、模具设计及工艺计划。而产品设 计可以分解成产品概设计、可注塑成形分析、分型线选择和产品详细设计等子任务。模具设 计任务包括分型线选择、模具方案( 概念) 设计、型芯与型腔布局、浇注系统设计、冷却与 通风系统设计和顶出机构设计子任务等。工艺设计包括注塑成形工艺分析、模具尺寸变换分 析和制造成本分析。通过分析各任务之间的输入、输出、约束关系以及注塑成形相关知识等 可以得出各任务间的相互关系。 表2 1 表示注塑成形产品开发各任务间的关系矩阵。每一矩阵元素位置上左上角的符号 表示该行的任务受对应列任务的影响程度，称为影响符号：而右下角的符号表示该行的任务 影响对应列的任务，称为被影响符号。影响程度可分为强烈、中等、弱小和无影响等几等， 分别用五角星、圆点、三角形和无符号表示。 这样根据关系矩阵，可将各任务分为顺序、并行和并发关系。并行关系的任务相互间没 有影响因而可以同时执行：并发关系的任务相互间有很强的影响，因而要协同进行。例如 分型线的选择，既影响产品设计中的可注塑成形分析，又影响模具方案设计，因此，最好由 产品设计师和模具设计师协商进行；顺序关系的任务表示必须先执行某项任务后才能执行另 一任务。这样就可以根据任务关系矩阵对传统的过程进行重组，图2 - 3 表示重组后得到的注塑 产品及工艺设计并行过程模型。 上海交通大学硕士学位论文 第二章基于并行工程的注塑模c a d 系统总体框架 喀 蜒 七士 嚣嚣 五 l 一 h 走隶 划 盎蜊七魁魁 嫩求隶嫱七晏舞谨 魁拍 鼎 魁 瑚 魁 螺螺蝈趔豁求瓤螺螺划 精h 尉 聂椒届 垛僻嘉捌诋 幡卜 幡惜杯 犀龄 求 敷 咄j 世 州君艇碘 拍 翅丝划嚣 - 槎 靶煺史 疆h爵嚣 佥 产品设计模具设计工艺设计工艺计划 初步设计 成形工艺 分析 分型线选 择 详细设计 模具方案 设计 详细设计 浇注系统 设计 冷却系统 设计 材料选择 成形过程 分析 工艺参数 分析 成本分析 型腔工艺 计划 冷却系统 加工 浇注系统 加工 工艺排序 表2 - 1 注塑成形产品开发各任务间的关系矩阵 1 2 上海交通大学硕士学位论文 第二章基于并行工程的注塑模c a d 系统总体框架 图2 - 3 注塑成形产品开发并行过程模型 2 4 基于并行工程的注塑模c a d 系统体系结构及实施框架 2 4 1 基于并行工程的注塑模c a d 系统体系结构 为了实现注塑模c a d 并行工程，采用图2 4 所示的系统体系结构，它分应用层、通讯层 和数据层三层。 数据层：存储模具开发过程中所涉及的各种数据、知识和事例等它们通过集成产品信息 模型支持产品的多视图表达，满足产品全生命周期的信息共享与应用需求。 通信层：支持多功能小组在协同过程中通过网络交流信息，实现物理上的分布，逻辑上 的统一。 应用层：利用p d m 的封装功能，实现c a x 、d f x 、r e 、r p m 等各应用工具的集成，建 立并行工程开发环境，并通过并行工程工作界面支持多功能小组协同工作。 1 3 上海交通太学硕士学位论文 第二章基于并行工程的注塑模c a d 系统总体框架 工作界面 注塑产品设计注塑模设计 工艺设计注塑模具制造 私有数据库 1私有数据库l私有数据库 f私有数据库 i ij 集 露 工 一i 爱1 c a m 1 蓊 具 i “l 解 i i i 产品数据管理p d m f i 网络、多媒体通讯协议 ，! _ 一l f t + 、fl 、 基于特征的集成产品信 f二 。h 南库一 息模型 l数据库 知识库 1 i 、一一 图2 4 注塑模c a d 系统体系结构 2 4 2 基于并行工程的注塑模c a d 系统实施框架 应用层 通讯层 数据层 基于并行工程的注塑模c a d 系统实施框架如图2 5 所示，主要有产品设计、模具设计、 模具成本分析模块及c a e 分析反馈系统组成。备功能模块如下： 1 产品设计 根据产品需求，进行初步设计、可成形性工艺分析，建立基于特征的产品信息模型。由 于特征含有丰富的工程语义，便于产品模型修改及后续工作。 2 模具设计 根据产品模型，由特征映射技术，将产品特征映射成模具特征。整个映射过程并不是全 自动的，需要一些交互干涉，如人工定义分型面后，系统t l 动分模，凸特征转换成凹特征， 再加上塑料的收缩率、拔模斜度、工艺圆角等，系统自动计算出型腔、型芯。完成非成型部 分的设计：浇注系统、冷却系统及模架的选择等工作 1 4 上海交通大学硕士学位论文 第二章基于并行工程的注塑模c a d 系统总体框架 3 c a e 分析模块 注塑模设计是一个反复修改的过程，集成数值模拟技术是并行工程不可缺少的过程。根 据c a e 分析反馈信息可及时修改设计，达到并行工程的目标。如根据模拟注塑模充填过程修 改注塑模浇注系统等。 4 模具成本分析模块 模具成本分析模块将对整个设计进行评估，确认设计的合理性。评估是否需要模多腔、 侧抽芯必要性等等。成本分析模块是以特征为计价单元，主要针对模具的设计方案及产品设 计设计。 别：肝1 丁怯 技征手具 术映册设 。品需求- i 产品建模l - 一特征转换1 j ；i 模具设计 i f if -_ 1 0 。 - p r a t t & w i l s i o n 2 4