（机械制造及其自动化专业论文）智能注射模架设计cad系统的研究与开发.pdf

摘要 智能注射模架设计c a d 系统 的研究与开发 研究生：徐春林导师：许超 东南大学 摘要 注射模架结构方案和参数确定的台理性取决于设计人员的经验和知识，因此人为因素对模具及模 架设计质量的稳定性影响较大，如何将分散于每个设计人员的设计经验进行组织归纳，并上升为知识， 提供给整个企业的设计人员，实现设计知识资源共享，对于提高整个企业的设计能力，缩短设计周期， 应变市场具有重要的经济价值。此外大多数的c a d 系统缺乏对国内标准模架的支持，使得通用c a d 平台上专业化应用存在不便。课题结合注射模具制造企业的实际需求，研究并开发了构架在通用c a d 软件平台上f ! | 勺注射模架设计系统，对提高注射模具的设计效率和最大化利用软件资源具有重大应用价 值。 在对注射模具设计制造流程和模架的结构特征深入研究的基础上，设计了基于人工智能技术的模 架设计知识推理系统的总体结构方案；并基于通用c a d 平台，初步实现了智能推理技术与c a d 系统 的集成应用，为通用c a d 平台上达到专业化设计系统应用水平提供了有价值的应用参考。 根据规则基推理技术理论研究了基于已知设计塑件基本信息的条件下进行设计校核的实现方法 建立了事例模架的知识表示模型，实现基于c b r 推理的事例检索与相似性选择算法以及事例模架知识 的数据库应用 并采用面向对象技术，利用类概念实现规则知识在c a d 系统中的数据描述和集成应 用。 研究了注射模架统一编码的方法；使得利用本系统的编码既能表示国家标准模架，又能表示企业 标准模架和非标准模架；针对模架及其零部件的类型给出了实现参数化特征造型的不同方法，同时利 用c a d 的人机交互方式实现了模架及其零部件参数化特征造型库的可扩充性应用。 智能c a d 技术是c a d 的发展方向，目前尚处于探索阶段，所涉及的知识较多，课题的研究是对 模具c a d 专业化应用的一种尝试，目的是提高使用者在模具设计中的效率，从而使得没有经验的设 计者与有经验的设计者可以同样完成复杂注射模具的设计。系统初步应用，反映效果较好。该研究为 开发专业面向注射模具设计的智能c a d 系统提供了重要理论基础和应用实践。 关键词：注射模架人工智能专家系统推理机参数化c a d 东南大学硕士学位论文 a n i n t e l l i g e n ti n j e c t i o nm o u l d b a s e d e s i g ns y s t e m b a s e do n c o m m e r c i a lc a d p o s t g r a d u a t e ：x uc h u n i i ns u p e r v i s o r ：x uc h a o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so f i n j e c t i o nm o u l dd e s i g n i n g , t h es t r u c t u r ea n dp a r a m e t e ro f am o u l dd e p e n d sl a r g e l yo nt h e e x p e r i e n c ea n dk n o w l e d g eo f a l l e n g i n e e r s oi t i ss i g n i f i c a n tt oc o l l e c tt h ek n o w l e d g ea n de x p e r i e n c ei n t o c a dt os h o r t e nt h ed e s i g n i n gc y c l ea n ds h a r et h ei n f o r m a t i o nb e t w e e nd e s i g n e r s i na d d i t i o n ，c u r r e n tc a d s y s t e m c a r l n o t s u p p o r tt h ed o m e s t i cm o u l db a s e s t a n d a r dt h a tr e s u l t si n m a n y1 i m i t s i 1 1 p r o f e s s i o n a l a p p l i c a t i o n t h er e s e a r c hi st od e v e l o pa l li n j e c t i o nm o u l db a s ed e s i g ns y s t e mo nt h ep l a t f o r mo f c o m m e r c i a l c a d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fd o m e s t i cm o u l di n d u s t r yt oe n h a n c et h ee f f i c i e n c yo fm o u l dd e s i g n a n dm a k eu s eo f e x i s t e ds o f t w a r er e s o u r c e b a s e do nt h ea n a l y s i so ff l o ww o r ko fi n j e c t i o nm o u l d m a n u f a c t u r i n g a n ds t r u c t u r a l 诧a t u r eo fm o u l db a s e a g e n e r a lm o u l db a s ed e s i g ns y s t e mm o d e lf o rk n o w l e d g er e a s o n i n gi s p r e s e n t e d ，r u n n i n go nap l a t f o r mo f c o m m e r c i a lc a d ，i n t e l l i g e n tr e a s o n i n gt e c h n i q u eh a sb e e ni n t e g r a t e dw i t hc a d ，w h i c h p r o v i d e sav a l u a b l e a p p l i c a t i o nr e f e r e n c ef o rc o m m e r c i a lc a d t og e tp r o f e s s i o n a ld e s i g n i nt e r m so ft h er u l e 。b a s e dr e a s o n i n gt h e o r y , t h em e t h o d sf o rr e a l i z i n gd e s i g nc h e c k i n gu n d e r g i v e np l a s t i c p r o d u c th a v eb e e nd i s c u s s e d t h er e p r e s e n t a t i o nm o d e lo ft h em o u l d k n o w l e d g ew i t hc a s e b a s e dr e a s o n i n g m e t h o dw a sb u i l t t h ea l g o r i t h mo fc a s ei n d e xa n d c o m p a r a b i l i t ys e l e c t i o nw a su s e di nt h es y s t e m b yo b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g ya n dc a s e c o n c e p t ，r u l ek n o w l e d g e c a nb ed e f i n e dw e l li nt h i sp r o f e s s i o n a l a p p l i c a t i o n o n eo fu n i f o r mi n j e c t i o nm o u l db a s ec o d i n gm e t h o d sw a si n t r o d u c e di n t ot h e s y s t e m ，w h i c hc a nd e f i n eb o t h o fn a t i o n a lm o u l db a s es t a n d a r da n de n t e r p r i s eo w nm o u l db a s e t h ep a r a m e t r i c m o d e l i n gm e t h o d sf o r v a r i e t yo f m o u l dp a r t sd r a w i n g ，a n dt h ei n t e r a c t i v ew a yf o rm a i n t a i n i n g p a r tl i b r a r yh a v ea l s ob e e ns t u d i e di n t h i st h e s i s i n t e l l i g e n tc a dm a y b et h ed e v e l o p i n gt r e n do f c a d i ti n v o l v e si nm a n y t h e o r i e sa n d s u b j e c t s t h er e s e a r c h i st om a k eat r yo f p r o f e s s i o n a la p p l i c a t i o no f m o u l d c a d ；t h ep u r p o s ei st oe n h a n c et h e e f f i c i e n c yo f m o u l d d 。3 i g n ，a n dt og e te q u i v a l e n ts k i l lf o ray o u n g l i n gd e s i g n e r b yp r a c t i c e t h er e s u l t ss h o wi t m a y b eag o o d w a y t oa t t a i np r o f e s s i o nd e s i g no na c o m m e r c i a lc a d k e y w o r d s ：i n j e c t i o n m o u l db a s e 。a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，e x p e r ts y s t e m ，r e a s o n i n g m a c h i n e a n dp a r a m e t r i cc a d - i l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 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 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学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 示了谢意。 研究生签名：坌i 左盗日期：! 竺竺：j c 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的 内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究 生院办理。 研究生签名：丝缸导师签名： 日期：生：竺! 二2 6 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 当前，我国的模具工业迅速发展，注塑生产因其生产效率高、产品质量好、材料消耗少、生产 成本低而获得广泛应用。从工业产品生产行业看，模具是现代工业，特别是汽车、拖拉机、无线电、 航空、电机电器、仪器、仪表、兵器、日用品等工业必不可少的工艺装备。据统计，利用模具制造 的零件数量在飞机、汽车、拖拉机、电器仪表等机电产品中占8 0 以上，在电视机、计算机等电子 产品占8 5 以上，在自行车、手表、空调等轻工产品占9 5 以上，因此，一个国家模具设计、制 造技术的高低是衡量这个国家产品制造水平的重要标志，而我国的塑料模具工业特别是注射模具二 业的发展更是迅速现今，注射模具的设计生产约占整个塑料模具设计生产的三分之一。随着塑料 工业生产的发展，特别是9 0 年代以来，塑料工业产品的品种和数量不断增加，换型加快，对产品质 量、样式和外观也不断提出新要求，使注射模具需求量增加，对注射模具质量要求也越来越高，同 时力求尽可能缩短注射模具的设计和生产周期，所以注射模具技术直接影响着制造业的发展、产品 更新换代和i 产品竞争能力。因此。众多的注射模具设计生产企业也在积极采用新技术、新方法，力 争在产品功能、交货日期、模具质量、价格、售后服务、可持续发展等方面进行改进，其中采用模 具计算机辅助设计和计算机辅助制造技术( 即模具c a d c a m 技术) 成为解决注射模具设计与制造 中的薄弱环节的有效途径，它大大缩短注射模具产品生产周期，减少设计中的主观错误，并且能够 以计算机图形可视化的方式提供加工模拟。随着计算机硬件和软件技术的迅速发展，模具c a d c a m 技术迅速发展曰趋完善。最初的模具c a d 技术和模具c a m 技术，尽管使用了计算机代替了大量繁 重的手工劳动，但并没有使整个注射模具设计过程发生什么本质变化，而现在的模具c a d c a m 技术 并非是模具c a d 和模具c a m 的统称，而是两者的有机联系，即计算机辅助设计与计算机辅助制造 的一体化，由模具设计人员利用模具c a d 系统建立的产品几何模型是关于模具产品的最基本核心数 据，井作为整个设计、计算、分析中的最原始的依据。通过模具c a d c a m 系统的计算、分析和设计 而得到的大量信息，可运用数据库和网络技术将其存储和直接传送到生产制造环节的其它方面，如 计算机辅助工程( c a e ) 、计算机辅助工艺过程设计( c a p p ) 、计算机辅助检测( c a t ) 、数控技术 ( n c 、c n c 、d n c ) 、产品数据管理( p d m ) 等“。 在注射模具结构的设计流程中，注射模架是设计、制造注射模的基础部件，由模板导柱导套和 复位杆等零件组成的一个组合体，其作用是固紧型腔、基本功能部件和特殊功能部件，设计注射模 具必须首先确定模架。在传统的设计中，注射模具设计人员需要进行大量查找工程数据和数值计算， 并绘制和设计模架零件图形及装配图，而这些重复劳动要占据注射模具设计工作的4 0 ，因此注射 模架的设计质量和设计周期直接关系到整个注射模具的设计周期和设计质量。目前，各个注射模具 制造企业在设计注射模架时既有根据国家中小型注射模模架标准( g b r 1 2 5 5 6 1 9 0 ) 和大型注射 模模架标准( g b f r l 2 5 5 5 1 - 9 0 ) 进行注射模架设计，又有根据自己企业的模架标准进行注射模架设 计，并且随着我国制造业走向世界市场，还有许多模具企业在设计注射模架时，涉及到使用许多国外 塑料注射模架标准如d m e ( 美) 、哈斯克( 德) 、双叶电子等公司的注射模架标准，因此如何综合运 用模具c a d 技术实现对模架模型建立和运用数据库技术管理模架数据，从而帮助技术人员快速、 高效的完成模架设计对于注射模具制造具有重要的意义。 1 2 注射模具c a d 系统及注射模架c a d 技术的发展及现状 注射模具c a d 技术的发展是随着通用的c a d c a m 技术发展起来的，现代工业中的c a d f c a m 技术发展于5 0 年代、6 0 年代中期，到7 0 年代中期是c a d c a m 技术逐渐成熟的阶段。8 0 年代初 计算机硬件和各种商品化支撑软件的开发使得c a d c a m 进入了集成化阶段。此阶段的特点是几何 造型技术日益成熟，c a d c a m 具有统一的数据结构和工程数据库。9 0 年代以来，c a d c a m 技术 东南大学硕士学位论文 从传统的面向一个零件的集成系统向产品的并行制造环境的c a d c a m 技术系统发展。9 0 年代微型 计算机发展迅速，软件开发工具从功能型编程软件发展到面向对象的c + + 、j a v a 等编程软件，促进 了微机级c a d c a m 技术的发展。与此同时面向对象技术。虚拟制造和并行工程思想，分布式环境 技术等的研究，都在不同程度上推动了c a d c a m 技术的发展。因此当前制造业中出现了许多比较 优秀的三维实体造型c a d 系统，如s o l i d w o r k s 公司的s o l i d w o r k s ，e d s 公司的u n i g r a p h i e s ，p t c 公司的p r o e n g i n e e r ，s d r c 公司的i - d e a s ，达索公司的c a t i a 等。 从6 0 年代开始。国外一些飞机和汽车制造公司将c a d c a m 技术应用于模具的设计与制造， 并且随着美国、加拿大等国的学者如k k w a n g 、m i l k a m a l 等开展了一系列有关注塑熔体在模具 型腔内流动与冷却的研究工作”1 。，也促使了注射模具c a d c a e c a m 技术的迅速发展，现在已 出现许多比较优秀的商品化注射模具设计c a d c a e c a m 系统，如美国的c m o l d 系统、澳大利 亚的m o l d f l o w 系统、德国的c a d m o u l d 系统”1 。但这些软件设计注射模时主要依据国外的标准 和设计条件，如c m o l d 系统中的c d e s i g n “1 、c o m p u t e r v i s i o n 公司的m o l d e s i g n 均是以d m e 公 司的模架标准，而我国在开发注射模c a d 技术上起步较晚，目前国内对注射模c a d 系统包括对注 射模架c a d 技术作了许多的研究工作，例如：华中理工大学等联合开发的h m o l d 软件“1 ，大连 理工大学模具研究所开发的以a u t o c a d 为平台d g m c a d 软件和浙江大学开发的以c a d d s5 为平台 的注射模c a d c a m 系统、c a x a 的注射模工程师等等，这些系统中都包含了注射模标准模架设计 模块，虽各有特色和长处，但大多是以二维设计为主，只是解决了模架二维图形的生成和国家标准模 架数据的存储问题，由于二维设计表达的产品信息不完整使得c a d 和c a m 集成受到阻碍，而大 多数塑件都是较复杂的三维形状，例如加工模具型腔的电火花工具电极是塑件形状的反向，如果利 用三维设计，考虑放电间隙以及塑件的收缩率等因素后就能直接从塑件三维造型反向变换出工具电 极，从而加快工具电极的设计工作；而在模具的扳类零件设计中，板上有大量的孔( 如螺钉、型腔 等) 、流道和冷却水道等，它们都是些三维结构，在二维设计中很容易造成干涉，并只能依靠设计 者的经验进行检查，如果采用三维设计就可以利用软件提供的干涉检查功能方便地进行干涉检查： 同样，塑件很多成型问题在二维设计时并不能发现，只有在试模后才暴露出来，经常是通过修模再 试模这样反复多次才达到设计要求，有些甚至报废，如果采用三维设计就可以利用三维造型软件提 供的虚拟装配功能，在计算机上对模具进行装配，甚至还可以利用注射模c a e 软件进行流动分析测 试，提高试模一次成功率，从而提高设计质量，缩短设计周期。因此本课题目的之一就是在当前基 于参数化和特征造型的三维c a d 系统上实现注射模架的三维c a d 系统，使得模具设计人员可以在 可视化的环境中输入模架的已知设计信息或直接通过界面来确定模架参数，利用该系统直接生成模 架零件造型和装配体造型，以及工程图，从而减少模具设计人员在设计模具时须重复查找大量模架 标准数据和绘制模架工程图纸等繁琐的工作，既保证了模架设计质量，又缩短了整个模具的设计周 期，并通过系统的数据库维护和图形扩展模块来实现对非标准模架数据及造型的管理，能够使注射 模具设计人员利用以前的设计成果，从而提高了注射模具设计能力。 当前，被誉为现阶段三大科学技术成就之，人工智能( a r t i f i c a li n t e l l i g e n c e 简称a i ) 技 术得到很大的发展。从1 9 5 6 年开始，出现“人工智能”这一术语，1 9 6 5 年斯坦福大学研究化学结 构式的d e n d r a l 系统揭开了专家系统发展的序幕，促使人工智能的研究从推理中心型向知识中心型 转变。1 9 7 7 年，l a t o m b e 研究了如何把人工智能应用于c a d ，它设计的t r o p i c 系统与传统c a d 系统 比较，在原理上发生了根本性变化。1 9 7 8 年，v a m o s 对c a d 、人工智能和模式识别三者作了比较， 分析了系统的设计层，得出了c a d 与人工智能结合的好处。8 0 年代初，0 h s u g a 把知识库( k b ) 引入 c a d 系统，讨论了多层逻辑理论和问题解答系统的框架；t o m i y a m a 和y o s h i k a w a 结合人工智能的 研究，给出了智能c a d 系统的原理和要求，详细讨论了设计过程的各个阶段”1 。现在c a d 技术发展 经历了几经更新换代，从最初只能实现二维绘图、标注尺寸的简单功能到现在的第四代c a d 系统， 它以数据库为核心，并包括曲面和实体造型技术的集成化系统，而第五代c a d 系统的一个重要特征 即是其的智能性”1 。 2 塑二童丝兰 一一 近年来国外开发的人工智能软件以专家系统为主，如a b d u l r e z a km o h a m e d 提出材料计划专家系 统，pam a n o h a r 提出的钢材成分设计专家系统等”；国内开发的c a d 专家系统有压延模c a d 专 家系统a d d e s ，i 十建丁程专家系统g m c a d e s 等”1 。以专家系统为代表的人工智能技术越来越多的应 用于c a d 技术中，c a d 智能化成为现代c a d 系统的发展方向之一。 由于现代塑料模具_ 业追求的目标是提高产品质量及生产效率、缩短设计周期及制造周期，降 低生产成本、最大限度的提高模具制造业的应变能力，而传统的塑料模具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，然而 注射模具的设计，包括模架的设计本身就是一项需要人类智能方能完成的工作。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，例 如，模具开始初步设计要求模具设计人员凭借知识和经验来进行思考、推理和判断：同时设计过程 是一个从“设计一评价一再设计”赢到最优设计结果的反复过程其中设计修改往往是在试探性的 结果上进行的，而设计结果评价又取决于综合因素来完成，这就更需要设计人员具有一定的知识和 经验，而仅凭c a d c a b 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，而当前在 注射模具设计引入人工智能技术也是国内许多单位研究的方向，如上海交通大学塑性成型系提出“基 于c b r 的模具结构概念设计模型研究”“。雷永刚提出的“基于事例推理( c b r ) 的同构模具工艺 设计模型”“，但这些研究中注射模具设计知识处理系统的开发和使用都是独立于c a d 系统之外， 限制了其在实际生产中的应用范围，因此将人工智能技术引入现有的注射模具c a d 系统中，来处理 注射模模架设计中涉及的有关领域知识问题，从而将现有注射模具c a d 系统对算法型问题处理的优 势与智能技术处理推理性的问题的优势进行融合，以形成智能型注射模架c a d 系统，对于注射模具 的设计与生产具有非常重要的研究价值。 1 3 课题的实现途径 通过对当前c a d 系统开发状况的了解，智能注射模架c a d 系统的开发途径通常有两条途径，一 种是用商业化高级编程语言工具如v c + + ，d e l p h i 等进行整个软件所有模块的开发，这种开发方法集 成性高，但开发工作最和开发费用都比较大，开发周期也较长，如美国a c 公司的c 叫o l d 软件，澳 大利亚m 0 1 d f l 州公司的m p i 等；另一种方法是基于某种应用比较广泛的c a d 软件平台，针对注射模 具设计的具体功能模块，通过二次集成开发完成c a d 系统，如p t c 公司p r o e n g i n e e r 软件中的模架 设计模块m o l d d e s i g n ，s o l i d w o r k s 公司的s o l i d w o r k s 软件中的m o l d b a s e 模块，这种开发方式可以 充分利用开发平台的已有的功能，如基本建模操作等，从而在图形实体的基本描述和操作方面利用 原有的基础，大幅度减少开发的实际工作量，是当前应用软件开发的重要途径，本课题的软件开发 也是采用这种方法实现的。 1 4 课题的研究内容 课题通过对当前国内注射模具制造企业和设计单位的调研，发现当前国内注射模具制造企业和 设计单位已经广泛采用通用c a d 系统( 如a u t o c a d 、s o l i d w o r k s 、p r o e n g i n e e r 等软件) 来进行注射 模零部朴的设计，但是很少在此基础上进行专业化的开发，以提高设计效率从而缩短设计周期，而 现有的一些注射模具标准零件库，也只能提供国外标准零件的参数化造型。尽管利用三维实体造型 c a d 系统也改善了绘制模架图纸的工作量，但是，模架的设计与选择仍然取决于模具设计人员的知 识水平和经验积累情况，针对以上存在的不足，在借鉴国内外已有的成果和开发实例的基础上，并 参照g b t 1 2 5 5 5 9 0 、g b t 1 2 5 5 6 9 0 等有关注射模的国家标准，以及国内有关厂家对标准注射模模架 的使用情况，在综合分析了机械c a d 、专家系统的研究现状基础上，深入系统地分析了注射模模架 的组织结构及特点，选择在当前应用比较广泛的三维c a d 系统s o l i d w o r k s 平台上，开发具有定智 能设计功能的注射模架c a d 系统，体现“从顶向下”的注射模具设计思想，在设计模架时，减少对设 计人员经验的依赖性，减少人为因素对模具设计质量的影响，保证模具设计质量的稳定性，促进了 一3 东南大学硕士学位论文 模具的标准化生产。同时利用本系统，模具设计人员可以在可视化的环境中确定模架参数，并利用 该系统直接生成模架零件实体、装配体、以及工程图，减少模具设计人员在设计模具时须重复查找 大量模架标准数据和绘制模架1 二程图纸等繁琐的工作，既保证了模架设计质量。又缩短了整个模具 的设计周期。针对这样的研究方向，主要研究内容有以下几个方面： 1 ) 在选定的c a d 平台上如何构建智能注射模架c a d 系统的整体构架，包括模架结构方案的智能 推理系统模块、模架特征造型的实现模块和数据库( 包括知识库、零件库、图形库) 模块的组 成及相互关系； 2 ) 如何将人工智能技术中的知识推理应用到注射模架结构设计过程中，并探讨模架智能推理系 统使用的知识表示方法及推理机推理策略的算法实现；研究如何利用当前可视化编程技术实现 专家系统可视化解释； 3 ) 如何实现系统中的数据库技术应用，包括根据模架的结构和应用情况对模架类型进行分类， 建立统一的编码，并建立造型参数数据库、图形库、知识库的管理： 4 ) 实现利用数据库中的模架造型约束参数表驱动模板造型，从而使系统自动完成所设计的模架 模型，以减少设计者建立模架造型所需的大量时间： 5 ) 利用s o l i d w o r k s 的a p i 对s o l i d w o r k s 进行专业化的开发； 通过以上内容的研究，希望在当前几何造型能力日趋完善的c a d 平台上，将注射模架的设计过程 用智能推理技术实现，并与c a d 系统集成，以形成一个专门的注射模架辅助设计系统。也克服了以 往智能设计系统与c a d 系统独立开发所带来的信息资源不能共享，难以广泛应用于生产，与现有的 s o l i d w o r k s 中的m o l d b a s e 模块相比较，不仅能实现注射模架的参数化建模，还运用直观的可视化界 面技术与人工智能技术引导用户完成注射模架的设计过程。 4 第二章智能注射模架c a d 系统的总体构架 第二章智能注射模架c a d 系统的总体构架 2 1 系统设计目标 当前，随着塑料l 业生产的发展，塑料工业产品的品种和数量不断增加，换型加快，对产品质 量、样式和外观也不断提出新要求，使得注射模具需求量增加，并要求在提高模具设计和制造质量 的同时，力求尽量缩短模具的设计和制造周期，同时由于注塑模具绝大多数是小批生产，这决定了 模具设计个性化强，规则性差。通常为了适应变化多样的注塑产品，模具的结构也灵活多变，导致 模具生产周期延长。为了解决这种生产与需求之间的矛盾，国内众多的塑料注射模架制造企业已经 利用各种c a d 软件来建立儿何造型，实现利用计算机自动绘图代替人工绘图以及自动检索代替手册 查阅，但并没有使注射模具设计整个过程发生什么本质变化，通过对一些注射模具制造企业的调查， 归纳了现在注射模具设计制造的一般流程如图2 1 所示： 图2 - 1 注射模具设计制造流程 5 - 东南大学硕士学位论文 在图示的流程中，可以发现当前注射模具的设计思想大多采用从下向上的设计方法，模具设计 人员首先根据塑件产品信息及设备参数如产品形状特征、注射机型号等构思模具结构方案，然后详 细设计模架结构中的各个零部件部分如模板，推杆和垫块等，最后进行模架整体结构的装配。由于 在设计流程中，模架系统的各个部分设计信息流是单向串行流动( 如图2 1 虚框所示) ，因此只有在 模架组装时才发现推出机构与导向机构、排气机构与冷却机构之间的干涉，经常造成反复设计：在 模具结构零件设计完成后，再订购模架，最后进行模具加工，因此注射模具从设计到加工完成所需 时间较氏，效率较低。 塑料成型加工过程影响因素很多，很难用精确的理论模型进行描述，属于弱理论、强经验领域， 注射模架结构设计过程中，许多方案和参数确定的合理性取决于设计人员的经验和知识，因此人为 因素对模具设计质量的稳定性影响较大，如何将分散于每个设计人员的设计经验进行组织归纳，并 上升为知识，提供给整个企业的设计人员，实现设计知识资源共享，对于提高整个企业的设计能力， 应变当前多变的注射模具市场具有重要的经济价值，并且注射模的结构一般比较复杂，并随零件的 结构形状而定，设计中需考虑的因素也比较广泛，很难实现整个注射模的智能设计。在不同注射模 的结构中，作为整个模具结构的主体基础部分一模架，在结构设计上具有一定的相似性和规范性， 本系统的模架总体结构方案设计模块，就是实现利用人工智能技术中的专家系统技术来帮助技术人 员在模具结构设计之前，综合考虑当前已经标准化、系列化的标准模架和企业以前所积累的已经设 计成功的非标准模架事例，利用已有资源和已知塑件设计信息直接设计出模架总体结构方案，以供 设计人员作进一步的详细结构设计，从而体现注射模具“自顶向下”的设计方法，其在整个注射模 没计流程中的位置如图2 2 所示： 图2 - 2 模架总体结构方案设计 综上所述，课题开发的智能注射模架c a d 系统力求达到：在注射模具设计阶段同时考虑装配 结构问题，运用智能推理，依据系统中建立的模架知识库，在模架的各个组成部分详细设计之前， 确定模架的总体结构。在此基础上采用自顶向下的设计方法，即从模架装配结构开始，在装配结构 上直接进行模具结构设计和零件详细设计，再从装配结构中拆出所需零件，这样设计工作是从装配 模型开始，使得在模具详细设计的同时，就可以提出模架和有关标准件采购计划，并进行模具的粗 加工。从一定意义上来说，实现了模具并行工程的思想，缩短模具设计、制造周期。 2 2 智能注射模架c a d 系统的总体模型 依据上述智能注射模架c a d 系统的设计目标和要求，设计了本系统的模块功能包括：模架总 体结构方案推理模块、模架模型输出模块和系统工程数据库三个模块。采用i d e f 0 法建立了智能注 射模架c a d 系统的功能模型，如图2 - 3 所示： - 6 第二章智能注射模架c a d 系统的总体构架 图2 - 3 智能注射模架c a d 系统的功能模型( a 0 图) 根据图2 - 3 所示，智能注射模架c a d 系统的总体构架结构框图如图2 4 所示 图2 - 4 系统的总体构架结构框图 本系统的软件架构是以数据库技术为基础，知识推理为核心，充分利用现有的三维c a d 软件平台 对零件实体信息的提取、编辑和处理功能，运用组件技术实现各个功能模块，使得本系统既实现与 c a d 软件平台的无缝集成，又能易于实现与其他功能模块的扩展，整个软件系统总体框架如图2 5 7 东南大学硕士学位论文 所示。在图示的软件系统中，用户可以首先在前置处理中利用系统提供的功能模块和系统图形c a d 中的一些功能，实现对零件的分型面、浇注系统的设计和注塑机的类型等模架总体结构设计所需参 数进行基于规则基推理( r u l e b a s e dr e a s o n i n g ) 校核，然后利用模架总体结构设计专家系统根据基 于事例推理( c a s e - b a s e dr e a s o n i n g ) 的推理方法确定与所设计零件最合适的模架总体结构，如果系 统的设计结果成功，则可进一步利用系统模架结构造型模块实现模架总体结构装配造型及零件的造 型，并提供整个模架结构的零件设计材料明细表给p d m 等其他系统。考虑到对于系统中与设计的 塑件对象相关的模架事例较少时，有可能需要设计人员直接从本系统的模架参数库选取模架，因此 系统还提供了用户直接查找模架结构参数的模块。另外，用户可以将以前设计成功的注射模具的模 架抽象出来加入系统的事例模架库以扩充系统的设计能力，也可以利用知识库管理功能对已有的事 例库和规则库根据需要进行修改，来更新数据库。整个系统模型采用多层结构，将用户界面( 客户 层) 、业务逻辑层和数据库( 数据服务层) 的实现分开。 图2 - 5 系统软件总体设计 2 3 智能注射模架c a d 系统开发平台 2 3 1 系统通用c a d 支撑平台 由于本课题是建立在已有的通用c a d 系统上开发而成的，因此需要确立个适合本系统开发 需要的c a d 平台，而当前c a d 技术发展已经较为成熟，市场上的优秀c a d 软件层出不穷，大型 第二章智能注射模架c a d 系统的总体构架 图形上作站c a d 系统有c a t i a 、u g 、p r o e 、i - d e a s ；工作站级有s o l i d w o r k s 、s o l i d e d g e 、m d t 、 a u t o d e s ki n v e n t o r 等；还有己被广泛使用的二维系统a u t o c a d ；国内的也有c a x a 、k m c a d 等 c a d 软件系统。 本课题由于涉及模架零件的几何造型和模架装配及干涉检查等功能，故在选择与系统相适应的 图形支撑系统主要是从以下几个方面考虑： ( 1 ) 所选c a d 系统应具有良好的开放式体系和全面的应用接口函数a p i 由于本课题的开发是建立在所选择的c a d 系统平台上，其中不但涉及图形处理而且还有智能 决策模块，数据库应用技术和文档管理等，因此所选系统应具备良好的二次开发环境，开放式体系， 能完成各个功能模块。同时由于所开发的系统要利用所选c a d 系统平台已有的c a d 造型功能，如 质量计算、测量距离等功能等，因此要求所选c a d 系统能够向开发者提供广泛的接e l 函数a p i ，以 便本系统能够直接使用这些功能函数，无须再重复开发。 ( 2 ) 支持三维实体几何造型 由于模架为模具整体提供结构上的承载和支撑，为模具的各个功能系统提供空间，为注塑制品生 产中物料、能量、信息的传递提供通道，具有较为复杂的装配模型，同时模架作为一个装配结构模型， 模架部件装配关系所约束下的配合与运动关系为注塑制品的整个生产过程提供了重要的支持和有效 的控制。如注塑制品的顶出，冷凝料的拉出( 顶出) 侧向分型与抽芯都与模架部件的相对运动密不 可分，熔融料和冷却水的稳定流动和良好封闭也有赖于模架部件间的良好配合，同时，模具设计中 除了将导柱导套作为运动导向部件外，还设置了很多定位和锁紧机构这都说明模架装配模型与模 架部件装配约束的重要性。就零件来看既有形状比较简单的推杆、导柱等，也有形状比较复杂的模 板( 它既有许多内部水道孔，还有许多成型的曲面造型) ，因此所选c a d 系统要能支持三维实体儿何 造型，而当前常用实体几何造型方法是构造实体几何c s g ( c o n s t m c t i v es o l i dg e o m e t r y ) 法和边界表 示b - r e p ( b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n s ) 法，从特征造型的角度来看，构造实体几何( c s g ) 法的基本 理论是任何物体，无论其形状如何复杂。总能通过基本体素的集合运算来实现。由于具有表示形体 的正则性，构造容易，易修改，易转换成其他的表示方式等优点而成为特征造型的首选方法。但是 尽管c s g 法反映了零件的体素及其结构逻辑运算关系。但在表示复杂形体特别是复杂曲面时由于计 算机在寻找各体素交点以形成复杂相交曲面是很困难的，要花费很长时间，同时也不能提取面的信 息；边界表示法( b r e p ) 法存取的正是构成形体的各个点、边、面的定义信息，通过描述物体的 表面边界来表示实体的几何模型。边界表示法由于几何拓扑信息充分的表示，可构造复杂的实体， 也便于显示和输出图形，因此成为特征造型表示复杂曲面的重要方式之一“。所以选择能将c s g 法和b r e p 法的优点综台起来的实体造型c a d 系统是必须的。 ( 3 ) 支持特征造型 传统c a d 系统只表示底层的几何信息，如线框、边界表示和构造实体几何的信息：点、线、 面、基本体素等：它既没有提供语义信息和功能信息，也不能表达产品的非几何信息，如公差、装 配、材料、精度和功能信息等，而这些非几何信息正是设计者和制造者所必须的“，就本系统设计 的零件对象来看，模架中的导柱、导套、垫块、模板等零件的特征有轴、孔、棱体、管道等很容 易在支持特征造型c a d 系统中利明拉伸、旋转、扫描、打孔、阵列等特征功能按一定顺序生成实 体。 基于以上考虑，选择基于w i n d o w s 平台的三维c a d 软件s o l i d w o r k s ，其参数化和特征造型技 术，为设计人员提供了良好的设计环境，其开放性较好，便于对于进行二次开发，所以s o l i d w o r k s c a d 系统在国内被广泛使用。 s o l i d w o r k s 软件可以认为是一个混合参数式系统，与p r o e 等参数式系统相比，它克服了参数 式系统建立图形时必须给出完熬的约束条件才能产生所需的几何模型。混合参数式设计的思想完全 可以适应设计人员的思维，它不再要求设计人员的思维遵循一定的顺序，可以随时更改设计参数、 顺序，也可以随时增加一些限制条件，从某种意义上说也可以将混合参数式设计看成是参数式优化 - 9 - 东南大学硕士学位论文 设计”，因此它的设计数据1 0 0 可以编辑，尺寸、相互关系和几何轮廓形状可以随时更改。与其 它的c a d 平台相比，它不但是完全基于特征的造型技术，而且其具有独特的特征管理功能，提供 的特征管理设计历史树与具体的产品造型是实时动态联接，使得复杂零部件的细节和局部设计安排 条理清晰明了，所以s o l i d w o r k s 软件建立零件几何造型的过程就是利用s o l i d w o r k s 提供的丰富基本 特征，进行不同层次特征叠加的过程。 s o l i d w o r k s 在建模技术上采用了与u n i g r a p h i c s 相同的底层图形内核p a r a s o l i d 。运用c s g 与 b r e p 混台表示模型不但能够提供高精度的实体造型，而且能动态约束检查，具有强劲复杂曲面造 型能力，能够设计表面形状复杂的曲面零件。另外，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。 s o l i d w o r k s 具有开放式的体系，支持o l e 2 0 技术，可与其它w i n d o w s 环境下的动态仿真软件 ( c o s m o s m o t i o n ) 、二 程分析软件( c o s m o s w o r k s ) 、加工软件( c a m w o r k s ) $ 1 产品数据管理软件 ( s m a r t e a mw o r k s ) 等软件的集成，形成了以s o l i d w o r k s 为核心的基于w i n d o w s 的 c a d c a e c a m p d m 集成系统。 2 3 2 系统较件开发环境简介 系统的各个功能模块的实现是在s o l i d w o r k s