（材料加工工程专业论文）注塑模kbe设计系统自动分模技术研究.pdf

圭童奎翌查兰堡圭兰堡丝兰 塑圣 注塑模k b e 设计系统自动分模技术研究 摘要 注塑模作为重要的塑料成型模具类型之一，具有结构复杂、精度要求高、生产效率高等特点。 它的设计过程是一个复杂的知识继承、集成、创新和管理的过程，其中的分模设计作为注塑模设计 的一个重要组成部分，直接影响着注塑产品的质量、成本、生产效率和模具结构和加工的复杂性乃 至模具的寿命。随着现代塑料工业的高速发展，对塑料模具尤其是注塑模具提出越来越高的要求， 如何充分利用专家的经验和知识提高注塑模设计的智能化程度成为设计领域的研究重点，而自动分 模设计是实现注塑模自动化、智能化设计的关键，因此本论文的提出和研究具有重要的理论意义和 应用价值。 本文对注塑模设计和分模设计等基本概念做了简要的概述，分析了分模设计在注塑模设计中的 重要性；对注塑模c a d c a e c a m 系统及其相关技术的发展、研究和应用状况做了全面的研究和分 析；从塑件侧凹特征识别技术、注塑模脱模方向自动确定技术、注塑模分型线的自动确定技术和注 塑模分型面的自动生成技术等四个方面对自动分模技术的发展研究状况做了一个较全面的论述与总 结，阐明了自动分模技术在实现注塑模自动设计中的重要地位。 通过对基于知识的注塑模设计系统的分析，建立了注塑模自动分模设计系统框架模型及其设计 流程图，提出了实现自动分模设计的三个关键技术：注塑模脱模方向自动确定技术、注塑模分型线 的自动确定技术和注塑模分型面的自动生成技术。 对注塑模脱模方向自动确定技术进行了深入研究。首先研究了塑件特征表示方式、分类、建模 与编码以及侧凹特征分类等，在此基础上提出了基于特征系统的塑件侧凹特征识别技术。并以 s o l i d w o r k s 特征系统来详细论述了基于特征系统的塑件侧凹特征自动识别的方法；在侧凹特征自动 识别基础上，给出了脱模方向自动确定的算法和评价模型，为实现自动分模技术奠定了基础。 在侧凹特征识别技术与脱模方向自动确定技术的基础上深入研究了注塑模分型线自动搜索技术 与分型面自动生成技术。提出了一种基于投影映射的分型线自动搜索算法及其优化评价模型，分析 了分型线投影及其映射关系，给出了候选分型线的确定方法和优化过程；提出了一种基于规则的分 型面自动生成算法，对分型线进行了科学的分类并给出处理方法，研究描述了分型面生成规则。分 型线自动搜索技术与分型面自动生成技术的实现使自动分模设计成为可能。 基于上述分模技术理论，以s o l i d w o r k s 2 0 0 1 p l u s 为c a d 平台，在基于知识的注塑模设计系统上 建立了注塑模自动分模设计系统模块。然后通过两个较为典型的注塑件实例，介绍了系统的运行及 结果情况，分析了系统的特点，并进一步验证了本文所提出的自动分模理论的可行性和实用性。 关键词：注塑模c a d ，自动分模设计，侧凹特征识别，脱模方向，分型线，分型面 上海交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h ea u t o m a t i cp a r t i n gt e c h n o l o g yf o r i n j e c tm o l dd e s i g nk b es y s t e m a b s t r a c t p l a s t i ci n j e c t i o nm o l d ，a st h em o s ti m p o r t a n tt y p eo f p l a s t i cf o r m i n gm o l d s ，i sf e a t u r e da sc o m p l e x n e s s o fs t r u c t u r e ，h i g hd e m a n do f p r e c i s i o na n dh i 曲p r o d u c t i v i t y , a n di t sd e s i g np r o c e s si sac o m p l e xp r o c e d u r e i n c l u d i n gt h ei n h e r i t a n c e ，i n t e g r a t i o n ，i n n o v a t i o na n dm a n a g e m e n to fk n o w l e d g e p a r t i n gd e s i g n ，a sa l l i m p o r t a n tc o m p o n e n to fi n j e c t i o nm o l dd e s i g n ，h a st h ed i r e c te f f e c to nt h eq u a l i t y , c o s ta n dp r o d u c t i v i t yo f 也ep r o d u c ta n ds t r u c t u r e p r o c e s sc o m p l e x i t ya n dl i f eo ft h em o l d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e m p l a s t i c si n d u s t r y , t h e r ei sa ne v e r - i n c r e a s i n gd e m a n do ft h ed e s i g no ft h ep l a s t i cf o r m i n gm o l d ，e s p e c i a l l y t h ei n j e c t i o nm o l d h o wt om a k ef u l lu s eo ft h ee x p e r i e n c ea n dk n o w l e d g eo ft h ee x p e r sa n ds oi m p r o v e t h ee x t e n to ft h ei n t e l l i g e n c eo ft h em o l dd e s i g ni sn o wt h ee m p h a s i so ft h i sr e s e a r c ha r e a a u t o m a t e d p a r t i n gd e s i g ni st h ek e yp o i n tt or e a l i z et h ea u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n c eo fi n j e c t i o nm o l dd e s i g n s ot h i s p a p e rh a sg r e a tv a l u eb o t hi nt h e o r ya n da p p l i c a t i o n f i r s t l y , t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p t so ft h ei n j e c t i o nm o l dd e s i g na n dt h ep a r t i n g d e s i g n ，a n da n a l y s e st h ei m p o r t a n c eo ft h ep a g i n gd e s i g ni nt h ei n j e c t i o nm o l dd e s i g n ；d i s c u s s e sf u l l yt h e d e v e l o p m e n t ，r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ns i t u a t i o no ft h ec a d c a m c a es y s t e mo fi n j e c t i o nm o l da n d c o r r e l a t e dt e c h n o l o g y , e x p a t i a t e sa n dr e v i e w st h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m a t e dp a r t i n gt e c h n o l o g yf r o m t h ef o u ra s p e c t so ft e c h n o l o g yo fu n d e r c u tf e a t u r ei d e n t i f i c a t i o n ，a u t o m a t i cd e t e r m i n a t i o no fp a r t i n g d i r e c t i o n ，a u t o m a t i cd e t e r m i n a t i o no fp a r t i n gl i n ea n da u t o m a t i cg e n e r a t i o no fp a r t i n gs u r f a c eo fi n j e c t i o n m o l d ，i l l u m i n a t e st h ei m p o r t a n c eo ft h ea u t o m a t e dp a r t i n gt e c h n o l o g yi nt h er e a l i z a t i o no fa u t o m a t e d m j e c t i o nm o l dd e s i g n s e c o n d l nt h i sp a p e re s t a b l i s h e st h ef r a m ea n dt h ed e s i g n i n gf l o w c h a r to ft h i si n j e c t i o nm o l d a u t o m a t e dp a r t i n gd e s i g ns y s t e mb ya n a l y z i n gt h ek n o w l e d g e - b a s e di n j e c t i o nm o l dd e s i g ns y s t e m , p r o p o s e dt h r e ek e yt e c h n i q u e st h a tr e a l i z et h ea u t o m a t e dp a r t i n gd e s i g n ，w h i c ha r et h et e c h n i q u e so f a u t o m a t i cd e t e r m i n a t i o no f p a r t i n gd i r e c t i o n , a u t o m a t i cd e t e r m i n a t i o np a r t i n gl i n ea n da u t o m a t i cg e n e r a t i o n o f p a r t i n gs u r f a c e t h i r d l y , t h i sp a p e rs t u d i e st h ea u t o m a t i cd e t e r m i n a t i o nt e c h n i q u e so fp a r t i n gd i r e c t i o no fi n j e c t i o n m o l d i nt h ef i r s ts t e p ，t h i sp a p e rs t u d i e st h er e p r e s e n t a t i o n , c l a s s i f i c a t i o n ，m o d e l i n g , c o d i n go fp l a s t i c p r o d u c tf e a t u r ea n dt h ec l a s s i f i c a t i o no fu n d e r c u tf e a t u r e t h e nb a s i n go nt h i ss t u d ya d v a n c e st h ef e a t u r e s y s t e m - b a s e du n d e r c u tf e a t u r ei d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n de x e m p l i f i e dt h i st e c h n i q u eb yu t i l i z i n gt h e s o l i d w o r k sf e a t u r es y s t e m f i n a l l y , o nt h eb a s eo fu n d e r c u tf e a t u r ei d e n t i f i c a t i o n ，t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r d t h ea l g o r i t h ma n de v a l u a t i o nm o d e lo ft h ep a r t i n gd i r e c t i o n ，w h i c hi st h ef i r s ts t e po fa u t o m a t e dp a r t i n g t e c h n o l o g y t h e n ，o nt h eb a s i so ft h et e c h n o l o g yo fu n d e r c u tf e a t u r ei d e n t i f i c a t i o na n dp a r t i n gd i r e c t i o n a u t o d e t e r m i n a t i o n ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e sd e e p l yt h ea u t o m a t i cs e a r c h i n gt e c h n o l o g yo fi n j e c t i o nm o l d i i 圭童塞堡查兰堡圭兰堡竺塞垒! ! 竺 p a r t i n g l i n ea n da u t o m a t i cg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yo fp a r t i n gs u r f a c e ，a n dp r o p o s e sap r o j e c t i o n m a p p i n g - b a s e da u t o m a t i cs e a r c h i n ga l g o f i t h mo fp a r t i n gl i n ea n de v a l u a t i o nm o d e l ，d i s c u s s e s t h e m l a t i o n s h i pb e t w e e np a r t i n gl i n ep r o j e c f i o na n di t sm a p p i n g ，p r e s e n t sad e f i n i t i o n m e t h o do fc a n d i d a t e p a r t i n gl i n e sa n do p t i m i z a t i o np r o c e d u r e ，b r i n g sf o r w a r dar u l e b a s e da u t o m a t i cg e n e r a t i o na l g o r i t h mo f p a r t i n gs u r f a c e ，c l a s s i f yt h ep a r t i n gl i n ea n dd e s c r i b et h eg e n e r a t i o nr u l e so fp a r t i n gs u r f a c e t h er e a l i z a t i o n o ft h ea u t o m a t i cs e a r c h i n gt e c h n o l o g yo fp a r t i n gl i n ea n da u t o m a t i cg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yo fp a r t i n g s u r f a c em a k e st h ea u t o m a t e dp a r t i n gp o s s i b l e f i n a l l y ，b a s i n go nt h et h e o r ya n dt e c h n o l o g ym e n t i o n e da b o v e t h i sp a p e re s t a b l i s h e sa i la u t o m a t e d p a r t i n gd e s i g nm o d u l eo fi n j e c t i o nm o l dk b ed e s i g ns y s t e mo nt h ep l a t f o r mo fs o l i d w o r k s 2 0 0 l p l u s t w o t y p i c a le x a m p l e sa r ei n t r o d u c e dt od e s c r i b et 1 1 er u n n i n gs i t u a t i o na n dt h er e s u l to fs y s t e m t h ef e a t u r eo f 1 h es y s t e mi sa l s od i s c u s s e dt op r o v et h e5 v a l i d i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo fa u t o m a t i cp a r t i n gt h e o r yp r o p o s e di n t h i sp a 廿e r k e yw o r d ：p l a s t i ci n j e c t i o nm o l dc a d ，a u t o m a t e dp a r t i n gd e s i g n ，u n d e r c u tf e a t u r ei d e n t i f i c a t i o n ，p a r t i n g d i r e c t i o n ，p a r t i n gl i n e ，p a r t i n gs u r f a c e 1 1 1 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并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。本人授权上海交通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、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密回：在l 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：= ；荨，投 指导教师签名： 日期：7 码年7 月“日 日期：知哆年月髟日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。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作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：码年7 - - 月“1 3 上海交通大学学位论文答辩决议书 所在学科 申请者 善， ( 专业)订诧p ：2 糙 论文题目 ；互私事争。c 芒；支；。衣r 。词弘，j 砻；、饭采。 寥。 答辩日期 2 弓，工，7 7 地点 模臭阿会媳 答辩委员会成员 姓名 堕位 职称 签名 夺明辉埔列 性黼f 工程夺 教授，和乏争 苏良良教授j杉缓 陈军 副敞。 1 专泽 评语和决议： 涂小文同学的硕士学位论文“注塑模k b e 设计系统自动分模技术研究”，针对传统注塑模设计的 不足，对自动分模设计进行了较详细的研究。论文较详细论述了注塑模脱模方向自动确定技术、注塑 模分型线自动搜索技术及注塑模分型面自动生成技术等三大技术。研究了塑件特征表示方式、分类、 建模与编码以及侧凹特征分类等，在此基础上提出了基于特征系统的塑件侧凹特征识别技术，并以 s o l i d w o r k s 特征系统详细阐述了基于特征系统的塑件侧凹特征自动识别的方法，给出了脱模方向自动 确定的算法和评价模型。采用了一种基于投影映射的分型线自动搜索算法，并建立了相应的优化评价 模型，分析了分型线投影及其映射关系，给出了候选分型线的确定方法和优化过程。提出了一种基于 规则的分型面自动生成算法，对分型线进行了分类并给出处理方法，研究描述了分型面生成规则。最 后，在以s o l i d w o r k s 2 0 0 l p l u sa p i 为开发环境下建立的注塑模k b e 设计系统中实现了注塑模自动分 模设计系统模块，验证了论文所提出的理论方法的可行性和实用性。 本篇论文内容丰富，结论正确，是一篇较好的硕士学位论文。该同学在答辩中讲解清楚，回答问 题正确。答辩委员会一致同意涂小文同学通过硕士学位论文答辩，并建议授予涂小文同学工学硕士学 位。 撒躲2 豫也 舟谚7 答辩委员会主席 ( 签名) 圭堡查堡奎兰堡圭兰堡篁耋 篓= 茎丝丝 1 i 注塑模设计概述 第一章绪论 1 1 1 基本概念 注塑模，即注射成型模具，是塑料成型模具的一种。塑料先加在注射机的加热料筒内，塑料受 热熔融，在注射机的螺杆或活塞推动下，经喷嘴和模具的浇注系统注入闭合的模具型腔内，塑料在 模具型腔内经冷却固化定型，开模后从模具中脱出，而获得塑料制品，这一过程称为塑料的注塑成 形过程，而在该过程中使用的模具就叫做注塑模“。 注塑成型的特殊性决定了注塑模的基本结构，注塑成形的全过程 3 可以分为：塑化过程，即 塑料在注射机内被加热熔化的过程。充模过程，塑料熔体经注射机的喷i 觜喷出后，进入模具的型 腔，把型腔内的空气排出，并充满型腔，然后升压到一定的压力，使熔体的密度增加，充满型腔的 各部位。该过程是注射成型中最重要的过程，因为塑料熔体的流动是非牛顿流动，而且粘度很大， 所以在充模过程中的压力损耗、粘度变化，多股汇流等现象，决定着塑件的质量。因此充模过程的 关键问题模具分模设计、型腔设计和浇注系统的设计就成为注塑模设计过程中的重点。冷却 凝固过程，热塑性塑料的注射成型过程是热交换的过程，即塑化( 加热) 一注射充模( 理论上绝热) 一固化成型( 散热) 。热交换效果的优劣将决定塑件外在和内在质量的好坏。在注塑模设计时对热交 换冷却系统也必须考虑。脱模过程，塑件在模具型腔内固化后，必须用机械的方式把它从型 腔中取出，这就牵涉到注塑模设计过程的脱模机构或顶出机构的设计，这也是注塑模设计中的一个 主要环节。这样由到形成了一个循环，每一次循环，就完成了一次塑料成型一个或多个塑 料制品。 注塑模的基本结构依据实用的目的而不同，大致上可以作如下的分类口“j ： 注塑模 f 二板式结构 嚣三嚣 普通模具j ：板式结构，单腔三板式结构 【三板式结构t ；荔三爱茎器弱 特殊模具 滑动型芯式结构 瓣合式结构 脱螺纹结构 多层结构 其他结构 注塑模设计基本内容包括塑件工艺分析、注射机型号的确定、型腔数量的确定及型腔布置、脱 模方向确定及分型面设计、侧向分型与抽芯机构设计、浇注系统设计、排气系统设计、冷却系统设 计、顶出系统，脱模机构设计、导向装置设计、模架及标准件选用以及模具装配零件图纸的绘制等。 现在大多数注塑产品( 例如家电、汽车塑料制件等) 大多比较复杂，成型性能差，其模具结构相当 复杂，因此需要设计人员具有非常丰富的设计经验。 注塑模主要用于热塑性塑料制品的成型，也用于热固性塑料成型。注射成型在塑料制件成型中 占有很大的比例，全球塑料成型模具产量中约半数以上是注塑模。随着电子、通讯、轻工、汽车 等行业的快速发展，塑料的应用越来越广泛，对塑料制品，尤其是注塑产品的大小、质量、精度要 圭塞查重垒耋丝圭耋堡篁兰篓= 薹堑丝 求也越来越高，趋向于大型、超大型、超小型及高精度方向发展，因而对注塑模的要求也越来越高。 1 1 2 注塑模设计过程 传统的注塑模设计过程一般分为：用户及产品需求分析、注塑方案设计与分析和注塑模结构设 计与校核三个阶段如图1 - 1 所示。 图1 - 1 传统注塑模设计过程 f i g 1 1p r o c e s so f t r a d i t i o n a li n j e c t i o nm o l dd e s i g n 传统的注塑模设计有其局限性，在整个设计过程中主要还是依靠已有的资料和模具设计工程师 的实际设计经验，针对设计任务的要求反复进行计算、分析和构思，最后将满足设计要求的方案表 列到设计文件与图纸上1 6 j 。设计结果基本上是用二维图形表示，且在设计过程中有很大的重复性， 而且整个模具设计过程的灵活性和可修改- 陛也较差。 注塑模c a d 技术的应用，可以强有力地减少注塑模设计过程中的重复性工作，使模具设计工程 师能从繁重的重复性劳动中解放出来，让他们能够更专注于创造性的设计工作，以最终提高模具设 计的质量。 利用注塑模c a d 系统进行注塑模设计与传统的注塑模设计有着本质的区别。在用c a d 技术进 行注塑模设计的整个过程中，所有的设计、分析、制造和检测都是基于统一产品信息模型，在进行 产品或模具设计的同时，可并行的进行其他相关设计，从而大大缩短产品的开发周期和提高产品质 量【4 _ 5 】。 根据以上传统的注塑模设计过程并结合注塑模c a d 技术的特点，可总结归纳出注塑模c a d 流 程，如图1 2 所示。 1 1 3 注塑模分模设计 对注塑产品进行注塑工艺分析和评估后，认为注塑产品的注塑工艺可行，接下来就可以进行注 塑模具设计。在进行注塑模具设计时，首先要进行方案设计，其目的是在进行详细的模具结构设计 前，构思出多种模具总体结构的设计方案，主要包括分模设计、模具合理的型腔数目及其布置、注 塑机和模架的选择、注塑模的一般结构的设计和模具的基本成本计算等，最后对多种设计方案进行 综合分析评估，选择最优方案以指导模具的详细设计p 】。其中分模设计是注塑模方案设计的第一步， 也是模具结构详细设计的基础。分模设计在注塑模设计有着十分重要的地位，因为如缺少分模，其 2 圭堡奎堡奎兰堡圭兰竺丝兰 ；塞= 篓堑篁 它任何模具的详细设计根本就无从谈起。 图1 2 注塑模c a d 沉程 f i 9 1 - 2f l o wc h a r to f i n j e c t i o n m o l d c a d 分模设计包括三个方面的内容，即脱模方向的确定、分型线的选取和分型面的确定。如果确定 注塑模是多型腔模具，还应该根据型腔布局考虑分型面拼合的问题。 传统的分模设计可以归结为分型面的设计，根据模具设计师经验的总结，不良的分型面的设计 对塑料制件和模具设计影响可能结果有：影响塑料制件的外观质量，因为分型面不可避免地要在 制件上留下溢料的痕迹或拼合缝的痕迹；不能保证塑料制件的精度要求；不利于塑料制件的 脱模：影响脱模时塑料制件的飞边或浇口的去除；不利于模具加工、特别是型腔的加工；不 利于浇注系统、排气系统、冷却系统的设计：增加模具结构的复杂性，增加模具成本。 由此可以看出，分模设计的好与坏将直接影响到塑料制件的质量、后续模具结构设计的复杂性 及其 s n m 成本。因此，分模设计是注塑模设计中最为关键的一步，也是注塑模设计的重点和难点。 1 2 注塑模c a d c a e c a m 系统1 7 。1 2 】 常用塑料如聚氯乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、a b s 等，在2 0 世纪4 0 年代才问世，注塑模具的历 史也不过5 0 余年，但发展速度却异常迅速，塑料制品已经成为工业部门和日常生活中不可缺少的重 要组成部分n 塑料工业对模具的追叨需要正是注塑模c a d c a e c a m ( 计算机辅助设计、工程分折 三堡耋堡查篁竺圭兰竺篁兰量= 薹篁尘 和制造1 发展的原动力，而近3 0 年塑料流变学、几何造型技术、数控加工、塑料物形数据库的研究 与开发、商品化的c a d c a m 软件以及计算机技术的突e 猛进更为注塑模c a d c a e c a m 系统的研 究与开发创造了条件。 注塑模c a d c a m 的重点在于注塑制品的几何造型、模具设计、绘图和数控加工数据以及指令 的生成，而c a e 则将工程设计、实验、分析、文件生成乃至制造贯穿于制品研制过程的每一个环节 之中，用以指导和预测制品在构思、设计和制造阶段的行为。 c a d c a e c a m 的集成化从根本上改变了传统的模具生产方式。采用几何造型技术，注塑制品 一般不必进行原型试验，制品形状能够逼真地显示在计算机屏幕上，并可借助于弹性有限元分析软 件对制品的力学性能进行预测。当必须要有实际样品时，可采用快速原型制造技术( r p m ) 直接由保 存在计算机中的制品儿何模型自动而迅速地将实物制造出来。如果是依靠实际注塑制品设计注塑模 时，可采用反求工程f r e ) 技术，由三坐标测量仪获得制品表面测量点的数据，再据此生成所测制品 的几何模型。 在模具图下达车间之前，c a e 软件可以预测成型工艺及模具结构等有关参数的正确性。例如， 可以采用流动模拟软件来考察塑料熔体在模具型腔内的流动过程，以此改进流道系统的设计，提高 试模的成功率。可以来用保压和冷却分析软件来考察塑料熔体的凝固过程和模具的变化，以此故进 模具的冷却系统，调整注塑成型工艺参数，提高制品的质量和生产效率。还可以用应力分析软件来 预测制晶出模后的翘曲和变形。 借助于c a m 软件，模具型腔的几何数据能交互地转换为机床刀具的曲面运动轨迹，进而生成 数控加工指令，从而省去模型的制作工序。在实际加工之前还可采用数控加工过程仿真软件对切削 过程进行检验，以避免误切。 由此可见，c a d c a e c a m 技术能显著地缩短模具的设计与制造时间，降低模具成本，提高塑 料制品的质量。 以下就注塑模c a d c a e c a m 系统、注塑模智能c a d c a e c a m 系统的研究状况及其应用状 况作一概括与总结。 1 2 1 注塑模c a d ，c a e ，c a m 系统的研究状况 2 0 世纪6 0 年代中期，英国、美国、加拿大的学者就开始了有关塑料熔体在模具型腔内流动和 拎却的基础研究。塑料流变学、几何造型技术、数控加工及计算机技术的发展有力地推动了注塑模 c a d c a e c a m 研究的深入b j 最初的c a d 技术和c a m 技术以图纸为媒介传递信息向c a d c a m 一体化方向发展。2 0 世纪8 0 年代中期注塑模c a d c a e 肥a m 进入实用阶段，出现了许多商品化注 塑模c a d c a e c a m 软件，比较著名的有澳火利距m o l d f l o w 公司研制的注塑流动和冷却分析 软件m o l d f l o w ；德国i k v 公司c a d m o u l d 系统，可用于注塑模流动分析、冷却分析、力学性 能校核：美国a c t e c h 公司的c m o u l d 等等。我国注塑模c a d c a m 研究始于2 0 世纪7 0 年代末， 发展也很迅速。“八五”期间，由北京航空航天大学、华中理工大学、四川联合大学等单位联合进行 了国家重点科技攻关课题“注塑模c a d c a e c a m 集成系统”，并于1 9 9 6 年通过鉴定，部分成果已 投入实际应用，使我国的注塑模c a d c a e c a m 研究和应用水平有了较大提高。目前出现的拥有自 主版权的软件有，华中理工大学开发的塑料注塑模c a d c a e c a m 系统h s c 3 0 ，郑州工业大学研 制的z m o l d 分析软件等，其中h s c 3 0 涵盖了塑料选材与优化、模架选择和设计、模具结构设计 以及注塑流动分析等。 4 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 注塑模智能c a d ，c a e c a m 系统的研究状况 注塑模具的设计过程需要大量的设计知识和专家经验。而一般阵统的早期的) 的c a d 系统都是 一种人机交互系统，使用c a d 系统的设计人员在系统行为之中起着主导和决策的作用。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 1 ) 、专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 和基于知识的系统( k n o w l e d g e - b a s e d s y s t e m , k b s ) 技术的发展及其在设计领域的应用，为c a d 技术的发展开辟了新的途径。 智能c a d 系统( 或基于知识的c a d 系统) 是一个包含有大量知识与经验的程序系统。智能c a d 方法是2 0 世纪7 0 年代中后期提出的一种新的设计方法。它采用人工智能技术，运用知识库中的设 计知识进行推理、判断和决策，解决以前必须由人类专家解决的复杂问题。由于知识库中的知识来 源于很多人类专家长期积累的经验，因此，一个成功的智能c a d 系统可以达到甚至超过领域设计专 家的水平。 注塑模智能c a d 技术是和通用智能c a d 技术的发展是息息相关的，同时又有自身的特点，尤 其是注塑模具设计具有诸如外部约束条件多、结构复杂且灵活多变以及经验性与试探性强等特点， 这些往往要在注塑模智能c a d 技术中得到反映。 i ；t 前在注塑模智能c a d 技术中所应用的人工智能技术主要有：专家系统( e s ) 、机器学习、基 了二知识的系统( k b s ) 、基于事例的推理方法( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 、约束满足法、基于知识 的工程( 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 ) 、基于神经网络的设计方法、模糊设计方法以及遗传 算法等，其中专家系统、机器学习、基于知识的系统( k b s ) 、基于事例的推理方法( c b r ) 应用最 为广泛。人工智能技术在注塑模智能c a d 的应用领域主要有：塑料选材与优化、工艺分析、分模设 计、模架选择和设计、模具结构设计和优化以及塑料制品缺陷分析与预测等。 目前已经商品化的注塑模智能c a d 软件都是针对模架选择和设计以及模具结构设计和优化而 设计的功能模块，但集成化一体化的注塑模智能c a d 软件并不多见。国外的如：英国d e l c a m 公司 的塑料模设计专家系统；美国p s p 公司的i m e s 专家系统，能帮助模具设计人员用专家的知识解决 注塑模的质量问题；以色列c i m a t r o n 公司的c i m a t r o n 系统中的模具专家软件包；澳大利亚m o l d f l o w 公司的m p a ( 塑件顾问) 、m p x ( 注塑专家) ：新加坡国立大学基于u g i i c a d 软件平台开发的i m o l d ( 智能模具设计与装配系统) 和基于c a d k e yc a d 软件平台开发的模具专家系统等等。国内则是 由上海交通大学首次将人工智能技术引入注塑模c a d 系统中，并于1 9 9 4 年开发出集成化注射模智 能c a d 系统；还有华中理工大学、北京航空航天大学、郑州工业大学和合肥工大学等大学和科研机 构正在做这方面的研究和软件开发工作。 1 2 3 注望模c a d c a e c a m 系统的应用状况 据统计，注塑模在工厂企业中采用c a d c a m 技术的比例远高于其他类型的模具。在国际商品 化软件市场上也是注塑模c a d c a e c a m 软件居多。由于传统的注塑模设计和制造方法已不能适应 塑料制品高精度、高性能和快速更新换代的要求，在西方先进的工业国家注塑模c a d c a m 应用己 非常普遍。模具订货所需的塑料制品资料己广泛使用电子文档，因此是否具有能接受电子文档的模 具c a d c a m 系统便成为模具企业生存的必要条件。当前，代表国际先进水平的注塑模 c a d c a e c a m 的实际应用具体表现如下： ( 1 ) 基于网络的模具c a d c a e c a m 集成化系统已开始使用。如英国d e l e a m 公司在原有软件 d u c t 5 的基础上，为适应最新软件发展及实际需求，向模具行业推出了可用于注塑模的集成化系统 d c l c a m sp o w e rs o l u t i o n 。该系统覆盖了几何建模、注塑模结构设计、反求工程、快速原型、数控编 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 程及测量分析等领域，系统的每一个功能既可独立运行，又可通过数据接口作集成分析。 ( 2 ) 微机软件在模具行业中发挥着越来越重要的作用。在9 0 年代初，能用于注塑制品几何造型和 数控加工的模具c a d c a m 软件系统主要是在工作站上采用u n i x 操作系统开发和应用的，如在模 具行业中广泛采用的美国p r o e 、u g i i 、c a d d s 5 ，法国的c a t i a 、e u c l i d 和英国的d u c t 5 等。 随着微机技术的飞速进步，在9 0 年代后期，新代的微机软件，如s o l i d w o r k s 、s o l i de d g e 、m d t 等崭露头角。这些软件不仅在采用n u r b s 曲面、三维参数化特征造型等先进技术方面继承了工作 站级c a d c a m 软件的优点，而且在w i n d o w s 风格、动态导航、特征树、面向对象等方面具有工作 站级软件所不能比拟的优点，深受模具行业的好评。 ( 3 ) 模具c a d c a e c a m 的智能化程度正在逐渐提高。由于在现阶段，注塑模的设计和制造在很 大程度上仍然依靠着人的经验，仅凭有限的数值计算功能，软件是无法为用户提供完善和正确的设 计结果的，因此智能化的功能必不可少。面向制造、基于知识的智能化功能现已成为衡量模具软件 先进性和实用性的重要标志之一。许多软件都在智能化方面做了大量的工作，如以色列c i m a t r o n 公 司推出的注塑模专家系统，能根据脱模方向优化生成分模面，其设计过程实现了模具零件的相关性、 自动生成供数控加工的钻孔表格、在数控加工中实现了加工参数的优化等，这些具有智能化的功能 可显著提高注塑模的生产效率和质量。 ( 4 ) 三维设计与三维分析的应用和结合是当前注塑模技术发展的必然趋势。在注塑模结构设计中， 传统的方法是采用二维设计，即先将三维的制品图投影为若干二维视图后，再按二维视图进行模具 结构设计。这种沿袭手工设计的方式不能适应现代化生产和集成化技术的要求，在国外已有越来越 多的公司采用基于实体模型的三维模具结构设计。与此相适应，在注塑流动过程模拟软件方面，也 正在由基于中性层面的二维分析方式向基于实体模型的三维分析方式过渡，使三维设计与三维分析 的集成成为可能。 近十年来，我国模具行业在注塑模c a d c a e c a m 的应用上也取得了长足的进步，这主要表现 在如下四方面： ( 1 ) 在注塑模的制造中采用数控加工方式已成为人们的共识。数控机床的使用率日益提高，许多 民营作坊式小厂都纷纷购置数控设备，模具型腔的质量和生产效率得到显著提高。 ( 2 ) 大多数骨干工厂已实现了模具的计算机辅助制图，有的还在模具结构的标准化和模具图库的 建立方面做了许多卓有成效的工作，使模具设计不再是重复单调地画线条，而是采用编辑、搭积木 的方式，使设计效率和准确率成倍提高。 ( 3 ) 许多先进企业，特别是从事家用电器生产的企业竞相引进了国外先进的、用于注塑模设计与 制造的硬件和软件，如数控加工中心、激光快速成型机、高精度三维坐标测量仪、高速数控铣床、 气体辅助成型注塑机以及注塑模c a d c a e c a m 软件等，培养了一批从事模具c a d c a e c a m 的 专门人才，摸索出许多成功的经验，缩短了与国外在注塑模方面的差距。 ( 4 ) 涌现出一批应用和研发相结合的单位，它们将为我国模具行业起到表率作用。如青岛海尔模 具有限公司，在引进国外先进设备和软件的同时，成立了c 3 p 中- t j , ( c 3 p 为c a d 、c a e 、c a m 和 p d m ) 。他们与上海交通大学模具中心合作，结合知识工程( k b e ) ，开发出适合本公司的模架库和典 型结构。与华中科技大学模具技术国家重点实验室合作，利用基于实体模型的注塑模c a e 系统，对 海尔空调机关键零件的注塑模结构及工艺进行优化，取得了很好的效果。 6 圭童奎堡奎兰至圭兰堡丝兰 堑：塞塑篁 1 3 相关技术背景 1 1 3 1 特征技术发展状况 关于特征的定义有多种，至今未有统一定论。但是已公认的特征有下列特点：具有一定的几何 形体；是产品信息的携带者；具有工程意义等，正如w i n g a r d 于1 9 9 1 年给出的定义：“特征是携带 某些工程信息的几何形体。川”1 由于特征融合几何和工程信息，所以基于特征的产品信息建模技术被 认为是解决c a d c a p p c a e c a m 集成化的有利手段。 特征技