（机械制造及其自动化专业论文）注塑模具cad型腔布局及流道系统的研究与开发.pdf

捅要 摘要 随着塑料性能的改进及模具技术的不断发展 越来越多的产品为塑料制品 所取代 为了提高模具设计效率及塑件制品的质量 更多的理论和设计方法被 引入到注塑模具设计中 使传统的注塑模具设计方式发生了根本性的转变 智 能化 自动化设计技术成为注塑模具c a d 发展的主要方向 本课题对当前应用广泛的智能专家决策方法进行了研究 将专家系统技术 引入到模具设计中 开发了注塑模具c a d 系统 本文在以前开发的注塑模具 c a d 系统基础上 重点研究和开发了基于规则推理的型腔布局系统及流道系 统 进一步推进了注塑模具设计的智能化和自动化水平 本文第四章总结了注塑模具型腔布局知识 根据型腔布局原则及制约因 素 提出了多因素影响下的型腔数目确定方法 基于规则推理的型腔布局设计 方法 型腔布局方案及评价方法 建立了型腔布局知识库 实现了基于规则推 理的型腔布局系统设计 本文第五章总结了流道系统主流道 分流道 浇口类型的结构形式及其尺 寸参数计算方法 建立了流道系统知识库和模型库 提出了流道系统的规则推 理方法 实现了基于规则推理的两板模侧浇口式流道系统设计 此外 本文还对注塑模具c a d 系统的框架结构 设计流程进行了较大调 整 完善了注塑模具结构设计的自动定位与装配功能 研究了顶杆脱模机构中 顶杆布局方案和布局方法 讨论了注塑模具零部件中各种槽腔特征的分类及其 创建方法 实现了槽腔特征的自动创建 关键词注塑模具 c a d 型腔布局 流道系统 规则推理 山东大学硕十学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei m p r o v e m e n to fp l a s t i cp e r f o r m a n c ea n dt h ed e v e l o p m e n to f m o l dt e c h n o l o g y m o r ea n dm o r ep r o d u c t sa r es u b s t i t u t e db yp l a s t i cp r o d u c t s i n o r d e rt oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo fi n j e c t i o nm o l dd e s i g na n dt h eq u a l i t yo fp l a s t i c p r o d u c t s m o r et h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e sa r ei n t r o d u c e di n t ot h ei n j e c t i o nm o l d d e s i g n t h e r eh a sb e e naf u n d a m e n t a lc h a n g ei nt h et r a d i t i o n a lm o l dd e s i g n m e t h o d s t h ei n t e l l e c t u a l i z e da n da u t o m a t e dt e c h n o l o g yb e c o m e sa ni m p o r t a n t d e v e l o p m e n td i r e c t i o no fi n j e c t i o nm o l dc a d t h et h e s i sr e s e a r c h e st h ei n t e l l i g e n te x p e gd e c i s i o ns y s t e m s a ni n j e c t i o n m o l dc a d s y s t e mi sd e v e l o p e dw h i c he x p e r ts y s t e mt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di n t o t h et h e s i sr e s e a r c h e sa n dd e v e l o p e st h ec a v i t y l a y o u ta n dr u n n e rs y s t e mo f i n j e c t i o n m o l dc a db a s e do nr u l er e a s o n i n gi np a r t i c u l a ra n dr e a l i z e st h e i n t e l l e c t u a l i z a t i o na n da u t o m a t i o no f i n je c t i o nm o l dd e s i g n i nt h ef o u r t hc h a p t e r t h et h e s i ss u m m a r i z e st h ek n o w l e d g ea b o u tt h ec a v i t yl a y o u t o fi n j e c t i o nm o l d p r o p o s e st h em e t h o dt h a td e t e r m i n e st h en u m b e ro fc a v i t yw i t l l m u l t i f a c t o ri n f l u e n c ea c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e sa n dc o n s t r a i n t so fc a v i t yl a y o u t t h e t h e w se s t a b l i s h e st h ek n o w l e d g el i b r a r yo f c a v i t yl a y o u t p r o p o s e sc a v i t yl a y o u t m e t h o d sb a s e do nr u l er e a s o n i n g c a v i t yl a y o u tm o d e sa n de v a l u a t i o nc r i t e r i o n s i nt h ef i f t hc h a p t e r t h et h e s i ss u m m a r i z e st h es t r u c t u r a lt y p e sa n dp a r a m e t e r c a l c u l a t i o nm e t h o d so fas p r u e r u n n e r sa n dg a t e s e s t a b l i s h e st h ek n o w l e d g e l i b r a r y g r a p h i cm o d e ll i b r a r ya n dr u l e b a s e dr e a s o n i n g r b r m e t h o d so fr u n n e r s y s t e ma n dr e a l i z e st h er u n n e rs y s t e md e s i g nb a s e do nr u l er e a s o n i n g i na d d i t i o n t h et h e s i sa l s oc a r r i e so nag r e a ta d j u s t m e n tf o rt h es y s t e m sf r a m e c o n s t r u c t i o na n dd e s i g np r o c e s s p e r f e c t st h ei n j e c t i o nm o l ds t r u c t u r a ld e s i g n s a u t o m a t i cp o s i t i o n i n ga n da s s e m b l y r e s e a r c h e se je c t o rp i n s l a y o u tt y p e sa n d m e t h o d si nt h ee j e c t o rm e c h a n i s m d i s c u s s e sc a v i t yf e a t u r ec l a s s i f i c a t i o na n d c r e a t i o nm e t h o d si nt h ei n j e c t i o nm o l dc o m p o n e n t s r e a l i z i n ga u t o m a t i cc r e a t i o no f c a v i t yf e a t u r e s 1 1 a b s t r a c t k e yw o r d si n je c t i o nm o l d c a d c a v i t yl a y o u t r u n n e rs y s t e m r b r i i i 山东大学硕十学位论文 i v 符号说明 q 生产量 件 2 4 小时 s 制品的最大成型周期 s 锁模力 n 见 型腔内熔体的平均压力 m p a g 注射机的公称注射l e m 3 单腔模注射时 塑件可能达到的最大尺寸公差 m m f 注射成型周期 s 曰 许用流程比 酽一材料的弹性模量 m p a 盯 材料压应力 m p a 吒 材料的屈服强度 m p a 岛 顶出机构的顶出行程 m m 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科研成果 对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体 均己在文中以明确方式标明 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 堇 i 焦 日期 2 丝墨 竖 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留 使用学位论文的规定 同意 学校保留或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 本人授权山东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 缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 蔓i 援导师签觌 逖 侈 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 模具工业在国民经济中的地位 塑料工业是世界上增长最快的工业之一 自1 9 2 7 年聚氯乙烯塑料问世以来 随着高分子化学技术的发展 各种性能的塑料 特别是聚酰胺 聚甲醛 a b s 聚碳酸酯等工程塑料发展迅速 其速度超过了聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯和聚苯 乙烯四种通用塑料 使塑料在工业产品与生活用品方面得到了广泛应用 以塑料 替代金属的实例比比皆是 随着高分子合成技术 材料改性技术及成型工艺的进 步 愈来愈多的具有优异性能的塑料高分子材料不断涌现 促使塑料工业飞速发 展 目前 塑件应用已经深入到国民经济的各个部门中 特别是在办公机器 摄 像器材 航空 汽车 通信 轻工 建材产品 日用品以及家用电器行业中 零 部件塑料化的趋势不断加强 甚至出现了全塑产品 模具在产品制造过程中占有重要地位 模具设计水平的高低在很大程度上 决定了生产率的高低 由于采用模具生产零部件具有生产效率高 质量好 成 本低等一系列优点 模具的使用范围日益广泛 已经成为现代工业生产的重要 工艺装备和发展方向 有效的模具设计可以降低资源调整次数和调整时间 为 生产计划与调度提供更大的优化空间 以达到提高生产效率的目的 模具生产 的工艺水平及科技含量的高低已成为衡量一个国家科技与产品制造水平的重 要标志 在很大程度上决定着产品的质量 效益和新产品的开发能力 决定着 一个国家制造业的国际竞争力1 2 我国模具工业的发展速度很快 如今 我国塑料工业已经形成了相当规模 的完整体系 包括塑料的生产 成型加工 塑料机械设备 模具加工及科研 人才培养等 3 1 我国模具行业 十一五 头3 年模具工业产值年均增长率为 1 7 1 2 0 0 3 年全国模具总产值达至1 j 4 5 0 亿元 2 0 0 5 年总销售额超过6 1 0 亿元 从近3 年的发展情况来看 我国模具市场发展前景十分乐观 按年均增长率1 5 推算 2 0 1 0 年全国模具总产值将达到1 2 0 0 亿元 2 0 2 0 年将达到3 1 0 0 亿元 经过 l o 年努力 至l j 2 0 1 0 年我国模具制造水平将进入亚洲先进水平行列 再经过1 0 年努力 2 0 2 0 年基本达到国际先进水平 届时 我国不但成为模具生产大国 而且进入世界模具生产制造强国之y l j 4 5 山东大学硕十学何论文 注塑模具技术因其生产效率高 产品质量好 材料消耗少 生产成本低而 获得广泛应用 我国的塑料模具工业特别是注塑模具工业的发展更是迅速 现 今 注塑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 产 品更新换代加快 对产品质量 样式和外观也不断提出新要求 使注塑模具需 求量增加 对注塑模具质量要求也越来越高 同时力求缩短注塑模具的设计和 生产周期 注塑模具技术直接影响着制造业的发展 产品更新换代和企业竞争 力 因此 众多的注塑模具设计生产企业正在积极采用新技术 新方法 力争 在产品功能 交货日期 模具质量 价格 售后服务 可持续发展等方面获得 竞争优势 模具c a d c a e c a m 技术是模具技术发展的一个重要里程碑 实践证明 模具c a d c a e c a m 技术已经成为模具设计制造的发展方向 它能够以直观的 计算机图形方式提供装配 分析和加工方面的模拟 可显著地提高模具设计制 造水平和效率 减少模具设计中的主观错误 试模和修模的次数和时间 从而 大大缩短注塑模具生产周期 目前国内外高等院校 科研单位以及模具设计制造企业都在对模具技术进 行深入的研究和开发 新的技术不断得到应用与发展 6 1 1 2 注塑模具c a d 技术的发展状况 1 2 1 注塑模具c a d 软件开发状况 模具c a d 技术是一项重要的模具先进制造技术 是一项用高技术改造模 具传统技术的关键技术 随着模具设计制造水平的不断提高 注塑模c a d 技 术发展相当迅速 注塑模c a d 技术在不断进行理论和实践研究的同时 一些 高水平的商品软件不断推出 并在推广和实际应用中不断改进 提高和完善 我国在注塑模c a d 技术研究 开发及应用方面起步较晚 从2 0 世纪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注塑模c a d 系统 同时 一些高校和科研院所也开始了注塑模c a d 技术的研究与开发工 作 1 国外在注塑模c a d 技术研究与开发方面比较有代表性的研究及软件系 2 第1 苹绪论 统有 1 美国u g s 公 u n i g r a p h i c ss o l u t i o n sc o r p o r a t i o n 的u g 系列软件中m o l d w i z a r d 模块是注塑模具自动设计的专业应用模块 按照注塑模具设计过程的一般 顺序来模拟模具设计的整个过程实现模具设计 还能结合应用u g 软件的其它应用 模块来拓展其功能 设计出复杂程度较高的模到 7 2 美 雪p t c 公 p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n 的p r o e 系列软件提供 了一系列模具设计模块 p r o c a s t i n g 铸造模具设计 p r o m o l d e s i g n 注塑模 压铸 模 锻模设计 p r o d i e f a c e 冲压模设计 e m x 模架专家库 e x p e r tm o l db a s e e x t e n s i o n 注塑模具流动分析功能包 m o l df i l l i n gs i m u l a t i o no p t i o n 等 可帮助用 户很好的完成各种复杂模具的设计 3 3 s o l i d w o r k s 公司推出的i m o l d 插件提供给注塑模具设计者一系列必 要的工具 包括设计方案管理 模具设计过程 模具加工和模具装配的整个过 程处理 可以在交互状态下对不同类型的制品进行模具设计 于2 0 0 7 年随 s o l i d w o r k s 2 0 0 8 推出了i m o l dv 8 版本 9 4 美国康奈尔大学王国金教授早在2 0 世纪7 0 年代就开始了注射成型研 究计划 c o r n e l li n j e c t i o nm o l d i n gp r o g r a m c i m p 先后进行了一维流道流动的 实验研究和数值模拟 塑料性能的实验研究和数据库的建立 注塑成型过程的 三维流动 冷却分析 并开发了用于注塑模c a d 的三维造型系统 l0 1 此外 c a t i a i d e a s s o l i de d g e 等著名的三维造型软件也开发了相应 的注塑模具设计模块 还有以色列c i m a t r o n 公司的模具设计和制造系统q u i c k 美国和意大利的p l a s t i c s c o m p u t e ri n c 公司的t m c o n c e p t 专家系统 英国 d e l c a m 公司的塑料模设计和制造系统p s m o l d m a k e r 法国m i s s l e l s o f t w a r e 公司 的注射模专用软件t o p m o l d 和 日本u n i s y s 株式会社的塑料模设计和制造系 统c a d c e u s 等 2 国内在注塑模c a d 技术研究与开发方面较具代表性的成果有 1 华中科技大学早在2 0 世纪8 0 年代中期 就在注塑模流动分析模拟和 冷却分析模拟方面进行了深入的研究与开发工作 并推出了注塑模 c a d c a e c a m 系统 2 0 0 5 年推出了具有国际先进水平的商品化塑料注塑成型 集成化仿真系统h s c a e6 1 0 该系统包括塑件模型输入 流动分析 冷却分 析 型腔强度和刚度校核以及模具结构的参数化设计等功能 1 2 3 山东大学硕十学能论文 2 上海交通大学国家模具c a d 工程研究中心在国内较早地在k b e 领域 开展了研究与开发工作 以p r o e 为平翕构建了基予模型推理的 m b r 智能注塑 模具设计系统 并与美国u g s 公司合作开展注塑模k b e 领域的开发 1 3 3 浙江大学构建了基于特征技术的注塑模其型腔设计制造系统 该系统 采用特征造型技术构造产品模型 使形状特征表达与工艺信息描述相统一 并 利用特征反转映射实现了型腔模型的快速生成f 1 4 4 c a x a 是北京航空航天大学一华歪软件工程研究所开发的系列软件 其 c a x a 注塑模具设计师 模块提供7 注塑模标准模架库和零件库及塑件材料 模 具材料和注塑机等设计参数库 可快速检索查询 并能自动计算和校核模具各零 件尺寸湖 5 郑州大学国家橡塑模具工程中心于2 0 0 0 年推出了注塑模计箨机辅助工 分析软件 z m o l d 2 0 0 0 主要致力予注塑成型过程数值模拟 冷却过程数值模 拟f 1 6 1 总体来说 我国注塑模具c a d 技术水平还处于高技术集成向商品化 产业化 过渡的时期 虽然研究成果较多 但是大多以国外大型的c a d 软件为平台进行二 次开发 研制的软件在可靠性 实用性和稳定性方面与营外商品优的模具c a d 软 件相比尚有一定差距 还没有形成具有一定影响力的商品化 实用化的软件产业 1 2 2 设计方法和理论研究状况 自注塑成型技术产生以来 注塑模具的设计方法和理论一直是研究的重 点 新技术的不断弓 入 在各方面都取得了突出的成果 1 注塑模具c a d 技术的研究状况 注塑模具c a d 技术的研究非常广泛 除了上述模具c a d 设计系统外 许多 科研院所和企业根据实际需要研究开发了专用的模具设计系统 这些系统主要 集中于注塑模架库 通用零部件库和标准件库的研究与开发 模具零件特征识 别与重构的研究 模具型腔设计系统的研究与模拟 流道系统的研究 冷却系 统的研究等方面 籽捌 此外对于塑件材料性能数据库的研究也比较广泛和成熟 2 2 1 这些研究主要是对注塑模具c a d 部分设计技术的研究 并以目前流行的 c a d 软件如u g p r o e c a t i a a u t o c a d 等为平台进行二次开发 对于模具c a d 设计过程的研究以上海交大模具所 华中科技大学李德群教授 郑州大学牵长 4 第1 章绪论 雨教授等团队的工作最为突出 他们均建立了各自的注塑模具c a d 系统 3 2 3 1 2 专家系统知识在模具设计中的应用状况 2 0 世纪8 0 年代以来专家系统 e x p e r ts y s t e m e s 的发展十分迅速 使人 工智能从学科研究走向实际应用 前述几个典型商品化c a d 系统中的注塑模 具辅助设计系统 虽然包含了模具设计的各个过程 具有一定的模型管理功能 可以帮助模具设计人员较快地完成模具设计 但是它们仍然只是一个建模工 具 仅减少了设计人员的模型绘制工作量 在涉及到具体的模具设计方案和结 构设计时 仍然需要模具设计人员查阅大量的资料 进行常规的计算 对模具 设计者的经验要求依然很高 专家系统知识的引入在一定程度上缓解了模具设 计对设计人员设计经验的依赖 随着计算机科学技术和人工智能技术的发展 基于知识的智能系统在工 业 农业 军事等领域得到广泛应用 人们希望它们能够在更多的领域内 有 效地解决更加复杂的问题 2 4 2 5 作为人工智能的一个分支 知识库系统逐渐发 展起来并受到人们的高度重视 它一方面集成了知识表示 知识获取 问题求 解等人工智能领域的最新成果 另一方面它又与数据库紧密相关 知识库系统 的研究始终受到高度重视 我国8 6 3 高科技计划项目始终把知识库系统研究作 为一个重要部分 美国国防部自1 9 9 7 年开始组织实施h p k b h i g hp e r f o r m a n c e k n o w l e d g eb a s e 重大研究项目 参加该项研究的有s t a n f o r d m i t c m u 等著 名高校和研究机构 对于知识的表达 人们提出了基于关系的知识表示 面向 对象的知识表示 基于规则的知识表示 基于模型的知识表示等方法 对于知 识的获取 人们引入了归纳符号学习 人工神经网络等方法 国内众多的科研院所也开展了许多研究工作 这些工作主要集中在基于知 识的设计方法上 基于知识工程 基于规则推理和基于事例的推理技术被广泛 研究 其中基于事例推理和基于规则推理的产品设计技术应用最为成熟 也最 为广泛的知识工程技术之一 同济大学汽车工程系研发的基于知识工程的变速箱设计专家系统 运用知 识工程技术提出了变速箱内各零件的改进方案 2 6 1 上海交大针对电梯设计 应 用知识工程技术开发了智能设计系统 2 7 1 浙江大学应用知识工程技术开发了车 灯注塑模具型腔设计原型系统 2 引 倪志伟等人在基于事例推理技术 知识库发 现 事例库维护 权重调整 神经网络等各方面都有研究 2 9 3 3 在模具设计中 5 l l f 东大学硕十学俺论文 l i 一i i i i i i 篁蔓量 基于事倒推理技术也得到研究和应用 如贵州工业大学的尹健等人研究了注塑 模智能c a d 中基于事例推理技术 采用7 面向对象的事例表达方法和基予相 似度的检索方法 3 4 神经霜络重点在于模拟和实现人的认知过程中的感知过程 形象思维 分 布记忆和自学习自组织过程 对于c b r 系统 可以利用神经嬲络来建造 同时 可以利用神经网络提取出一般知识 利用自组织网络 在事例系统中发现相关 知识和相似性结构 同时也可以用神经网络来挖掘出特征项的权重 神经网络 在对事例的相似性比较和检索中具有很重要的作用 3 5 3 6 胡建军等提出了基于 神经网络的注塑模k b e 系统开发思想 并将其应用于摩托车注塑件模具的开发 设计中 3 7 施平等提出了基于神经溺络的注塑模具材料选择方法瑟鞠 粗糙集理论 r o u g hs e t r s 是波兰数学家z p a w l a k 于1 9 8 2 年首先提出 的一种分析数据的数学理论 该理论作为一种处理具有信息不确定 不精确 不完善系统的薪数学工具 广泛应用予机器学习 模式识别 专家系统 冲突 分析等领域 邓武 j i r a p o n dt a d r a t 等利用粗糙集理论对冲模属性进行重要性 判断和约简 提出了一种基于粗糙集理论的实例检索方法 3 9 4 0 1 事例推理还可以与其他技术相结合 3 5 4 1 4 5 如c b r 与模糊技术楣结合 c b r 与归纳技术相结合 c b r 与遗传算法相结合 c b r 与决策支持系统相结 合 c b r 与基于模型的方法相结合 c b r 与基于多a g e n t 协调的方法相结合 引入i n t e r n e t 技术还可建立互联网上的分布式c b r 系统 使褥系统更加实用 便于维护和更新 利用这些推理技术对数据库进行数据挖掘 完成事例的相似 度计算 事例检索 事例修改等功能 使推理结果更加准确与智能 如s k a l a k 用遗传算法来选定事例的特征权值 囊动生成事例检索结构 l 2 3 注塑模具c a d 技术的发展方向 模具技术集合了机械 电子 化学 光学 材料 计算机 精密监测和信 息网络等诸多学科 是一个综合性多学科的系统工程 模具技术的发展趋势主 要是模具产懿向着更大型 更精密 更复杂及更经济的方向发展 模具产晶的 技术含量不断提高 模具制造周期不断缩短 模具生产朝着信息化 无图化 精细化和自动化的方向发展 模具企业向着技术集成化 设备精良化 产品品 牌化 管理信息化和经营圜际化的方向发展 随着模具技术酶发展 注塑模c a d 6 第1 章绪论 技术也需要不断地发展 其发展方向主要体现在以下几个方面 1 1 4 6 4 8 1 模具设计专业化 随着模具工业的快速发展 近几年来世界各国的软件开发商投入了巨大的 人力和物力 针对各类模具的特点 将通用的c a d c a e c a m 系统改造为模具 行业专用的系统 并取得了较大成效 已投入使用的有美国u g s 公司的级进模 设计系统n x p d w 和塑料注射模设计系统m o l d w i z a r d 以色y u c i m a t r o n 公司的 模具设计和制造系统q u i c k 英国d e l c a m 公司的塑料模设计和制造系统 p s m o l d m a k e r 法国m i s s l e l s o f t w a r e 公司的注射模专用软件t o p m o l d 和级进模专 用软件t o p p r o g r e s s 日本u n i s y s 株式会社的塑料模设计和制造系统c a d c e u s 等 这些软件大都包含有种类齐全的材料库 模架库和标准件库 提供了功能 齐全的辅助设计功能 都能在统一的系统环境下 使用统一的数据库 完成特 定模具的设计 2 模具c a d c a e c a m 系统集成化 模具c a d c a e c a m 集成技术是改造传统模具生产方式的关键技术 是一 项高科技 高效益的系统工程 目前 国外一些软件开发商已能按实际生产过 程中的功能划分产品系列 在网络系统下实现c a d c a e c a m 的一体化 例如 英国d e l c a m 公司推出的c a d c a m 集成化系统d e 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 逆向工程 工业设计 工程制图 仿真分析 快速原型 数 据编程和测量分析等 系统的每个功能模块既可独立运行 又可通过数据接口 与其他系统兼容 并能按使用要求进行组合 以便形成专业化的 c a d c a e c a m 系统 做到了开放性 兼容性和专业化的统一 计算机集成制 造系统 c o m p u t e ri 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 c i m s 的研制及其在模具开 发方面的应用将模具设计 制造 生产管理以及经营决策等环节有机地结合成 一个整体 可以预计 模具c a d c a e c a m 系统在今后几年内将会逐步发展为 支持从设计 分析 加工和管理全过程的产品信息管理集成化系统 3 模具设计网络化 协同化 网络技术的发展为异地资源共享和协同设计提供了条件 通过互联网将分布 式的c a d 系统连接起来 实现异地资源和信息共享 随着互联网技术的发展 注 塑模具网络c a d 系统不再局限于企业内部 全球不同地域的设计人员可以相互协 作 共同完成某项产品的设计 网络化制造是企业软件 硬件资源和信息的高度 7 山东大学硕十学能论文 集成 这无疑有利予全球资源信息共享 并符合经济全球化的要求 4 模具设计智能化 在现阶段 模具设计和制造在很大程度上仍然依靠模具设计人员的经验 仅凭计算机的数值计算功能要完成诸如模具设计方案的选择 工艺参数与模具 结构的优化 成型缺陷的诊断以及模具成型性能的评价是不现实的 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 i 专家系统 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 技术的发展及其在模具设计领域的应用 为模具c a d 技术的发 展开辟了新的途径 新一代模具c a d c a e c a m 系统正在利用基于知识工程 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 技术进行脱胎换骨的改造 使模具设 计由传统的 被动 变为 主动 如u g i i 中所提供的人工智能模块k f k n o w l e d g ef u s i o n 利用k f 可将设计知识融入系统之中 以便进行图形的 识别与推理 华中科技大学模具技术困家重点实验室在国产注塑成型模拟软件 h s c a e 6 1 0 中成功地引入了人王智能技术 对于注射时闻 注射温度等具有连 续取值空间的参数 采用人工神经网络技术进行优化 对于分析结果的解释和 评价则采用基于规则推理的方法来处理 对分析结果进行综合和归纳的基础上 驱动专家系统进行推理 对成型方案进行评价并给出合理的建议 1 2 4 注塑模具c a d 存在的问题 模具c a d 系统在模具行业的广泛使用 大大提高了模具的设计效率 但 大多数模具制造企业仍然使用通用c a d 软件进行模具设计 专用注塑模具 c a d 软件以及智能注塑模具c a d 软件的应用并不多 除了技术原因外 主要 是由于模具c a d 软件本身不能满足企业的各方面要求 现有的注塑模具c a d 软件主要存在以下几个问题 重 模具c a d 引用标准的兼容性阀题 目前流行的通用c a d 软件大都集成了注塑模具c a d 模块 采用的标准均 为国外的模具设计标准 由于我国模具设计采用的标准不一 使得企业对注塑 模具c a d 软件的选择有限 很多企业只是使用了软件的绘图功能 造成了软 件瓷源的浪费 我国模具生产厂家之间没有形成统一的设计 制造规范 也为 标准的选用增加了困难 许多高校及科研单位的研究工作也主要在集中在模具 标准的研究与集成上 如在通用c a d 软件中集成材料性能数据库 标准模架 8 第1 苹绪论 库 标准件库等 2 自行开发的软件功能有限 目前大部分研究工作是对主流c a d 软件的二次开发 只有少数几家科研 机构有能力开发自己的软件平台 这些平台软件开发技术的不透明性 导致了 开发的模具c a d 软件功能有限 集成度不高 不能真正的发挥提高模具设计 水平和效率的作用 3 缺少专门化注塑模具c a d 软件 目前主流软件包含的模具设计功能提供了通用的模具设计方法 但是对于 某一企业来说 涉及的产品比较单一 为了提高设计的效率 需要针对本企业 特点的专门化注塑模具c a d 软件 这就要求要么所使用的软件具有较好的灵 活性 要么针对该企业开发专门设计软件 4 注塑模具c a d 软件智能化程度有待提高 现在国外比较成熟的注塑模具设计软件 仍然停留在计算机辅助设计的阶 段 专家系统的发展十分迅速 人工智能从学科研究走向实际应用 许多研究 机构也尝试将这一成果应用于模具设计 并取得了一定的成绩 如华中科技大 学开发的注塑成型模拟软件h s c a e 6 1 0 总体上来说 由于模具设计知识的 复杂性 不确定性 经验性知识较多 为其应用造成了困难 目前仍处于理论 研究阶段 并未得到广泛应用 尽管如此 智能化仍是注塑模具c a d 软件发 展的重要方向 1 3 注塑模具c a d 系统研究的意义及内容 1 3 1 课题研究的意义 针对目前注塑模具c a d 软件存在的自动化 智能化程度低 柔性差等问 题 本课题将深入研究人工智能技术在注塑模具c a d 中的应用 运用数据库 中存储的模具专家知识 经验进行推理 判断 决策 开发智能注塑模具c a d 系统 该系统与传统的手工设计和通用c a d 设计方法相比有着无法比拟的优 势 主要有以下几方面的优点 1 提高模具设计的智能化水平 减少对专家的依赖 人工智f l 皂 a i 专家系统 e s 和基于知识的系统 k b s 技术在模具设计领域 9 l l 东大学硕十学能论文 的应用 为模具c a d 技术的发展开辟了新的途径 建立在知识工程技术基础 上的注塑模具c a d 系统 存储有关模具设计的各类知识 系统通过推理机制 对知识库中的知识进行检索 归纳 帮助模具设计人员形成合理的模具设计方 案 优化设计参数 直至完成整套模具的设计 弥补模具设计人员模具设计知 识和经验的不足 2 加快模具设计速度 缩短产品开发周期 对于某些复杂的计算和推理 单凭入力无法胜任 必须借助于计算机 注 塑模具c a d 系统存储了注塑模具设计知识 建立了相应的知识库系统 推理 机使知识的检索和计算更加迅速 从而避免了人工检索信息和计算的繁琐操 作 实现了注塑模具的快速设计 3 完成模具设计知识的积累 增强系统的自学习能力 注塑模具c a d 系统允许用户通过知识库管理系统对知识库中的知识进行 增删和修改 随着设计实例的不断积累和设计方法的不断改进 知识库不断得 到更新 模具设计结果也更加准确 4 提高产品质量 降低成本 人工智能技术的引入使模具设计较少地依赖专家的经验知识 计算视的高 速运算和自动绘图功能也大大减少了设计人员的劳动量 优化设计减少了原材 料的浪费 使模具设计结构更加合理 直观的三维c a d 模型大大减少了产品一 试制的次数 从而为提高产品质量 降低成本提供了的支持 综上所述 智能注塑模具c a d 技术对注塑模具工业的发展起着举足轻重 的作用 已成为各研究梳构争相研究的对象 但是 智能化的注塑模具c a d 技术还处于理论研究阶段 还有待进一步开发出实用性较强的软件系统 l 3 2 注塑模具c a d 系统的主要研究内容 本课题研究的主要内容包括 1 深入研究三维造型软件的核心机理及二次开发技术 2 总结模吴设计知识和经验 建立注塑模具专家系统知识库 数据库及其 维护系统 3 建立实用 高效的模具结构设计推理机制 多种推理技术相结合 提高 推理的效率和准确度 1 0 第1 苹绪论 4 注塑模具c a d 系统方案设计 确定系统合理的设计流程 使系统高效 地完成模具设计 5 以s o l i d w o r k s 为平台 利用参数化驱动技术 建立注塑模具实体模型库 6 根据注塑模具设计方案 生成所需零部件的三维实体模型 自动装配零 部件 生成模具总装配体 实现模具结构的智能化 自动化设计 7 对模具结构和零件进行校核分析 以保证模具设计的合理性 8 对零部件及装配体进行加工工艺分析 生成工程图纸 1 4 本文的主要研究内容 经过前几届研究生的研究与开发 本系统已经基本实现了以s o l i d w o r k s 为平台的注塑模具结构设计 实现了简单的方案推理 布局设计 模架设计等 功能 可以指导模具设计人员完成模具设计的整个过程 但是 模具c a d 系统的开发同样是一项不断完善 不断提高的系统工程 模具设计知识需要不断积累 经验性知识难于准确表达 知识库还需要进一步 完善 推理机的研究仅限于基于规则的推理 而没有实现基于事例的推理 推 理机与知识库还没有完全建立连接 灵活性差 制约注塑模具c a d 系统开发 的瓶颈问题还有待系统地研究 针对目前注塑模具c a d 系统存在的问题 本文主要研究了以下内容 1 进一步研究了模具设计的发展状况 人工智能领域知识在模具设计中的 应用 总结了模具设计相关知识 2 完善了注塑模具c a d 系统规则库 数据库和模型库 扩充了型腔布局 系统知识库和流道系统知识库 3 进一步完善了基于规则的推理机制 提出了基于规则推理的型腔布局系 统和流道系统设计方法 4 采用草图驱动等技术 优化了模具装配体中零部件间的布局方式和自动 装配功能 5 重新调整了注塑模具c a d 系统的框架结构 优化了设计流程 完善了 各个设计模块的功能 增强了系统与用户的交互性 6 综合运用s o l i d w o r k s 各种特征建模功能完成了型芯和型腔件 顶针孔 l i 东大学硕十学位论文 嬲鼍鼍量量黑葛曼量量鼍黑粤量曼曼黑蔗曼曼曼甍嬲笆曼皇皇 鼍曼蔓皇邕i i l l 舞量曼曼篡嬲量量量曼黑鼍曼曼鼍冀黑置量 螺钉孔等槽腔特征的自动创建 1 5 本章小结 本章主要介绍了模具工业在国民经济中的地位 从注塑模具c a d 软件应 用和理论研究两方面综述了注塑模具c a d 技本发展的背景 现状及其发展趋 势 重点论述了人工智能技术在模具设计领域中的发展及其应用现状 指出了 当前注塑模具c a d 在发展过程中存在的问题 简要阐述了本课题研究的意义 当前进震的情琵以及本文研究的主要内容 1 2 第2 章智能注颦模具c a d 总体方案 第2 章智能注塑模具c a d 总体方案 当前模具制造业领域的竞争压力越来越大 企业要想保持竞争的优势 除了 需要在较短的时间内推出高质量 低成本的产品 并提供优质的服务以外 企业 还需要迅速积累大量的相关知识 模具结构设计是模具设计的重要环节 直接影响着模具和塑件的质量 成本 和生产周期 模具结构设计方案的确定是一个建立在模具设计人员丰富的实践经 验基础上的创造性过程 设计人员在长期的工作中积累的经验和知识对模具设计 起着十分重要的影响 这种知识的应用不仅是经验知识的再利用过程 更是在现 有经验知识基础上进一步积累创新的过程 4 9 1 专家系统的应用虽然解决了部分问题 但是在知识的获取 表示和管理以及 与c a x 系统的集成等方面还存在着明显不足 5 0 因此 有必要根据人工智能的理 论 从知识获取 知识表示 知识推理和知识管理等方面进一步拓宽专家系统的 内涵和外延 目前使用的c a d 技术虽己成为提高模具设计质量和效率的有效工具 但脱离了模具设计的领域知识 无疑将难以满足模具开发的高质量 短周期和低 成本的要求 因此 需要将传统的模具c a d 技术从计算机辅助绘图提升到计算机 辅助设计层次 实现知识的继承 繁衍 集成和管理 建立各领域异构知识系统 和多种描述形式的知识集成系统 并使系统获得一定的创新能力 2 1 注塑模具设计基本过程 在工业产品的生产中 应用模具的目的在于保证产品质量 提高生产率和 降低成本等 传统的模具设计需要遵循以下步骤 5 1 1 接受设计任务 注塑模具设计任务有两种类型 其一 给定经审定的塑件图样 按其技术 要求设计注塑成型模具 其二 给定塑件样品 测绘塑件图样并设计注塑成型 模具 2 分析原始资料 设计前 必须取得如下基本资料和数据 符合模具设计标准的塑件图样或塑 件 塑件的体积和重量 塑件材料品种牌号 塑件的成型工艺 注射机型号及其 1 3 山东大学硕十学何论文 参数 模具制造设备及其参数等 认真分析和消化这些原始资料和数据及其与成 型工艺和模具设计的关系 3 塑件基本参数的计算及注射机选用 根据塑件图样等要求 确定一副模具的型腔数目 计算单件塑件的体积 质 重 量 计算塑件浇注系统在分型面上的投影面积 计算必要的锁模力或成型 压力 初步选定注塑成型设备及其参数 4 模具结构的确定 根据塑件的成型工艺方案确定模具结构方案 包括确定分型面 确定型腔数 目及排列方式 确定模具成型零件结构形式 确定流道系统与排气系统的类型 脱模机构和拉料杆的结构形式 确定塑件侧向分型与抽芯机构的结构形式 确定 模具的加热和冷却方式 5 模具设计的有关计算 塑料注射模具设计中需要计算的内容如下 1 型腔和型芯工作尺寸的计算 2 流道系统相关参数的计算 3 型腔侧壁和动模挚板厚度的计算 4 斜导柱等侧向分型与抽芯机构相关的计算 5 顶出系统相关参数的计算 6 模具冷却或加热系统的相关计算 6 绘制模具结构草图 根据以上模具结构方案和相关参数 绘制模具的完整结构草图 确定模具零 部件主要结构尺寸 模具轮廓尺寸及其功能尺寸 如抽芯距 斜导柱或斜滑块角度 脱模行程等 在设计模具时 应尽量采用模具的标准组合结构和标准零部件 7 模具与成型工艺参数的校核 根据塑件的基本参数和所选成型设备的工艺参数 进行两者之间的适应性校 核 以最后调整和确定模具结构与成型工艺参数 8 绘制模具装配图 严格按照机械制图国家标准绘制模具装配图 模具的装配图应有足够说明结 构的投影视图和必要的剖面视图 能清楚地表达各零部件装配 紧固 定位 配 合等关系 1 4 第2 章智能注塑模具c a d 总体方案 9 绘制模具零件工作图 模具零件图是指绘制非标准的模具零件图 尤其是成型零件 国家标准零部 件不必绘制零件图 模具零件图的绘制应符合机械制图国家标准 绘制零件图时 应充分考虑加工工艺要求与实际生产的需要 1 0 全面审核并交付制造 模具装配图和零件图绘制完成后应进行全面的审核 尤其注意审核成型零件 及模具零部件间的配合关系 注意审核模具工作过程各零部件动作正常性与稳定 性 模具设计人员还应参加模具的加工制造