基于三维实体造型的塑料异型材挤出机头CAD 系统.pdf

第19卷第5期 1998年9月 江 苏 理 工 大 学 学 报 Journal of Jiangsu U niversity of Science and Technology Vol119 No15 Sep 1998 基于三维实体造型的塑料异型材 挤出机头CAD系统 杨 超 君 摘 要 在全面分析总结塑料异型材挤出机头设计过程的基础上 探讨挤出机 头的几何造型 并通过C语言对A utoCAD R12 0 forW indow s进行二次开发 实现 ADS对AM E A P I的编程控制 研制了基于三维实体造型的挤出机头CAD系统 关键词 塑料型材 塑料模具 计算机辅助设计 几何造型 中图分类号 TQ 320 663 塑料工业中 挤出成型制品占塑料制品总产量的三分之一以上 其中异型材制品作为挤出 成型制品的一大分支 被广泛应用于建筑材料 家具 电工和装饰材料等方面 塑料异型材的挤出模具一般包括机头和定型模两部分 而机头是挤出成型得以实现的关 键 挤出机头各组成部分的结构和尺寸不仅取决于制品种类和形状 生产方式与工艺要求 还 取决于聚合物熔体的流变特性 所以异型材挤出机头形状往往较为复杂 使用传统的手工设计 和加工方法常常需要经过反复试模 修模才能使用 机头质量难以保证和稳定 生产率低下 成 本难以降低 这样的生产状况限制了异型材制品的进一步发展 随着计算机技术的迅速发展 和推广应用 挤出机头的科学设计成为可能 塑料异型材挤出机头CAD为解决复杂的机头流 道的理论分析和设计提供了有效途径 1 系统的总体方案 1 1 基于三维实体模型的设计 在塑料异型材挤出机头中 机头的型腔 型芯是根据异型材制品零件的形状设计的 所以 在进行计算机辅助设计时 首先要建立异型材制品几何模型 其次由于机头形状的显示 输出 机头形状的分析 机头的制造等均以几何模型为基础 所以要建立挤出机头的几何模型 鉴于 塑料异型材挤出机头形状结构的复杂性和分析处理的需要 以及实体模型具有完整性 无二义 性 可精确描述立体的实体物质特性的特点 在机头的形状描述中考虑采用三维实体造型 塑料异型材挤出机头的三维实体造型可在A utoCAD R12 0的基础上 利用其中的AM E 三维造型功能来实现 AM E模块中提供了立方体 圆柱体 圆环体 球体 锥体 楔块等六种基 收稿日期 1998204220 杨超君 江苏理工大学机械设计工程学院 镇江市 212013 1995 2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 本的三维实心体形状 由这些基本模块 通过并 交 差三种基本运算 就可构造出挤出机头的 各种复杂形状 另外 机头上有些形状还可通过拉伸和旋转二维的A utoCAD图元来生成 如前所述 异型材制品形状模型是挤出机头设计的依据 由于挤出成型生产的制品形状多 为连续体 用二维图形反映其形状不仅足够 而且简单明了 再考虑到塑件模型还必须容易建 立与挤出机头流道之间的联系 能够实现二维与三维之间的相互转化 因此选用A utoCAD R12 0的AM E2 1中新提供的面域造型方法实现 由于面域是一种可含空洞的封闭的二维图 形 可视为没有厚度的三维实心体的特例 即二维实心体 所以由此描述的塑件模型容易满足 上述要求 如面域可以通过拉伸 旋转生成实心体 实心体则可以通过剖切生成面域 塑件模型 的面域体素可以使用多义线 圆 弧 椭圆 多边形 宽线 圆环等通过实心体化构造 少数也由 实心体的某个剖面来构造 与三维实心体一样 塑料制品的最终形状可通过多个面域与面域之 间的并 交 差等布尔运算来生成 需要编辑时 可拉伸或旋转制品形状生成三维模型 再通过 倒角 倒圆等操作 就可形成逼真的制品形体 图1 挤出机头CAD系统的流程框图 挤出机头选用三维实心体描述 其优点归 纳起来主要有以下几方面 在机头的设计过程 中 能随时观察设计对象的全貌 并可剖切三维 图形来观察其内部结构和装配情况 协调内部 结构和外部形状的关系 由三维模型通过投影 剖切等操作可以很容易地生成相一致的各个方 向的视图及剖视图 即工程上的三视图 便于对 机头和制品进行分析 也可利用光照渲染产生 机头的光照模型用以代替实物制作和样机生 产 还可直接用于CAM产生数控程序 容易实 现CAD CAM过程一体化 1 2 系统流程 总结异型材挤出机头设计全过程 结合计 算机设计特点 将机头CAD流程用图1表示 由上可见 开发挤出机头CAD系统包含 许多内容 为便于系统的控制和操作 也为了便 于系统的扩充和维修 实施时将其分成八大主 要模块 塑件模型 口模模型 流道模型 流动分 析 技术设计 机头设计 图纸生成 为便于系统 文件的管理 还设置了文件管理系统 2 各主要模块功能实现简介 2 1 塑件模型模块 塑料异型材挤出机头的设计显然应从异型材截面图形输入开始 塑件模型的建立对机头 92第5期杨超君 基于三维实体造型的塑料异型材挤出机头CAD系统 1995 2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 的设计制造起着决定性的作用 首先 利用塑件模型可进行塑件性能的预测研究 检验模型是 否正确 其次 利用模型可生成机头的型腔型芯 由于塑料制品在挤出成型过程中会受到挤出 时物料膨胀 冷却时物料收缩 牵引时拉伸等因素的影响 所以将该模型乘上塑件材料的收缩 放大综合系数 就可得到缩放了的口模模型 再将其分割成型芯型腔两部分 由此可设计出机 头的流道模型 第三 利用该模型可产生塑件制品的二维工程图 由于异型材制品形状千差万别 几乎没有一定规律 要完整而简明地描述其信息是相当困 难的 为了解决上述的信息描述问题 考虑到异型材挤出机头流道均可根据狭缝流道公式设 计 因而将任何形状的异型材制品形状都看成是若干简单的基本几何形体的组合 这样任一制 品形状可分解成若干子零件分别进行信息描述 所以问题的关键便是基本子零件的信息描述 以及它们之间的相互位置关系的正确处理 由于利用A utoCAD R12 0软件建立各个子零件 的面域体素是很容易实现的 绘制制品图形时只要保证输入的各子零件的形状及位置关系与 图纸或实物上所要求的一致 通过布尔运算组合后的最终面域 制品形状 就与图纸或实物完 全一致 不会产生零件信息的分割和不完整 2 2 口模模型模块 该模块的任务是根据塑件模型生成机头成型部分的径向形状尺寸 机头口模设计是根据 产品的形状来进行的 所以先调入制品的面域图形 根据型腔 型芯尺寸与塑件存在的缩放关 系便可得到口模截面 再将该面域简化成外环和内环 经分解后再拉伸 便可生成流道的三维 图形 无论生成制品图的过程如何复杂 经面域简化操作后 就能形成内外环的结构形式 2 3 流道模型模块 在机头的设计中 流道设计至关重要 它是塑料熔体流动的通道 熔体流动是否均匀直接 影响着制品成型质量 而流道中的成型部分更是关键 由于流道成型部分的型腔 型芯形状是 由口模模型分解后拉伸得到的 所以成型部分的设计主要是确定出合理的成型段长度 再通过 理论计算或经验设计出流道的其他部分 压缩部分 分流部分 扩展部分及入口部分 形成流道 的最终形状 同时生成型腔 型芯形状 由于机头流道是机头的主体 机头的外形也是基于机头流道设计的 本系统在进行挤出机 头的设计时 将机头的流道作为一个独立的模块 机头的外形作为与之相关的图形库调用 这 样考虑的优点有两个 一是便于机头设计的整体性考虑 二是将流道作为一个整体 有利于后 一阶段的流体流动分析 214 流道分析模块 建立流道的三维模型后 流道是否合理还必须进行机头流道的流变学分析 流道分析模块 就是针对流道中两个重要部分 成型段和压缩段 用计算机进行流动均匀性分析 并计算确定 该两部分的压力降 流动分析时则以粘度 密度等塑料的材料数据 机头温度 挤出压力 挤出 速率等成型条件数据 以及机头成型部分的流道形状和尺寸等机头数据为基础 03江 苏 理 工 大 学 学 报1998年9月 1995 2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 2 5 技术设计模块 该模块主要计算机头强度 分流支架强度 螺栓联接强度等 确定挤出机的规格等 2 6 机头设计模块 考虑到挤出机头的外形虽随着机头流道形状的变化而有所不同 但仍有一定的规律可循 所以机头外形采用参数化绘图设计的方法建立其参数化图形库 这将有利于今后挤出机头的 标准化 模块化 机头外形生成时 只需输入参数化程序必要的主参数 系统将调用数据文件 调出其它参数 并由此计算所需的未知参数 得到相对应的机头外形模型 设计成图形库的各 机头外形再与流道形状通过布尔运算生成完整的机头形状 考虑机头的强度和加工方法 确定 机头形状是否合理 机头上的各个零部件通过组装而生成机头的装配图 在生成实心体装配图时不能用 W block和Insert命令插入实心体图形 否则会导致实心体句柄错误 本系统编制了图形插入 模块 用于生成复杂的实心体装配图 2 7 图纸生成模块 各个图形必须生成工程图纸才可供厂方使用 为了使生成的剖面图与工程制图要求相一 致 其剖面图经过切割 投影 生成剖面等多步操作后才能得到 2 8 图形文件管理模块 本模块实现对图形文件的管理和维护 其功能主要是建立库文件 对图形进行存档 修改 删除和查询 将图形文件存档是在创建的图形数据库文件中逐一输入记录 修改图形文件是对 输入的图形进行修改 删除是删除数据库中的某条记录 每个图形文件均有五个属性 图号 图 名 作者 日期和文件名称 对删除与否用一标志位表示 若标志位为零 则表示已删除 否则表 示存在 查询是根据用户所给字段给出所满足要求的记录 3 系统开发环境 系统采用C语言对A utoCAD R12 0进行二次开发而成 即采用在A utoCAD环境下的 ADS方法 ADS A utoCAD Development System 是一个基于C语言的开发工具 具有较强的 二次开发功能 由ADS编写的程序通过编译连接后 生成可执行文件的运行速度快 程序效率 高 程序移植性 保密性好 而且通过ADS编程还可实现参数化绘图 有利于机头设计的系列 化 总之 利用A utoCAD C语言开发系统进行机头的计算机辅助设计 充分发挥了C语言和 A utoCAD各自优点 使得系统既具有方便的图形交互 编辑功能 又具有参数化作图功能 减 少繁琐工作 同时又具备灵活的特性 由于挤出机头设计选用的是三维实体造型 所以系统在 图形描述时采用了A utoCAD中高级造型扩展AM E模块建立三维实心体造型 即实现ADS 对AM E A P I的编程控制 使用ADSAM E A P I函数编程的最大优点是它位于后台操作 看不 到实体生成的每一个细节 可以加快应用程序的运行速度 另外 整个系统采用模块化结构 这 13第5期杨超君 基于三维实体造型的塑料异型材挤出机头CAD系统 1995 2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 样便于修改和扩充 如要加入新功能 只要单独编入新的模块 不需修改其它模块 系统的开发需要相应软件和硬件支持 该系统的主要开发环境如下 A utoCAD R12 0 forW indow s及ADS AM E A P I开发环境 C语言 486以上微机 16 M 内存以上 4 挤出机头CAD实例 笔者和镇江某厂合作 以硬聚氯乙烯落水管 见图 2 为对象 进行塑料异型材挤出机头 CAD系统的研究 主要完成下列工作 1 制品的形状描述方法 建立典型异型材制品图形库 2 建立机头的三维图形库 实现型芯 型腔自动分型 3 进行挤出机头的流变学分析 4 生成并输出机头的全套工程图纸 生成后的三维和二维装配图见图3 图4 图2 异型材制品图图3 三维装配图 图4 二维装配图 5 结 束 语 目前 国内的大多数模具CAD系统均是基于二维设计的 本系统在异型材挤出机头的几 何造型方面采用三维实心体造型技术设计 这是一次有意义的尝试 也是符合国内外模具 23江 苏 理 工 大 学 学 报1998年9月 1995 2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved CAD技术的发展趋势的 通过本系统的开发研究 得到以下结论 1 塑料异型材挤出机头采用高级的三维实心体造型技术设计 塑料制品采用面域造型 技术描述 是先进的 可行的 2 系统是以A utoCAD R12 0 forW indow s为基础进行二次开发 有利于产品的系列 化 标准化 也有利于系统的维护和扩充 3 采用可变程对话框进行数据输入输出 操作方便 为用户提供了良好的操作界面 4 机头流道与机头外形采用分离式设计 有利于对机头流道的分析 5 本设计为工厂设计人员提供了一种新的异型材挤出机头设计方法 大大缩短了产品 的开发周期 提高了企业的经济效益 参 考 文 献 1 刁树森 塑料挤出模具设计和制造 黑龙江 黑龙江科学技术出版社 1987 2 台 林龙震 A utoCAD R12 0窗口设计技巧与ADS程序设计参考 北京 清华大学出版社 1994 3 王晓枫等 塑料异型材模具CAD系统研究 塑料异型材 1993 10 42 44 4 甘登岱等 A utoCAD 12 0使用大全 北京 学苑出版社 1993 A CAD System of the Plastics P