英文资料翻译基于 Windows 的 三维塑料注塑模具设计系统

基于 Windows 的 三维塑料注塑模具设计系统  摘要  三维实体建模革命 已经是 设计的主流。高端的三维实体造型系统已经在工程师工作站 ，大型航空航天，消费电子产品，汽车企业里 使用很多年 ， 还有 许多小公司，现在 做着 从工作站到 PC 机的转换 。 这样做的 原因之一是 为了达到 转变灵活 ，并且基于 Windows/NT 平台，软件开发人员 必须 开发 一种人们 能负担得起，而且易于使用 的 应用程序。高端用户发现，中程固体模型如 SolidWorks， 正 符合他们的需求。  SolidWorks 被选定 为用于处理 Windows 的设计环境平台， 它有 强大的装配 能力，易 与使用， 学习快速，以及实惠的价格。 Windows 的本地三维塑料注射模具设计系统已 被用于一种 通过 NT 接口的 Visual C + +代码的商业软件， SolidWorks 99 和 API 。该系统 为 设计师提供了一个互动式电脑辅助设计环境，这既可以加快模具设计过程， 又可以 促进 其 标准化。   关键词 ：注塑模具 ；  Windows；  CAD； 零件  1. 导言  塑料零件被广泛的使用在一系列大范围生产中 ，从消费产品到机械，汽车和航空飞机，注塑过程已被确认作为一个重要的制造工艺。模具设计过程 一般是 一种新产品发展 的关键 。传统 上 来看 ，模具设计一直是 非常 “莫名其妙 ”的艺术，在 成为 一个可以相对精通它 的人之前需要 积累 多年的经验。由于最初学习这种艺术 十分困难 ， 所以 越来越少的人 能 从在这领域 有经验和知识的专家 那里受益了 。要改变目前的状况， 其中一种方法就 是使用计算机辅助设计（  CAD ）系统。  CAD 作为日常 术语 已 具有 了 非常 广 的能力范围 ，并已应用 到一系列 领域， 从作 为学校教学 的教具 ， 到 三维机械设计。目前， 大多 CAD 系统只提供几何造型功能， 为草图绘制 模具设计 减小困难 ， 但 并没有 为 模具设计者提供必要的知识来设计铸模。因此，许多 “附加 ”的软件，例如：  IMOLD ，已 被 开发 为 高 水平的 3D 建模平台 用来减轻 模具设计过程 的困难 。这样的安排在许多方面 都是有利的 。 这种 三维建模平台提供 了 插 入 软件与 库 的 功能 ， 还有 作为一个既定的用户界面和风格的 设计 。其结果是，开发时间 因为 这些 “附加 ”而 大大减少。IMOLD （智能模具设计）   1 是一个基于 知识下的 ，运行在 综合绘图 SolidWorks 平台下的应用软件 ，并 实现了以 使用用户 为条件的 功能。它可 用于 Unix 和 Windows 操作 系统。多年来，模具设计工程师必须处理两个不同的系统， UNIX 和 PC。 前者是广泛应用在工程中 ，而后者主要用于中小型企业。  工程师们还需要 将它 运行 于 企业 中 ，例如办公室 中的 文字处理，电子表格和项目管理工具，但这些 并 不是 UNIX 的 工作 范围 。  幸运的是， 随着 计算机技术 的 显着发展 ， 在过去十年中已提供了一种方法来改变这种状况。最显着的变化 是在 计算机硬件 区域 ，即实际的电子部分与数据处理，信息存储和显示技术，速度 和 记忆 两方面 。这些都 使我们能 更有效地利用固体建模功能 在 PC机的 CAD / CAM 系统。随着提供更多的先进低成本的软件于 Windows ，越来越多的 工程师开始 使用 PC 去完成他们的工作 。因此，开发新的 基于 Windows 平台上 的 模具设计应用 软件已经 有很高的需求。高端用户发现，中程固体模型，如 SolidWorks， 正 符合他们的需求。从开始作为一个本地的 Windows 应用程序， 如今 SolidWorks 已成为 Windows 下的 一个 3D 机械设计软件。其独特的综合生产 水平 ，易用性和经济性是无与伦比的。 SolidWorks 99，第七次公司 主要发布的机械设计软件用于 Windows NT ， Windows 98 和超越提供 的平台，它是将 更多的功能集成于一个集成 模块 的固体建模 软件 。 常用的 ，如点击，拖放，剪切和粘贴，数据共享与其他导致 其 生产收益 的 Windows 软件。 其 易用性 和廉价性可以在 没有广泛 进行培训的 公司 使用并 能够安装系统透射电镜 在 每一个工程师的桌面上。它 其中 一个应用 是在 模具设计中的塑料工业。这一最新的应用程序技术 为 模具设计过程增添了一个全新的层面。  2. 注塑模具设计  注塑 模具 使用温度依赖性变化 的 材料特性，通过使用铸模以获 得 最终形状的 零散 部分完成或接近完成 的产品 。在这种类型的制造过程中，液体材料 被用来 填 充 和 塑造 内腔 造型 2 。  首先，建立一个模型需要模具设计模型和 载方 块。设计模 型 代表成品，而载方块代表模具组件 的总量 。  注塑模具 设计涉及 有关 结构和功的组成部分模具 的 广泛经验知识（启发式知识）。一个新的模具开发典型过程可分为四个 主要 阶段：产品设计，模具的能力评估， 细节零件 设计，凸、凹模 设计 以及 模具 细节 设计。  最开始 ， 一个 产品 的观 念是一些人 齐心协力想出的 （通常是 结合 营销和工程）。 开始的 主要重点是分析市场机会和 拟定合适的 战略。在第一阶段 ，首先了解与 进程相关的制造业的信息，然后设计制作详细的几何 参数 。 设计 的概念 是 转化为采用适当的生产信息制造。第二阶段在脱模方向和分型线的位置添加检查 模具的能力 。否则， 零件的 形状 将被 再次修改。第三阶段，部分几何 参数 是用来建立模具 的型芯 和 型 腔， 以 用于构成 零件 。一般收缩和 膨胀 需要被 考虑以便模具在高温处理时形成正确的尺寸和形状 。 浇道，气孔 也需要 添加 。 将 几何数据和 分型信息 结合 是至关重要的一点。第四阶段 涉及 整体机械结构的模具，包括注塑机 的连接模具 ，一种用于填充 ，冷却 ，排出 和模具 装配的机构 。  3. 方法论  对于上述 所有， SolidWorks 99 已经被 作为该平台的新模具设计 投入 应用。 图 1 所示 为Windows 三维注塑模具 设计系统与 IMOLD 的 比较。用户的应用程序也可建立和运行作为一个独立的 exe.文件或用户的 DLL 或扩展 DLL的 SolidWorks。 Solid Works 的加载项管理器可以让用户在任何时候控制第三方软件装载在他们的 SolidWorks 上。 一个软件包 不止 加载一次， 还可以 设置 停留 在 SolidWorks 上 。  3.1. SolidWorks SolidWorks 最近成为了 基于 Windows 操作系统 的 三维产品 设计 软件， 它 提供 了 一个最有力 和直观的一流机械设计解决方案。 对于 SolidWorks， 零件的形成是 通过建立一个 “基 本特征 ” 并增加其他功能，如 主体 ， 切割 ， 打孔 ， 框架等 。该 基本特征 可能是一种挤压， 旋转 ，弯曲 配置，或 高抛 。要 创建一个基础 特征 ， 需要绘制一个 二维几何 图形并且移动图形到空间中来创造一个容块。 几何 图形 可以 被绘制 在 结构 平面或 其 表面部分。  基于特征的固体建模程序 被用于 二维设计 的 方法 虽然 已经过时 ， 但 由于基于 Unix 的固体建模软件很昂贵 ，所以我们 采用 基于 微软 Windows 下的 Solidworks ， 它的 成本价格低于 之前的 固体建模程序 3 。  3.2  Parasolid 作为三维内核  SolidWorks 使用 Parasolid 作为一个三维内核。  Parasolid 内核 建模工具包，是公认的世界领先的，生产验证的核心固体建模。 设计 上作为一种精确 的边界代表性建模 工具 ， Parasolid提供强大的固体建模， 广泛的单元模型 和集成面 /层 建模能力和 被 设计 为简单的一体化 的CAD / CAM / CAE 系统， 加快了 投放市场的时间。其 大量 的功能 被 作为 库 的 示例和 面向对象的程序接口。它 实质 上是一个 稳定的系统 ，可以用来 4 ：（一）建立和操纵固体物体 ； （二）计算质量和转动惯量，并进行 干扰 检测 ；（三） 用若干不同的表示方法 输出的物体 ； （四）存储 对象某种数据库或存档 以及 稍后 的 检索 ；（ 五 ）支持 自形成 表面。  3.3  API 5 SolidWorks 的应用编程接口（ API）是一个 对于 SolidWorks 的 OLE编程接口。 它 包含数百个功能，可以被称为 Visual Basic,VBA（  Excel，  Access 等） ,C ，  C + + ，或 SolidWorks的文件宏观调控。这些功能提供编程直接访问 SolidWorks 功能，如创 建 一条线，挤压，或核实参数表面。  API 的界面采用了面向对象的方法。全部该 API 函数的方法或属性，适用于一对象。图2 是一个 详细的 鉴于 SolidWorks 的 应用程序接口。  SolidWorks 的功能，通过公开的 OLE 自动化调度 和使用 派遣，也可 通过标准的 COM对象 来进行 。  调度接口 6 将 打包不明确点并 重新 赋 值为变量，这样 的 语言如 Basic 便 可以处理他们。 COM执行让您应用更多的 可 直接接触 的 基本对象和 其他的部分 ，提高 其 性能。  4. 执行  实际上， SolidWorks API 接口使用对象导向和 API 函数允许一个选择的一种面向对象的语言，例如： Visual C + +， 作为的 编程语言的方法。使用 这种 方法，应基于 Windows 的三维注塑模具设计 ，应用 在 Windows NT 上通过接口的 Visual C + +代码的商业软件，  SolidWorks 99 。 在 此应用程序的模具设计过程分为 几个 阶段，提供模具设计一致 的 方法 去创 建 模具设计。 这个 概述框架 的 显示 如 图  3 。每一个阶段可以被视为一个独立的模块的 工程 。 这 几个模块已 被 研制成功 并 使用 在 SolidWorks 上 。其中 两个 ，模具基础模块和显示模块如下。   4.1 模具基础模块  模具基础模块可以自动创建参数标准模具基地， 以及 其所有组成部分和配件，如HASCO ， DME，  HOPPT ， LKM和 FUTABA。该模块可 通过设计师 轻松定制模具基地常用 属性 。主要特点 包括 提供标准模具的基础部件，例如支 持支柱和浇道衬套，  2 板和 3 板模具基地，和定制非标 准 模具基地。  模具基础模块由四个主要部分 组成 ，即组件库（包括标准和非标准件库），设计 平台 ， 部分从动 功能，结构和 连接 管理。在这里， 部分从动 的功能提供了 SolidWorks 以支持该应用程序。模具基础模块 详细 显示 如 图  4 。  （  1 ）构件库  在 这个竞争日益激烈的世界 ， 为了加强模具设计能力，降低设计成本和周期时间，减少人 力 ，  自动化 成为实现它 的主要因素。换句话说，它必须有计算机软件 ， 这 个 可以轻松地创建，修改和分析模具 的 设计组件，并更新变化设计模型。为了实现 这一目标， 必须 提供一个三维构件库 用来 储存标准和非标准零部件数据，其尺寸都存储在 Microsoft Excel中。指定适当的尺寸，这些 构件便 可以生成并插入 装配 结构。这个 库 是完全可定制的 并且 设计师能够增加自己 需要 的部分进入 库 。  （  2 ）尺寸驱动  SolidWorks 提供强大的尺寸驱动功能 客观 支持参数化设计。这是逻辑之间的关系 在尺寸设置 储存在 Microsoft Excel的 几何 参数 。当 一整套尺寸被 集成 为 相应参数的几何形状 时 ，准确模型将 可 获得。  （  3 ）设计 平台  平台 的设计使得设计师可以建立多种部分配置参数指定 的 Microsoft Excel电子表格。设计 平台 中保存文件的一部分，是用来存放 尺寸 ，提供的功能和约束成形性能 的 ，其中包括一些部分 宣传材料 ， 注释 ，和客户 使用必要条件 。当适当的 尺寸被添加 ，在设计 平台中 将包含所有 用 以创建一个精确的模型 装配的 必要信息 。  （  4 ）结构与管理  这是一些 结构关系模具 的 基础组件。当 通过设计平台 提供某些参数设置 后 ，这个分模块将 帮助模具设计师插入这些组件到 装配 的结构 中 ， 从而 自动生成一个特定的模具基地 装置。  4.2 分模  一些 分模 算法 7-10 已 在 前 面讲过 。这一过程中， 分模 模块 用来 处理 建立 型芯 和 型腔 。它是电脑辅助注塑模具设计系统 11 最重要的模块。建立模具模型需要有一个设计模型，载方块，可用的分型面。设计模 型 代表了成品，而载方块代表模具组件 总数 。为了 分开 方块可形成型芯 和 型 腔 ， 设计模型 首先要从 方块 中减去 。然后 将方块通过 分型面 分成两 半，通常被称为 型芯 和 型腔。当 熔融塑料注入 型 腔的 时候， 最终产品 即 由两个对立的模具半凝固后，模具半摆脱部分沿 分模 方向 D-D 分开 。 那么实际的零件便可以获得 。图  5 显示 分模 设计进程。  （  1 ）确定脱模方向  在沿相反方向的 型芯 和 型 腔 脱开便 是 便是脱模 方向（图 6（ a）条） ， 产生 分模 线 。 脱模方向应首先确定。 分模 的方向 影响分模线的 方向 ，从而影响 复杂的模具 的确定 。在大多数情况下， 分模 的方向 在 确定的 同时应 考虑几何 方向 和生产问题。  （  2 ） “通过 ”黑洞 的认识 和 补丁  当产生一些通过生产而成的漏洞时， 设计者必须指出 漏洞的分模 位置 和 产生了分型面 的漏洞。这个被称为 “补丁 ”。表面需要并 通过不定进行修复 。由于上模具和下模具 通过型腔 连接 ， 模具是不能分开 型芯 和 型 腔 的。而且 不能自动创建无补丁 的洞 （见图 6 条（ b）。  （  3 ）确定分型线和挤压方向  在成型 时 ，一组部分的曲面成型由 型芯 与其他组的 型 腔 组成 。因此 分型线 之间的交叉关系 使 两组表面 形成型芯 和 型 腔。 所以分模 线 应 选 在 最大边回路 的 表面。  从 分模的 边界线 分开型芯 或 型 腔 的阻碍。 挤压方向路径的分型线将 在模糊时被跟随 。这是 垂直 的脱模方向 ，而不是 平行的 分开 表面正常的侧面的 铸模 （见图 6（ c）段）  （  4 ）生成分型面  分型面 是型芯 和 型 腔 相交的表面 。 分型面可以作为 分裂的表面 用以将 模具分为两半。两种方法可用于产生 分型面 。  扫描方法：在分型面生成由挤压的分型线向外推至外边界的 型芯 和 型 腔（见图 6 （ d）项）  。  辐射的方法：在 SolidWorks 的 分型面 上也可以 用辐射所产生的 分型线 与指定的辐射距离 相结合达到 延长以外的外表面的载箱（见辐射表面图 6（ e）。  （  5 ）建立 载模块  载 模块可以将目标维起来，另外增 加合适的空间围绕其周边 进行 计算。载 模块的尺寸，模具 的强度 ，和成型参数 是决定物体尺寸的 基础 ， 可以有效地确定模具 装配尺寸 （图 6（ f）段）。  （  6 ）生成 型芯 和 型腔  为了创 建型芯 和 型腔， 载 模块 必须分成两个不同的模具半。首先，设计模型 应从模块中减去。 从而 ，一个空的空间内 才能获得载模块 。然后分型面和修补表面被用作分裂面 ，将 载模块 分成两 个 半模具的 型芯 块和 型 腔块。最后，模拟 模具 开模过 程和检查干扰模具组件，模具半脱离部分表面不受任何外界干扰，沿方向 d-d 分模 （图 6（ g 段）。  5 结束语  本文介绍 了 塑料注射模具设计技术和方法 以及 CAD 注射模具 的 基本概念。通过Windows NT 平台，该方法已实施 在 SolidWorks99 和 API 。这 使 作为平台的 Windows 的本地设计环境 具有 强大的装配能力，易用性 强 ，快速学习， 而且 价格 便宜 。 CAD 原型塑料注塑模具的设计使用 Visual C + +已经通过 Windows NT 平台被发展和实施 于 SolidWorks99 和API。  这原型已开发和测试 了 几个模块，如数据 筹备 ， 填充 设计，模具基地 分模 设计，模具设计 等， 已经获得了良好的 效果 。该 程序 为设计师提供了一个交互式 CAD 程序和 Windows的本地设计环境，这既可以加快模具设计流程 又可以增加 标准化 的 便利 性 ， 同时 又加速 了 模具制造。这一项目是一个面向对象的编程语言（ Visual C + +），以确保 其 进一步发展和推广。  这种方法主要针对注塑模具设计过程，但它 也 可以用于压铸模具设计。  参考资料  1 IMOLD Version 3.0, Manusoft Plastic Pte Ltd., 1998. 2 Y.S. Yueh, R.A. Miller, Systematic approach to support design for manufacturability in injection molding and die casting, in: Proceed-ings of the Computers in Engineering ASME Database Symposium,ASME, New York, USA, 1995, pp. 755765. 3 SolidWorks 99 Users Guide, SolidWorks Corporation. 4 Unigraphics Solutions Inc. Parasolid On-Line Documentation Web,Parasolid V10.1.123. 5 SolidWorks 99 API Documentation, SolidWorks Corporation. 6 J.J. Shah, H. Dedhia, V. Pherwani, S. Solkhan, Dynamic interfacing of applications to geome