（机械制造及其自动化专业论文）智能注塑模具cad系统及推理机的研究开发.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 注塑模的计算机智能化、自动化设计，是模具c a d 技术的一个 飞跃发展，使用智能型注塑模c a d 系统可以大大提高模具设计的效 率，并能减少对人类专家的依赖。 本文研究了k b s 技术、参数化设计技术在注塑模c a d 系统中的 应用，并配合使用自动装配技术以s o l i d w o r k s 为平台开发了智能注塑 模c a d 系统，实现了注塑模的智能化、自动化设计。对k b s 中的推 理机进行了深入的研究，本系统使用c b r 与r b r 复合推理策略，利 用特定的推理算法，依据知识库中的事例、规则推理出模具的总体方 案；建立了参数化图形库，绘制了模具各个组件的参数化三维实体模 型及工程图模型，系统运行过程中，从图形库中选择相应的模型，使 用推理得出的注塑模各个组件的类型、尺寸参数驱动该模型，以得到 各个组件的三维图、工程图，实现了自动绘图：研究了自动装配技术， 将各个组件按照一定的装配次序自动组装，得出注塑模总装配体：利 用布尔减法运算在注塑模中开设冷却水道、流道，解决了系统自动设 计过程中冷却水道、流道开设难的问题。 开发了专门的数据库系统，对在注塑模设计过程中涉及到的大量 非几何数据，包括各类标准数据、参数数据、模具设计参数与进度信 息等进行存储和管理，使模具设计过程中的数据管理、存储更加规范， 提高了系统运行效率。 同时，本文在应用软件菜单、界面、设计思路等方面也做了大量 的工作，使本软件具备了良好的实用性。 关键词智能注塑模c a d ；c b r ；自动装配；参数化 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t c 儿i g e n t i z e da n da u t o m a t i o nd e s i g no fi n j e c t i o nm o l di s ag r e a t d e v e l o p m e n t o fm o l dc a dt e c h n o l o g y a p p l i c a t i o no fi n t e l l i g e n t i z e d i n j e c t i o nm o l dc a ds y s t e mc a ni m p r o v et h em o l dd e s i g ne f f i c i e n c y ，a n d r e d u c et h ed e p e n d e n c eo ne x p e r t so fm o l dd e s i g n i nt h i sa r t i c l e ，t h ea p p l i c a t i o no fk b sa n dp a r a m e t e r i z e dd e s i g ni n i n j e c t i o n m o l dc a ds y s t e ma r e s t u d i e d i n t e l l i g e n t i z e di n j e c t i o nm o l d c a d s y s t e mb a s e do ns o l i d w o r k si s e s t a b l i s h e da sw e l l ，w h i c hl e a dst o t h er e a l i z a t i o no ft h ei n t e l l i g e n t i z e da n da u t o m a t i o nd e s i g no fi n je c t i o n m o l d ia l s oi n v e s t i g a t et h ei n f e r e n c ee n g i n ei nk b si nd e t a i l b a s e do n t h ec a s e sa n dr u l e si nt h ek n o w l e d g eb a s e ，u s i n gs p e c i f i c a l l yr e a s o n i n g a r i t h m e t i c ，am o l dp r o j e c t is b r o u g h tu pw i t hh y b r i dr e a s o n i n go fc b r a n dr b r ；p a r a m e t e r i z e dg r a p hl i b r a r yis b u i l t ，p a r a m e t e r i z e d3 ds o l i d m o d e la n dd r a w i n gm o d e lo fe v e r yp a r to fi n j e c t i o nm o l da r ed r a w ni n t h e l i b r a r y d u r i n g t h e p r o c e s s o f s y s t e mr u n n i n g ，w e c a ns e l e c ta f e l i c i t o u sm o d e lf r o mt h e g r a p hl i b r a r y ，a n d d r i v et h em o d e lw i t h p a r a m e t e r i z e do fd i m e n s i o n sa n ds t r u c t u r er e s u l t i n gf r o mr e a s o n i n g ，a n d o b t a i n3 dg r a p ha n d d r a w i n go fe v e r yp a r te v e n t u a l l y b ya p p l y i n g a u t o m a t i o na s s e m b l y ，w ec a ng e ta s s e m b l yo fam o l da c c o r d i n gt os p e c i a l a s s e m b l i n go r d e r u s i n gb o o l e a no p e r a t i o ns o l v e st h ed i f f i c u l tp r o b l e m o fb u i l d i n gc o o l i n gc h a n n e la n dr u n n e ri nt h ea u t o m a t i o nd e s i g ns y s t e m as p e c i a ld a t a b a s e s y s t e m i s d e v e l o p e d i n t h i sa r t i c l ea l s o i t m a n a g e st h en o n g e o m e t r yd a t ai nt h ed e s i g np r o c e s so fi n je c t i o nm o l d ， s u c ha ss t a n d a r d d a t a ，p a r a m e t e rd a t a ，m o l dd e s i g np a r a m e t e r ，a n d p r o c e s s m e s s a g e t h i ss y s t e m m a k e st h e m a n a g e m e n t o fd a t am o r e c a n o n i c a l ，a n di m p r o v e ss y s t e mo p e r a t i o ne f f i c i e n c y t h isa r t i c l ea l s oi n v e s t i g a t e st h em e n u ，i n t e r f a c e ，a n dd e s i g no ft h e a p p l i c a t i o ns o f t w a r et om a k e t h es y s t e mm o r eu s e r f r i e n d l i e r k e y w or d s i n t e l l i g e n t i z e di n j e c t i o n m o l d c a d ；c b r ；a u t o m a t i o n a s s e m b l y ；p a r a m e t e r i z e d 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，均已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：塞逸 日 期：垒塑竺f 女 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) 论文作者签名玺遗导师签名 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 注塑模c a d 技术的发展 1 1 1 注塑模c a d 技术发展的背景 近年来，工程塑料制品由于具有密度小、比强度高、电绝缘、隔 热、耐化学腐蚀、容易成型加工等优异性能而广泛应用于精密仪器、 电子仪表、航空航天、汽车工业、光学仪器、办公设备、家用电器和 日用品行业中。有的行业甚至还出现了金属产品塑件化的趋势，注塑 模的需求增长非常迅速。 随着经济全球化的发展，企业间的竞争也e l 趋激烈各个企业为 了在竞争中处于有利位置，纷纷加快了产品的更新换代的速度，因此 对注塑模的设计和制造的要求越来越高，交货期越来越短。一副中等 复杂的注塑模从定货到交货的时限，已经从过去的半年或更长的时间 缩短到两个月，甚至一个月以内必须完成! 对注塑模设计制造的整体 水平的要求大大提高，使得模具设计制造商压力更大。 注塑模c a d 技术的发展适应了模具设计制造业这种客观实际的 要求。在注塑模行业中采用c a d 技术可以显著提高塑料产品和模具 的设计制造效率，保证和提高模具的设计制造质量，确保模具设计制 造的次性成功率。减少试模和修模的次数和时间，从而缩短从塑料 产品设计、模具设计、模具制造到进行产品模塑生产的整个周期。 近期计算机软、硬件技术取得了飞速的发展，硬件方面：c p u 和 图形卡的运算能力以惊人的速度不断提高，使微型计算机具备了处理 复杂图形的能力；软件方面：随着计算机图形学研究的不断深入以及 数据库技术的不断提高，出现了大量的功能强大的通用c a d 软件， 如二维绘图软件a u t o c a d ，三维软件p r o e 、s o l i d w o r k s 等，从而为 注塑模c a d 的发展提供了客观条件。 注塑模c a d 技术在软件方面的发展主要经历了三个阶段： 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 通用c a d 软件应用阶段。在这个阶段中，主要是通过c a d 绘图软件a u t o c a d 、p r o e 、u g 等提供的现成的绘图功能来设计注塑 模。与传统的手工绘图相比，通用c a d 绘图软件减少了模具设计绘 图时间，方便了模具设计修改工作，加快了模具的设计。 ( 2 ) 专用c a d 软件设计阶段。p r o e 、u g 等软件是通用软件， 并不是针对注塑模设计开发的，因而对注塑模设计的提高是有限的。 而专用注塑模c a d 软件是针对注塑模设计，按照注塑模设计的要求 开发的，可以提供注塑模设计需要的大量的标准件、通用件及设计计 算工具，从而可以大幅度的提高模具设计的标准化程度和设计效率。 ( 3 ) 智能c a d 软件设计阶段。这是注塑模c a d 技术发展的一 个飞跃。由于注塑模设计过程非常复杂，需要大量的设计经验，而智 能c a d 系统可以通过k b s ( 知识库系统) 把模具设计经验按一定的 规则总结在知识库内，来实现注塑模的自动化智能设计，从而不仅可 以极大的减少模具设计的时间，而且可以最大限度地减少对有经验模 具设计人员的依赖。 由于注塑模c a d 技术在模具设计中诸多的优越性。目前国内外 的高等院校、科研单位以及模具设计制造企业都在对其进行广泛深入 的研究和开发1 2 j 。 1 1 2 国外注塑模0 a d 技术发展现状 国外注塑模c a d 技术发展非常迅速，已经推出了一些商业化软 件，主要的软件有： 美国g r a t e k 公司的注塑模c a d ，c a m c a e 系统。该系统包括 三维描述软件0 p t i m o l d i i i 、二维注塑流动分析软件s i m u f l o w 、 三维有限元流动分析软件s i m u f l o w3 d 、冷却分析软件s i m u c o o l 、 标准模架( 美国d m e 标准) 选择软件o p t i m o l d 软件。 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。该系统包括材料选择t m c - - m s 、注射工艺条件和模具费用优 化t m c m c o 、注塑模流动分析t m c f a 、型腔尺寸设计t m c c s e 和模具传热分析t m c m t a 模块。 第1 章绪论 u g i i 、p r o e 等著名的三维造型软件也开发了模具设计模块。 1 1 3 国内注塑模c a d 技术发展现状 我国从事注塑模c a d 技术研究的主要是大学中的研究部门，主 要成果有： 华中理工大学在注塑模具流动分析和冷却分析模拟等方面都有研 究，其开发的c a d c a m c a e 系统包括塑件的模型输入、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， 近期主要进行了流动分析的研究，其开发的软件有华塑c a e3 d r f 5 0 、华塑c a d 3 01 3 。 上海交通大学，在国内首次将人工智能技术应用到模具c a d 系 统中，现在也开始研究智能模具c a d c a m c a e 系统。开发了基于模 型推理的智能注塑模设计系统，在p r o e 设计平台上构建了m b r 智能 注塑模设计系统【4 j 。 浙江大学基于u g i i 开发的模具c a d c a m 系统。主要研究成果 是使用特征造型技术实现型腔的快速成型。其近期科研项目有注塑模 成型零件产品模型自动创建机理研究。 大连理工大学以a u t o c a d 2 0 0 0 为开发平台，利用v i s u a ib a s i c 开发工具及网络技术。针对注塑模具的结构特点，开发了基于网络的 注塑模三维参数化c a d 系统，实现了网络环境下的设计信息交流与 系统资源共享，以提高模具设计的质量与效率【s 1 。 华侨大学先进制造技术研究所进行了基于知识库的注塑模设计系 统研究，开发了基于知识库的注塑模设计系统k i m d s 。k i m d s 系统 采用面向对象的方法构造产品模型来存储设计数据和设计方法，是 个基于三维实体造型软件u g 的新一代智能辅助设计系统。 总的来说，目前我国注塑模c a d 技术水平还处于高技术集成和 向产业化、商品化过渡的时期，虽然研究成果较多，但是研制的软件 在可靠性、实用性和稳定性方面与国外商品化的c a d 软件尚有一些 差距，还没有能力形成真正商业化、实用化的软件1 6 。 山东大学硕士学位论文 1 1 4 我国注塑模c a d 存在的问题 虽然c a d 技术引入我国后，在模具行业中推广迅速，大大提高 了模具的设计效率，但是在注塑模设计领域，大多数模具公司仍然应 通用c a d 软件进行模具设计，专用注塑模c a d 软件以及智能注塑模 c a d 软件的应用并不多见，这主要是由于软件本身不能适应用户的需 要造成的。现有的c a d 软件主要存在以下几个问题： ( 1 ) 软件平台问题 现有的专用注塑模c a d 软件以及智能注塑模c a d 软件主要有两 种：一种是以通用c a d 软件为平台进行二次开发，一种是自主开发 绘图平台，并在此基础上开发注塑模c a d 。而这两种软件都存在一定 的问题：在引入第一种软件的同时必须引用其平台，而它的平台多是 u g 、p r o e 等高端软件，价格昂贵，这样导致引入的成本过高，不利 于推广：第二种软件由于绘图平台自主开发，而国内的绘图平台水平 较低，尤其是三维平台，最终导致开发的软件功能较差，因而影响了 其推广和应用效果。 ( 2 ) 不能适应各企业不同的标准规范 由于各行业有各行业的标准，各企业有各企业的标准，各模具生 产厂家之间没有形成统一的设计、制造规范，这就要求注塑模c a d 有比较高的柔性，而现在的注塑模c a d 软件不能满足要求。 ( 3 ) 许多注塑模c a d 的实用性差 目前国内研制的注塑模c a d 的实用性差，还处在试用阶段，很 不成熟，人机界面不能满足多种用户的要求，国外的同类软件虽然比 较成熟，但是它是针对国外注塑模设计而开发的，很多地方不适合我 国注塑模设计，例如设计过程中用到的标准件库、模架库不符合我国 国标的要求，使它的实用性大大降低。 ( 4 ) 智能化程度低 现在国外比较成型的模具设计软件，仍然停留在计算机辅助设计 的阶段，全部工作都是人机交互完成，智能化程度很低，所以对专家 的依赖性很强，不利于推广。 第1 章绪论 1 2 智能注塑模具c a d 课题的研究意义及内容 1 2 1 智能注塑模c a d 的研究意义 引入k b s 的智能注塑模c a d 系统具有传统的手工设计无法比拟 的优势，它主要有以下几方面的优点： ( 1 ) 加快设计速度，缩短产品开发周期。在注塑模c a d 系统中 存储有关的注塑模综合性知识，通过推理机对知识的推理，来实现模 具的自动化设计，并可在系统内建立相应的数据库，使检索存储迅速， 从而避免了检索信息和计算过程中的繁琐操作。况且对于有些复杂的 计算，单凭人力无法胜任，必须借助于计算机。 ( 2 ) 提高产品质量，降低成本。k b s 的引入可以在模具设计过 程中减少对人类专家的依赖，计算机的高速运算和自动绘图也大大的 减少了劳动力，从而降低了人力资源的成本；优化设计减少了原材料 的浪费，使得模具设计结构更加合理：直观的三维c a d 模型大大减 少了产品试制的次数，从而为提高产品质量、降低成本提供了可靠的 技术基础。 由于智能注塑模c a d 具备以上优点，能大幅度的提高模具行业 的生产率，对注塑模工业的发展起着举足轻重的作用，但是国内外的 智能注塑模c a d 技术还基本处于理论研究阶段，没有开发出实用性 的软件系统，企业中使用的模具c a d 系统大多是通用c a d 和专用 c a d 。所以开发一款性价比较高的国产智能注塑模c a d 软 牛具有较 大的工程应用价值。 1 2 2 智能注塑模c a d 的研究内容 本课题的主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 深入研究三维造型软件s o l i d w o r k s 的核心机理以及对其进 行二次开发的方法。 ( 2 ) 智能注塑模c a d 系统的总体方案设计，建立一釉既能适应 设计者使用要求，又能显著提高软件设计效率的系统总体方案，并确 山东大学硕士学位论文 定系统中合理的模具设计流程，使本系统能简单高效的完成模具设计。 ( 3 ) 以s o l i d w o r k s 为平台，通过建立注塑模结构类型库，整理 归纳模具设计的知识和研究建立实用的结构设计推理机制，利用k b s 来完成注塑模的总体方案设计。 ( 4 ) 将总体方案设计结果转化为三维模型，按照装配要求将所有 的部件自动装配，实现整套注塑模具的自动化、智能化设计。 ( 5 ) 生成模具总装配体以及各个零部件的三维数字模型和车间生 产用的工程图纸。 ( 6 ) 开发使用方便且符合国标的标准模架、通用零件、标准件的 三维参数化模型库，并总结一套实用的建立模型库的方法。 1 3 注塑模具简介 1 3 1 注塑模具的特点 由于塑料注塑成型工艺十分复杂，设计模具时要考虑的因素比较 多，因此传统的手工设计方法对模具设计人员的知识、经验和技术要 求很高，注塑模具设计的特点主要是： ( 1 ) 外部约束条件多。要选择适合的塑料并对所选塑料的性能参 数及工艺条件进行认真考虑，要考虑注塑机的注射量、注射压力、锁 模力、机架尺寸和刚度等条件，还要充分考虑塑料产品的形状结构、 尺寸大小及其使用场合和生产批量等需求。 ( 2 ) 结构复杂且灵活多变。注塑模具包含模架、成型零部件、流 道系统、冷却系统、侧抽芯、顶出机构等部分。成型零部件一般由型 腔模、型芯模、型芯销和侧向抽芯等部分组成；流道系统包括主流道、 分流道和浇口等部分：冷却系统一般包括定模水道、动模水道和型腔、 型芯模中的冷却芯等部分。注塑模具结构的复杂性可见一斑，无论是 模具整体结构还是某些零部件的结构，在设计实现时丈都没有固定不 变的准则可循，不同的设计师往往设计出不完全相同的可行的结构方 案，灵活性很强。 ( 3 ) 经验性和试探性强。注塑成型工艺过程难以用定量关系描述， 第1 章绪论 并存在许多不确定的因素，因此注塑模设计离不开设计师的经验，而 且设计出来的模具一般都要经过反复的试模与修模过程。 1 3 2 注塑模具结构设计内容 注塑模结构设计一般包括以下内容：1 7 1 ( 1 ) 选择分型面：分型面的位置有利于模具加工、排气、脱模及 成型操作，有利于保证塑件的精度和表面质量。当上述要求有矛盾时， 应根据实际情况，以满足塑件的主要要求为宜。 ( 2 ) 确定型腔数量及排列方式：根据塑件的几何结构特点、尺寸 精度要求、批量大小、模具制造难易、模具成本及成型设备等确定型 腔数量及其排列方式。 ( 3 ) 确定流道系统和排气系统：包括主流道、分流道、浇口及冷 料穴的位置和形状；排气的方式，排气的位置。 ( 4 ) 选择顶出方式：根据塑件的形状特点和质量要求，确定塑件 项出的方式及顶出位置，顶出零件的结构，流道系统凝料的顶出方式。 ( 5 ) 确定塑件侧凹部分的处理方式：根据带侧凹或侧孔塑件的结 构特点和批量大小，确定模具的侧向分型与抽芯方式。 ( 6 ) 确定模具的加热和冷却方式，根据塑件的成型工艺要求和结 构特点，确定加热元件的安装部位或冷却水道的形状和位置。 ( 7 ) 确定成型零件及其主要结构方式：根据塑件的结构特点、精 度要求及模具的加工条件等确定型腔、型芯的结构形式。 ( 8 ) 选择模架：根据成型零件的总体外形尺寸、型腔的数量布局、 流道系统的结构形式及顶出机构的形式选择合适的模架。 山东大学硕士学位论文 第2 章注塑模c a d 总体方案 2 1 系统方案设计 注塑模具的设计具有很强的经验性，在传统的设计方法中，一般 都是由具有丰富经验的模具设计师根据多年积累起来的经验，对新设 计出来的塑料产品提出其模具的总体结构的设想，勾画出结构图，然 后据此进行各个零部件的具体设计。由于经验难免存在某些局限，对 问题的考虑很难十分周全，总体方案的修改补充和设计过程出现反复 是经常的，也是正常的情况，对于非常复杂的模具设计更是如此。将 k b s ( 知识库系统) 应用于注塑模c a d 系统中，便可以借助多个专家 的经验知识为注塑模设计服务，得出较合理的注塑模总体方案，从而 可以很好的解决这个问题。 本文中的智能注塑模c a d 系统主要完成以下几个方面的工作： ( 1 ) 利用k b s 技术进行注塑模总体方案设计。 ( 2 ) 采用参数化设计技术构造注塑模组件的三维模型、工程图。 ( 3 ) 使用自动装配技术将各个注塑模组件自动装配，得到注塑模 总装配体。 其中，注塑模总体方案设计是注塑模设计过程中最关键的一步， 所以k b s 技术的应用是本系统中的关键一环。 2 1 1k b s 概述 k b s 的英文全称为k n o w l e d g e b a s e ds y s t e m ，产生于19 6 8 年，是 一种智能计算机程序，这种程序有在专家级水平上工作的知识和能力， 通过知识和推理来解决那些需要人类专家才能解决的推理问题。k b s 系统具有以下的特点i s 】： ( 1 ) 具有专家水平的专门知识。k b s 之所以能够成为专家，是 因为它具有某一领域的知识，使得它能在处理问题时高人一筹，k b s 系统为了象人类专家那样工作，就必须具有专家级的知识，知识越丰 第2 章注塑模c a d 总体方案 富，解决问题的能力就越强。 ( 2 ) 能够进行有效的推理。k b s 问题的求解是一个思维过程， 即推理过程，k b s 能根据设计者提供的己知条件，运用己知的知识进 行推理，最终实现对问题的求解。 ( 3 ) 具有获取知识，编辑知识的能力。k b s 的基础是知识，知 识储存在知识库中，随着k b s 系统的不断完善，知识的获取、求解能 力不断增强，使得系统从运行的实践中不断总结出新的知识，使知识 库的知识越来越趋于丰富、完善。 ( 4 ) 具有灵活性。多数k b s 系统都是采用知识库和推理机分离 的结构，彼此既有联系又相互独立，这样既可以使系统运行时根据具 体问题的不同要求，分别选取不同的知识构成不同的求解序列，又能 在一方修改时不影响另一方的工作。 2 1 2 k b s 在智能注塑模g a d 中的应用 k b s 是实现注塑模c a d 智能化的关键技术，在本系统中主要由 系统人机界面、规则库和事例库( 事例库、规则库统称为知识库) 、推 理机、数据库系统( 独立模块) 等组成，其应用模型如图2 1 所示。 人机界面由用户 界面和知识库维护界 面构成，人机界面提 供输入原始设计数据 和用户操作的窗口； 知识库维护界面用于 规则库内容的修改、 添加、删除和事例库 的整理。 图2 - 1k b s 系统应用模型 规则库由主规则库和辅助框架库组成，存储注塑模设计实践中总 结出来的注塑模各部分的设计规则以及模具设计手册中的要求，材料、 注塑机的选择依据等知识。 事例库存储模具设计人员在设计实践中积累起来的注塑模设计事 9 山东大学硕士学位论文 例。 推理机负责事例库中事例的表示、检索、修改、测试修正及学习 和规则库的推理工作，并把设计结果整理存入事例库，使k b s 具备自 学习的能力。 数据库系统负责k b s 系统中的数据交流，其本身不属于k b s ， 而是作为整个注塑模系统的一个独立模块存在。 2 1 3 智能注塑模c a d 系统的总体构成 为了适应现代软件系统发展的需要，本系统使用模块化设计，根 据模具设计的具体步骤要求，本注塑模具c a d 系统主要包括k b s 模 块、三维建模模块、分析模块、工程图生成模块四个主要设计模块和 数据库系统、图形库两个支撑模块，系统结构及流程如图2 - 2 。 2 1 3 1k b s 模块k b s 模块的主要任务是完成整个系统的推理和知识 库的管理工作。在该系统中，k b s 模块与其他模块相对独立，自成一 个完整的体系，通过特定的数据接口同其他模块相连，摒弃了以前与 三维建模模块混合的结构，采取这样的方式主要有两点好处： 一方面k b s 模块独立。在对其中的推理机、知识库等部分修改时， 便不会影响到其他模块：同时由于它与其他模块不互相混杂，使程序 更加条理化，修改时不容易混乱，便于整个系统的维护。 另一方面便于更换平台，随着软件的发展，用户可能要求更换系 统的三维平台，独立的k b s 模块可以很容易地移植到新的系统中，而 不需要进行大的修改，只要对其他模块进行必要的修改便可以了。 2 1 3 2 三维设计模块三维设计模块负责将k b s 模块得到的设计结 果转化为三维模型，需要完成获得注塑模所有组件的三维模型和将这 些组件按照装配要求自动装配在一起构成注塑模总装配体两个任务。 由于规则库中的规则、事例库中的事例存在不完备的地方，所以智能 推理的结果可能有些部分不符合设计要求。为了方便设计过程中对不 合理数据的调整，以及设计完成后进行必要的修改和补充，三维建模 模块又分为向导式智能设计模块和手动辅助设计模块。 向导式智能设计模块采用向导的方式引导设计者分步完成设计任 第2 章注塑模c a d 总体方案 图2 - 2 系统结构流程图 山东大学硕士学位论文 务，向导以窗口对话框的方式把设计中用到的数据展示给设计者( 图 2 3 ) ，设计者可以对其中的数据进行调整，每 一步向导完成一部分组件的结构设计，同时生 成这部分组件的三维模型，使设计者可以直观 的对设计结果迸行评估，并将三维模型应用自 动装配技术进行组装。智能设计模块中各个组 件的设计次序是固定的，设计者不可以改变设 计次序，其设计次序为分型面设计一冷却系统 设计一型腔数目设计一型腔布局设计一流道系 统设计一模架选型一顶出机构设计一侧抽芯设 计( 可选) 。 图2 - 3 模架选型向导 向导式智能设计全部完成之后，可以使用手动辅助设计模块进行 完善，手动模块中提供了各组件结构的修改窗1 ：3 ( 图2 - 4 ) ，通过这些 窗口设计者可以对组件的结构类型以 及尺寸进行修改，手动模块还提供了 标准件和常用件窗口，设计者可以通 过它生成所需的标准件及常用件，各 组 孛的修改没有先后顺序限制。 2 1 3 3 分析模块分析模块负责对 整套模具的合理性进行评估，包括注 图2 - 4 模架修改窗口 塑机各个参数的校核、主要模板的强 度校核、推杆的行程和强度校核、模架的各个组件间的干涉分析等。 该系统中主要有两处用到分析模块，一处是k b s 模块得出总体方案 后，对总体方案进行各类参数和强度校核，另一处是三维设计模块设 计完成后，对整套模具进行全面的校核。 2 1 3 42 1 2 程图生成模块工程图生成模块负责模具非标准零件工程 图以及装配体工程图的生成。 2 1 3 5 数据库系统数据库系统负责存储和管理设计过程中使用到 的标准件及注塑模常用件、模架的类型、尺寸参数数据，材料性能数 据、注塑机参数数据、模具设计参数与设计进度信息以及数据在各个 第2 章注塑模c a d 总体方案 模块闻的传递工作。 2 1 3 6 图形库图形库的内容包括：模架、侧抽芯等装配体和冷却 水道、流道、顶针、模架组件等零件的三维模型、工程图的模板。 2 1 3 7 系统工作流程本系统工作过程为，设计者选择塑件模型并 输入其特性参数后，k b s 模块开始工作，根据设计者输入的数据利用 事例库中的事例和规则库中的规则通过复合推理机的推理并经过必要 的设计计算得出模具的总体方案，推理过程中用到的中间数据由数据 库系统的动态数据库管理，经分析模块分析合格后，将方案中的数据 输入动态数据库中的设计流程数据管理文件作为三维建模模块的数据 源，此文件内主要包括两种数据：一种是结构类型数据，一种是尺寸 数据。总体方案完成后，三维建模模块就根据文件内的结构类型数据 从图形库中选择模具各组件的类型，并按照尺寸数据对选出的模型通 过参数化驱动进行更新，从而得到所需要的零件( 装配体) ，逐步完成 各个组件的设计，并按照装配要求自动将所有零件( 装配体) 逐个进 行装配，最终得到整个模具的三维模型，然后通过分析模块来判断各 零件问是否存在干涉，以及是否符合强度和各种参数要求，如果通过 分析发现不符合要求，则重新进入k b s 模块对不合理的部分进行修 改，而后通过三维建模模块对零件( 装配体) 进一步更新，分析模块 重新分析，如此循环直到符合要求，最后根据得到的模具三维模型绘 制工程图。在系统整个运行过程中，所用到的数据都由数据库系统管 理，所有工作完成后，将设计流程数据管理文件中的数据按照事例库 的结构进行整理，整理完成后作为一个新的事例存入事例库，供以后 设计使用。 2 2 非几何数据的管理 在注塑模设计过程中涉及大量的非几何数据，包括各类标准的标 准数据、参数数据、知识库数据、模具设计参数与进度信息等，采用 何种形式来组织和管理这些数据是设计注塑模c a d 系统需要着重考 虑的问题之，这关系到系统的运行效率和易用程度。其中，知识库 不是本文的主要研究内容，所以知识库中的数据管理在文中不作详细 山东大学硕士学位论文 介绍。 本系统建立了数据库系统对数据进行统一存储和管理，借助关系 型数据库a c c e s s 2 0 0 0 存储c a d 的数据，并通过数据库系统中的数据 管理系统对数据进行管理。考虑到系统维护、升级和移植到网络的需 要，数据管理系统使用标准的数据库接口a d o 来存取数据。 本文从软件设计的角度出发，按照程序代码和数据分开的原则， 将数据以单独的形式储存，使用时采用查询语言调用，而不是写入程 序代码中，这样可以在不修改程序的情况下方便的对数据进行添加、 删除和修改，详细内容在第五章介绍。 2 3 系统三维平台的选择 开发注塑模c a d 系统，三维平台的选择至关重要，它对三维平 台的要求主要有以下三点： ( i ) 有强大的建模功能，能够方便快捷的绘制模具的零件，并能 自由的将其装配获得模具的装配体，最终得到二维工程图纸。 ( 2 ) 有良好的性价比，在具有较强功能的前提下，必须有合适的 用户可以接受的价格，这样有助于软件的推广。 ( 3 ) 能够提供完整的二次开发接口，可以自如的对其主程序进行 扩展。 综合考虑以上要求，本注塑模c a d 系统选择s o l i d w o r k s 作为二 次开发平台。 2 3 1s oiid w o r k s 简介 s o l i d w o r k s 是美国s o l i d w o r k s 公司基于w i n d o w s 平台开发的著名 的全参数化三维实体造型软件，它具有强大的零件设计、钣金设计、 装配设计、绘制二维工程图、支持异地协同工作等功能，它可以实现 由三维实体造型向二维工程图的转化，能够使零件设计、装配设计和 工程图保持时刻的全相关和同步。同时s o l i d w o r k s 具有良好的开放性 和兼容性。它不仅可以向下兼容二维a u t o c a d ，使得以前采用 第2 章注塑模c a d 总体方案 a u t o c a d 软件进行的设计得以继续使用和转化，同时还可以与许多其 它专业软件( 如有限元分析软件a n s y s 、数据加工软件c a m w o r k s 、产 品数据管理系统s m a r t e a m s ) 无缝集成为功能十分强大的 c a d c a e c a m p d m 系统，完全能胜任大型工程与产品的设计、分析、 制造和数据管理1 9 1 。 此外，s o l i d w o r k s 提供了a p i 应用编程接口，并且支持a c t i v e x a u t o m a t i o n 技术和d l l 库文件，使用户可以方便的对其进行二次开 发。 2 3 2s o iid w o r k s 的二次开发技术 2 3 2 1s o iid w o r k s 的二次开发接口s o l i d w o r k s 提供了a p i ( a p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 应用编程接口，此接口为用户提供了自 由、开放、功能完整的开发工具，其中包含了数以百计的功能函数， 这些函数提供了程序员直接访问s o l i d w o r k s 的能力。a p i 中的函数可 以被v i s u a lb a s i c 、c c + + 、v b a 或者是s o l i d w o r k s 宏文件以及其它 支持o l e 的开发程序调用，从而可以扩展s o l i d w o r k s 的功能f 】。 2 3 2 2a c t iv e xa u t o m a t i0 1 3 技术的应用a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术 是m i c r o s o f t 公司提出的一个基于c o m ( c o m p o n e n to b i e c tm o d e l ，组 件对象模型) 的技术标准，是以前的o l e ( o b i e c tl i n k i n g a n d e m b e d d i n g ，对象链接与嵌入) 技术的更高层次的发展，其宗旨是在 w i n d o w s 系统的统一管理下，协同不同的应用程序，准许这些应用程 序之间相互沟通、相互控制。每个应用程序可以决定自己的哪些信息 可暴露出来，这些暴露出来的信息可以被其它应用程序操纵。这个暴 露信息的程序称为服务程序( s e r v e r ) ，而操纵这些服务程序的程序称为 客户程序( c l i e n t ) 。a c t i v e x a u t o m a t i o n 技术通过两个程序间安排对话， 达到一个程序控制另一个程序的目的，但这种对话不是双向的，对话 双方也不是平等的。客户程序是开始要求对话的应用程序，服务程序 是响应客户程序的应用程序。a c t i v e xa u t o m a t i o n 的代码在客户程序 上运行，而这些代码所控制的动作由服务程序来执行。在这里将 s o l i d w o r k s 理解为个服务程序，而作为二次开发工具的v b 程序作 山东大学硕士学位论文 为客户程序，它们之间是服务器与客户的关系。用户只要在v b 上进 行操作，v b 就将驱动s o l i d w o r k s 完成相应的工作。 a c t i v e xa u t o m a t i o n 的实质就是利用客户程序去控制服务程序的 对象、方法和属性，实现某种功能。也就是说，s o l i d w o r k s 必须将全 部a c t i v e x 对象暴露给v b 才能实现二者的通信。这样，v b 就可以像 使用自身的对象一样来操纵s o l i d w o r k s 暴露给它的对象。对象是服务 器程序简单而抽象的代表，对象之间一般通过被称为对象模型或者对 象层次结构的形式互相联系。不管是用何种编程语言对s o l i d w o r k s 进 行外部开发或在其内部进行开发，都是通过调用s o l i d w o r k s 的对象体 系结构来进行的。s o l i d w o r k s 为二次开发提供了大量的a p i 对象，这 些对象涵盖了全部 的s o l i d w o r k s 数据 模型，通过对这些 对象属性的设置和 方法的调用，就可 以在用户自己开发 的d l l 中实现与 s o l i d w o r k s 相同的 功能。图2 5 所示 为s o l i d w o r k s 对象 模型的层次结构 图，它是一种树型 结构模型，根为 s o l i d w o r k s 对象， s o l i d w o r k s 中的其 它对象都是它的子 对象。 图2 - 5s o l i d w o r k s 对象树 s o l i d w o r k s 由 常用的主要a c t i v e xa u t o m a t i o n 对象有s o l i d w o r k s 、p a r t 、p a r a m e t e r 、 f a c e 、和f e a t u r e 对象等。 第2 章注塑模c a d 总体方案 s o l i d w o r k s 对象为v b 对s o l i d w o r k s7 - 作环境进行访问处理提供 了接口。通过此对象可以对s o l i d w o r k s 工作环境添加菜单、删除菜单、 添加工具条、打开文件、新建文件、退出s o l i d w o r k s 系统。用v b 调 用s o l i d w o r k s 中的a p i 函数，还可以完成零件的建造和修改；零件各 特征的建立、修改、删除和压缩等各项控制；零件特征信息的提取， 如特征尺寸的设置与提取，特征所在面的信息及各种几何拓扑信息的 提取；零件的装配信息：零件工程图纸中的各项信息等。 2 3 2 3d l l 文件的应用动态链接库，亦即d l l ( d y n a m i cl i n k l i b r a r y ) 是w i n d o w s 操作系统提供的共享可执行代码数据的基本手 段。利用d l l 人们可以很容易地实现代码的数据共享也很容易实现 版本升级。必要时。开发者只需直接更新d l l 而不用对应用程序本身 作任何改动就可以对应用程序的功能和用户接口作较大改善。d l l 通 常作为程序组件被实现，所以当它们被调入内存时，被装入与调用它 们的应用程序相同的地址空间上，当运行时，d l l 文件被连接，但它 并不绑定到e x e 文件中。s o l i d w o r k s 支持使用v b 或者v c + + 等语言 开发的d l l 库文件，并且以插件的方式与s o l i d w o r k s 进行连接，本 注塑模c a d 系统的主程序通过v b 编译成独立的d l l 文件加载到 s o l i d w o r k s 中，实现了程序的模块化设计。 2 3 2 4 参数化设计技术要想得到注塑模的三维模型及工程图，最 便捷的方法便是使用参数化设计技术，s o l i d w o r k s 自身便支持参数化 设计，并提供了进行参数化设计的各种方法，包括尺寸驱动、方程式、 配置等，使用这些方法便能很好的进行参数化设计。 参数化设计技术是使用条件约束来设计和修改产品模型的方法。 条件约束包括尺寸约束、拓扑约束和工程约束。在进行产品设计对 将产品各个尺寸参数及其拓扑关系、工程参数分成两类，分别进行处 理，日前的参数化设计分为两种情况。 ( 1 ) 尺寸驱动：尺寸驱动只是考虑了设计产品的尺寸约束和拓扑 约束，以控制设计产品的尺寸。常用于产品的结构形状确定而尺寸不 同的产品设计中，例如大量的标准件，螺栓的直径、长度、螺纹长