（机械制造及其自动化专业论文）智能注塑模具cad系统（s3dmad）的研究与开发.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着国民经济领域的各个部门对塑料制品的品种和产量的需 求愈来愈大，用户对塑料制品的质量要求愈来愈高，产品更新换代 加快，进而对塑料模具设计与制造的周期和质量提出了更高的要 求，由于使用的通用c a d 设计软件的限制，模具设计环节的时脚 很难缩短，导致给模具加工环节留出的时间越来越短，所以很多生 产中使用着的模具都是“带病”作业，都存在着设计或者加工上的 问题。但是目前普遍使用的通用c a d 软件进行注塑模具设计存在着 一个共性的问题，这些c a d 软件未能实现与注塑模具设计相关知识 的结合，在模具设计过程中完全依赖于设计人员的经验和知识。 注塑模具的计算机智能化、自动化设计，是模具c a d 技术的 一个飞跃发展，使用智能型注塑模具c a d 系统可以大大提高模具 设计的效率，将问题发现于正式生产之前，并能减少对人类专家的 依赖。 。 本文系统地研究了k b s 技术、参数化设计技术在注塑模具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 为平台丌 发了智能注塑模具c a d 系统，实现了注塑模具的智能化、自动化设 计。 本系统对k b s 中的推理机及知识库进行了深入的研究，使用 c b r 和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、规则知识推理出模具的总体设计方案；智能注塑模具c a d 系 统中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 模型及关键组件的工程图模型，系统运行过程中，推理机从图形库 中选择相应的模型，并且使用其推理得出的注塑模具各个组件的类 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；利用布尔减法运算在注塑模具中自动分离型腔，型 山尔人学硕十学位论文 芯以及丌设冷却水道、流道，解决了注塑模具设计过程中模具分模 和冷却水道、流道自动开设难的问题；利用a d o 数掘控件完成系统 知识库维护系统，实现通过系统内部窗口对知识库中模具设计知识 进行更新升级的功能。 本文在系统软件开发、界面设计、系统操作等方面也做了详细 的介绍，为系统的继续开发铺平道路，也为系统的使用者提供一定 的使用参考。 关键词：智能注塑模具c a d ；k b s ；推理机；知识库；二次丌发 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gn e e df o rp l a s t i cp a r t si ne v e r yd e p a r t m e n to f e c o n o m i cd o m a i np a y i n gm o r ea t t e n t i o nt ot h ev a r i e t ya n dq u a n t i t y ， c u s t o m e r sa r en o wr e q u i r i n gh i g hq u a l i t yp r o d u c t s t h i sa l s ol e a d st o t h ei n n o v a t i o no ft h ep r o d u c t a c c o r d i n g l y ，t h ep l a s t i ci n j e c t i o n m o u l d st h a th a v eh i g h e rq u a l i t ya n dc a nb ep r o d u c e di ns h o r tt i m ea r e i ng r e a t e rd e m a n d s f o rt h er e s t r i c t i o no fu s i n gc o m m o nc a ds o f t w a r e ， i t sd i f f i c u l tt or e d u c et h em o l d sd e s i g nt i m e ，w h i c hs e ta s i d el i t t l e t i m et ot h e m a n u f a c t u r eo fm o l d s om o s tm o u l du s e di nt h em o l df a c t o r y h a v em a n yp r o b l e m si nm o l dd e s i g no ri nm o l dm a c h i n i n g h o w e v e r ，t h e r e a r es o m ec o m m o np r o b l e m si ns u c hd e s i g n t h ec a d s o f t w a r ec a n n o t i n t e g r a t e r e l e v a n tk n o w l e d g ea b o u tp l a s t i ci n j e c t i o nm o u l d i n a d d i t i o n ，t h ep r o c e s si ss t i l lh e a v i l yd e p e n d e n to np r o f e s s i o n a lm o l d e n g i n e e r sw h oh a v et h er i c hk n o w l e d g ea n de x p e r i e n c eo fm o l dd e s i g n t h e s ep r o b l e m sl i m i tt h ep o t e n t i a lu s eo ft h ei n j e c t i o nm o u l dc a d t e c h n o l o g yi np r a c t i c a la p p li c a t i o n i 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 j e c t i o nm o l di sa g r e a t d e v e l o p m e n to 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 n i ni n j e c t i o nm o l dc a ds y s t e ma r es 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 n m o l dc a ds y s t e mb a s e do ns o l i d w o r k si se s t a b l i s h e da sw e l l ，w h i c hl e a d s t ot 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 f i n j e c t i o nm o l d t h ea r t i c l ea l s oi n v e s t i g a t e st h ei n f e r e n c ee n g i n ei nk b sa n dt h e k n o w l e d g eb a s e b a s e do nt 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 。 j j j 山东大学硕士学位论文 u s i n gs p e c i f i c a l l yr e a s o n i n ga r i t h m e t i c ，am o l dp r o j e c ti sb r o u g h tu p w i t hh y b r i dr e a s o n i n go fc b ra 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 yi s b u i l t ，p a r a m e t e r i z e d3 ds o l i dm o d e la n dd r a w i n gm o d e lo fe v e r yp a r t o fi n j e c t i o nm o l da r em a d ei nt h e1i b r a r y d u r i n gt h ep r o c e s so fs y s t e m r u n n i n g ，w ec a ns e l e c taf e l i c i t o u sm o d e lf r o mt h eg r a p h1 i b r a r y ，a n d d r i v et h em o d e lw i t hp 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 e r e s u l t i n gf r o mr e a s o n i n g ，a n do b t a i n3 dg r a p ha n dd r a w i n go fe v e r yp a r t e v e n t u a l l y u s i n gb o o l e a ns u b t r a c t i o no p e r a t i o ns e p a r a t e st h ed i e s p a c ea n ds o l v e st h ed i f f i c u l tp r o b l e mo fb u i l d i n gc o o li n gc h a n n e la n d r u n n e ri nt h ei n j e c t i o nm o l dd e s i g ns y s t e m u s i n ga d od a t a b a s ec o n t r o l t oe s t a b l i s ht h em a i n t e n a n c es y s t e mo fd a t a b a s e ，w h i c hr e a l i z e s u p g r a d et h ek n o w l e d g eo fi n j e c t i o nm o l dd a t a b a s eb yw i n d o w si n s i d et h e s y s t e m t h i sa r t i c l ea l s od e e pi n v e s t i g a t e ss o f t w a r ee x p l o i t a t i o n ， i n t e r f a c ed e s i g na n ds y s t e mo p e r a t i o n ，w h i c hi sv e r yh e l p f u lt ot h e r e d e v e l o p m e n to fs y s t e ma n do f f e r sm a n yi n s t r u c t i o nf o rt h es y s t e m u s e r s k e yw o r d s ：工n t e l l i g e n t i z e di n j e c t i o nm o l dc a d ；k b s ；i n f e r e n c em a c h i n e k n o w l e d g eb a s e ：r e d e v e l o p m e n t 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；垂辨 日期：巫点：望 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予版，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：立鸿芦卜导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 注塑模具c a d 技术的概述 c a d 即计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ) 和计算机自动 化设计( c o m p u t e r a u t o m a t i o nd e s i g n ) 的英文简称。计算机的应用使 得设计人员在设计过程中，能够充分发挥计算机的强大算术逻辑运算 功能、大容量信息存储功能与快速信息查找的能力，完成信息管理、数 值计算、分析模拟、优化设计和绘图等任务：而设计人员只要集中精 力进行有效的创造性思维，从而更好地完成从设计方案的提出、评介、 分析、模拟与修改到具体设计实现的设计全过程。 将c a d 技术应用到注塑模具的设计中，就是在充分发挥计算机的 强大功能优势的前提下，将注塑模具基础知识和领域内专家的经验知 识输入到商端计算机中，由计算机辅助或自动完成注塑模具的设计过 程。这是注塑模具设计的一次成功的尝试，也是社会发展的必然结果， 必将会引起注塑模具设计的飞速发展。 1 1 1 注塑模具c a d 技术发展的背景 2 0 世纪4 0 年代，现代常用的工程塑料如聚氯乙稀、聚乙烯、聚 苯乙烯、a b s 等才问世。注塑模具的发展也不过短短4 0 年，但发展速 度却异常迅速。由于塑料制品具有密度小、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r 用 品行业中。甚至有的行业还出现了金属产品塑件化的趋势，注塑模具 的需求增长非常迅速。 随着经济全球化的发展，企业问的竞争也日趋激烈，各企业为了 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 注塑模具的设计和制造的要求越来越高，交货期越来越短。副中等 复杂的注塑模具从定货到交货的时限，已经从过去的半年或更长的时 山尔人学硕士学位论文 b j 缩短到两个月，甚至一个月内必须完成! 对注塑模具设计制造的整 体水平的要求大大提高，使得模具设计制造商压力更大，这样造成一个 必然的结果，由于使用的通用c a d 设计软件的限制，模具设计环节的 时甘j 很难再缩短，导致给模具加工环节留出的时间越来越短，所以很 多生产中使用着的模具都是“带病”作业。 与此同时，注塑模具c a d c a m 技术也在不断的发展完善之中，目 前所有的模具c a d c a m 系统并未真正做到集成化，与其称之为“集成 化系统”，不如称之为包含通用机械c a d c a m 程序的软件包。这类系统 并不专门针对注塑模具设计与制造，当将它们用于注塑模具设计时难 免缺少这样或者那样的功能，并不能覆盖注塑模具设计与制造的全过 程【”。 随着计算机技术、自动化技术的日益成熟，将计算机c a d c a m 技 术应用到模具的设计和制造中，已成为计算机和机械制造行业发展的 一个很明显的趋势。注塑模具c a d 专家系统显著提高了塑料产品和塑 料模具的设计效率以及模具的设计、制造质量，减少对有经验模具设 计工程师的依赖和模具制造过程中的试模次数和修模时间，从而缩短 塑料产品设计、模具设计、模具制造周期，使塑件产品能够快速实现 模塑生产、投放市场。 1 1 2 国外注塑模具c a d 技术发展现状 国外注塑模具c a d c a e 技术发展非常迅速，已经相继推出了一些 比较高档的商业化软件，都是单一的c a d c a e 功能模块工具软件主要 有： ， 美国g r a t e k 公司的注塑模具c a d c a m c a e 系统。该系统包括三维 描述软件o p t i m o l d h 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。 英国d e l c a m 公司2 0 0 4 年推出最新版d e l c a m 软件中的p o w e r s h a p e 插件可以在模具设计人员的指引下完成从塑料产品三维模型的设计到 塑料模具分模的全过程，取得比较好的效果。 2 第1 章绪论 英国v i s i - c a d c a m 软件是一套整合了线架构、曲面架构和实体 核心，产品设计、模具设计和加工的全方位c a d c a m 软件。模具结构 设计功能也很强大。利用v i s i m o l d 模块中的模板装配工具，编辑工 具，插入元素，冷却管路，创建元素穴，模板管理，目录管理等工具 设计三维模具图【3 l 。 s o l i d w o r k s 公司推出的i m o l d 插件提供给模具设计者一系列必需 的工具。在s o l i d w o r k s 界面里，通过它可以在一个装配方案中进行包 括设计方案管理、模具设计过程、加工和模具装配的整个处理过程， 可以对任何类型的产品进行模具设计【4 1 。 u g i i 、p r o e 等著名的三维造型软件也开发了相应的模具设计模 块。 1 1 3 国内注塑模具g a d 技术发展现状 我国从事注塑模具c a d 技术研究的主要是在著名大学中的研究部 门，其主要成果有： 上世纪九十年代开始，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 f5 0 、华塑c a d 3 0 【5 1 。 本世纪初，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，丌发了基 于模型推理的智能注塑模具设计系统，在p r o e 设计平台上构建了m b r 智能注塑模具设计系统【6 1 。 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具成 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 is u a lb 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 注塑模具三维参数化c a d 系统，实现了网络环境下的设计信息交流与 山东人学硕士学位论文 系统资源共享，以提高模具设计的质量与效率【7 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具设计 系统研究，新近推出最新版本的基于知识库的注塑模具设计系统 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掘 和设计方法，是一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，目前我国注塑模具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【8 1 。 1 1 4 注塑模具c a d 的特点 注塑模具c a d 系统的开发方面，要求系统具有功能丰富、交互性、 适应性强、用户界面友好等特点。具体来讲，注塑模具c a d 的功能特 点主要有以下几个方面： 1 注塑模具c a d 系统必须具备描述物体几何形状的能力由于注 塑模具的工作部分( 型腔和型芯) 是根据产品零件的形状设计的，所 以无论设计什么样结构的注塑模具，开始阶段必须提供产品零件的几 何形状的能力，即几何造型的功能，根据产品的几何形状确定注塑模 具型腔的形状。 2 标准化是实现注塑模具c a d 系统的有效手段注塑模具结构设 计一般不具有唯一性。即使是对于同一产品零件，不同设计人员设计 的模具不尽相同。为了便于实现注塑模具c a d 系统，在建立注塑模具 c a d 系统时，首先要解决的问题便是标准化问题，包括设计准则的标 准化，模具零件和模具结构的标准化。有了标准化的模具结构。在设 计注塑模具时就可以选用典型的模具结构、标准模架、调用标准模具 零件，而需要设计的只是少数工作零件。 3 设计数据的处理是注塑模具c a d 中的一个重要问题手工设计 注塑模具所采用的设计数据大部分是以数据表格和线图形式给出，采 用计算机辅助设计注塑模具，必须对这些数据表格和线图做恰当的处 4 第1 章绪论 理，将其变为计算机能够处理的表达形式。程序化和公式化是处理数 据表格和线图形式设计数据的基本方法，对于那些难以程序化和公式 化的经验数据，就只能通过人机交互的方式予以解决。 4 注塑模具c a d 系统应具有广泛适应性注塑模具的结构随制品 的不同而变化，同时模具的设计方式也因人而异，特别是目i j i 设计标 准在我国还未真正统一，各行业乃至每个企业所采用的模架标准、结 构标准、零件标准均不一致。模具的生产方式为单位的或者小批量生 产，所有这些都要求注塑模具c a d 系统必须具有广泛的适用性， 1 1 5 注塑模具o a d 发展趋势 。 注塑模具c a d ，这一高智力、知识密集、更新速度快、综合性强、 效益高的新技术最终将取代传统的模具设计方法。随着生产力的发展， 以及要求的提高，注塑模具c a d 技术也需要不断的提高，其发展趋势 主要体现在以下几个方面： 1 集成化 自从2 0 世纪8 0 年代以来，计算机集成制造( c i m ) 技术已成为制 造工业应用计算机技术的主要发展方向。利用c i m 技术建立的计算机 集成制造系统( c i m s ) 将制造工厂的产品设计、加工制造和经营管理 等各项活动集成起来，其目的是在计算机辅助下，利用最小的制造和 管理资源，最优的实现企业的发展目标，获得最大的总体效益 2 网络化 微型计算机c a d c a m 系统发展的一条主要途径是网络化。由于微 型机价格低廉，功能较强，可将多台微机工作站连成分御式c a d c a m 工作站系统。 3 智能化 注塑模具的设计制造中全盘自动化固然理想，但是目前还只能是 一个追求的目标，近期难以实现。人工智能的应用是通向注塑模具设 计自动化实现的重要途径。近年来。人工智能的应用主要集中在引入 知识工程，发展专家系统。专家系统的发展可以扩大c a d c a m 的功能， 有利于创造更高级的c a d c a m 系统。专家系统具有逻辑推理和决策判 山尔人学硕士学位论文 断的能力。它将许多事实和有关专业的经验、准则结合在起，应用 这些事实和启发准则，根据既定的设计目标，不断缩小搜索范围，使 问题得到解决，专家系统的研究是当i ； 世界上相当活跃的一个课题。 4 标准化 c a d 系统可建立标准零件数掘库，非标准零件数据库和模具参数 数据库。标准零件库中的零件在c a d 设计中可以随时调用，并采用 g t ( 成组技术) 生产非标准零件库中存放的零件，虽然与设计所需结构 不尽相同，但利用系统自身的建模技术可以方便地进行修改，从而加 快设计过程，典型模具结构库是在参数化设计的基础上实现的，按用 户要求对相似模具结构迸行修改，即可生成所需结构1 9 1 。 1 1 6 注塑模具c a d 仍然存在的问题 虽然c a d 技术引入我国后，在模具行业中迅速推广，大大提高了 模具的设计效率，但是在注塑模具设计领域，大多数模具公司仍然在 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。现有的注塑模具c a d 软件主要存在以下几个问题： 1 软件平台问题 目前世界上的专用注塑模具c a d 软件以及智能注塑模具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丌发，一种是自 主开发绘图平台，并在此基础上开发注塑模具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 不能适应各企业中不同的标准规范 由于各行业有各行业的标准，各企业也有各企业的标准，各模具 生产厂家之间没有形成统一的设计、制造规范，这就要求注塑模具c a d 有比较高的柔性，而现在的注塑模具c a d 软件恰恰不能满足此要求 6 第l 章绪论 3 许多注塑模具c a d 的实用性差 目前国内研制的注塑模具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具设计而丌发的，很多地方不适合 我国注塑模具设计要求，例如设计过程中用到的标准件库和模架库不 符合我国国标的要求，使它们的实用性大大降低。 4 现有的注塑模具c a d 软件智能化程度低 现在国外比较成型的注塑模具设计软件，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 1 0 i 。 1 2 智能注塑模具c a d 的研究意义及内容 1 2 1 课题研究的意义 面对目前注塑模具设计的自动化、智能化程度低的问题，将k b s 引入智能注塑模具c a d 系统中，将产生传统的手工设计方法无法比拟 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。在注塑模具c a d 系统中存 储有关的注塑模具综合性知识，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。z b s 的引入可以使模具设计过程中 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支 持l 。 由于智能注塑模具c a d 具备以上优点，能大幅度的提高注塑模具 7 山东人学硕士学位论文 行业的生产率，对注塑模具工业的发展起着举足轻重的作用，但是国 内外的智能注塑模具c a d 技术还基本处于理论研究阶段，没有丌发出 实用性很强的软件系统，企业中使用的模具c a d 软件系统大多是通用 c a d 软件和专用c a d 软件。所以开发一款性价比较高的国产智能注塑 模具c a d 软件具有较大的工程应用价值。 1 2 2 课题研究的主要内容 智能注塑模具c a d 的主要研究工作内容包括： 1 注塑制品的几何造型采用几何造型系统如线框造型、曲面造 型和实体造型，在计算机中生成注塑制品的几何造型，这是注塑模具 设计的第一步，也是本系统设计的第一步。由于注塑制品大多是薄壁 件，且具有负责的表面，因此，常采用表面造型法来产生塑料制品的 几何模型。 2 模具型腔面、型芯面的生成在注塑模具中，型腔用以生成制 品外表面，型芯用以生成制品的内表面。由于塑料的成型收缩率、模 具磨损及加工精度的影响，塑料制品的内外表面尺寸并不就是模具的 型芯面与型腔面的尺寸，两者之间要经过比较繁琐的推算。因此，如 何由塑料制品几何形状方便、准确、快捷地生成模具的型腔和型芯表 面形状是本课题研究的内容。 3 模具结构方案设计采用计算机软件来计算最佳型腔数目，引 导模具设计者布局型腔，构思浇注系统、冷却系统和推出机构，为选 择标准模架和设计动模部装图和定模部装图做准备。 4 标准模架选择采用计算机软件来设计模具的前提是尽可能多 的实现模具标准化，包括模架标准化、横具零件标准化、结构标准化 及工艺参数标准化等。一般而言，用作标准模架选择的设计软件应该 具备两个功能，一是允许模具设计者输入本企业的标准模架，建立专 用的标准模架库；二是能方便地从已建好的专用标准模架库中，选用 设计中所需的模架类型及模具标准件。 5 部装图和总装图的生成根据所选定的标准模架及已经完成的 型腔布局，模具设计软件以交互方式引导模具设计者生成模具部装图 第1 章绪论 和总装图，模具设计者可以利用光标在屏幕上拖动模具零件以搭积木 的方式设计模具总图。 6 模具零件工程图的生成模具设计软件能引导用户根据模具部 装图、总装图以及相应的图形库完成模具零件的设计、绘图和杯注尺 寸。 7 常规计算和校核模具设计软件可将理论计算和行之有效的设 计经验相结合、对模具零件进行设计和校核，以验证模具结构中有关 参数的正确性。 8 生成智能注塑模具c a d 系统的知识库、数据库以及对其进行维 护和更新的操作系统随着时间的推移，知识的更新专家系统中的知 识数据也将有相应的修改，才能设计出符合企业要求的模具。所以本 系统中要求设计出一个对其知识库进行修改的操作界面。 1 2 3 课题已进行情况以及本文主要研究的内容 经过之前的多届研究生的研究与开发，本系统中已经基本可以实 现在s o l i d w o r k s 中进行的注塑模具设计的流程，通过将数学模型、涉 及流程智能化模型一些经验公式编入到程序中，实现个别塑件的设计 全过程。因为流程中没有应用知识库的理论知识，推理机与知识库不 能建立连接，给系统的继续开发带来困难，灵活性差。在界面设计、 推理机的推理理论、模具个别知识的总结等方面也有相当的研究，但 大部分都还没编入系统程序中。而且注塑模具c a d 设计的一些瓶颈问 题【坦】还未进行系统的研究。 本文计划在注塑模具c a d 系统( s 3 d m a d ) 中完成如下设计目标： i 从现有的理论基础上进步完善以s o l i d w o r k s 为平台的智能 注塑模具设计系统。能够实现除分型面和侧抽芯自动生成技术外，包 括冷却系统、流道系统、顶出系统等注塑模具设计过程。 2 开发注塑模具设计的知识库系统和数据库系统，实现推理机自 动调用知识库和数据库中的知识数据，整理并应用，自动完成注塑模 具的设计过程。 3 利用v b 程序中的d a t a 、d a o 、a d o 数据控件，实现系统中注塑 9 山尔人学硕士学位论文 模具模架选型部分的推理机与模架选型知识库的自动连接，推理机通 过调用存有模具设计知识的知识库中的模架选型知识数据完成模架的 设计推理过程。 4 丌发注塑模具设计中的辅助功能部分，比如实现标准件库和模 具通用件库的设计生成系统，以及辅助模具工程图以及工程图中的技 术要求手动生成模块。 5 开发知识维护和更新系统， 更新数据库和知识库的知识数据。 能够实现用户根据自己的实际情况 同时为了保护系统中关键数掘，防 止因数据被破坏而使系统无法正常工作，所以对有些数据修改功能将 设置登陆帐号和密码，只有系统的开发者或者指定的部分对系统充分 了解的人员才能拥有此修改权限。 6 搜集资料，查找s o l i d w o r k s 中的曲面a p i 函数。通过实现分 型面的自动化复制，完成注塑模具设计过程中自动分型出注塑模具中 生成塑件的关键结构部件型腔块( c a r i t y ) 和型芯块( c o r e ) 。 1 3 注塑模具简介 1 3 1 注塑模具设计的特点 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也比 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有： 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、 o 第1 章绪论 型芯模中的冷却芯等部分。注塑模具结构，无论是模具整体结构还是 某些零部件的结构，在设计实现时大都没有固定不变的准则可循，不 同的模具设计师往往设计出不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， 并存在许多不确定的因素，因此注塑模具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 注塑模具设计的一般步骤 注塑模具的设计，在传统设计方法中，一般按照如下步骤进行： 1 确定型腔数目确定型腔数目的方法有多种，如根据锁模力、 根据最大注射量、根据制品的精度要求、根掘经济性等等，在设计时 应根据实际情况决定采用适当的方法。 2 选定分型面虽然在制品设计阶段分型面已经考虑或者选定， 但在模具设计阶段仍应再次校核。从模具结构及成型工艺的角度判断 分型面的选择是否合理。 3 型腔的配置这是模具结构总体方案的规划和确定。因为一旦 型腔布置完毕，浇注系统的走向和类型便已确定。冷却系统和脱模机 构在配置型腔时也必须充分考虑。 4 确定浇注系统浇注系统设计是模具设计中最重要的问题之 一。浇注系统的合理性对制品质量和生产效率有着决定性的影响。 5 确定脱模方式在确定脱模方式时首先要确定制品和流道凝料 滞留在模具的哪一侧，必要时要设计强迫制品脱滞的结构( 如拉料杆 等) ，然后再确定是采用推杆结构还是推板结构。 6 冷却系统与脱模机构的结构设计冷却系统与脱模机构的同步 设计有助于两者的很好协调，并体现出对冷却系统重要性的认识。 7 确定型腔和型芯的结构和固定方式当采用嵌块式型腔或型芯 时，应合理划分嵌块并同时考虑到这些嵌块及嵌块固定板的强度，刚 度、可加工性、紧固性及可互换性 8 确定排气方式由于在一般的注塑模具中注射成型的气体可以 通过分型面和推杆处的空隙排出，因此，注塑模具的排气问题往往被 山尔人学硕士学位论文 忽视。对于大型和高速成型的注塑模具，排气问题必须引起足够的重 视。 9 模架的确定初步确定了型腔、浇注系统、冷却系统、脱模机 构的位置后，根据a 板长、宽和a 板、b 板、c 板的高，可以初步选 择标准或者非标准模架。 l o 绘制模具的结构草图在以上的基础上绘制注塑模具完整的 结构草图。在总体结构设计时切忌将模具结构设计的过于复杂，应优 先考虑采用简单的模具结构形式。 1 1 校核模具与注塑机有关尺寸并校核模具有关零件的刚度与强 度校核这些尺寸、刚度、强度是为了保证模具在注塑机上能够正常 工作。 1 2 绘制模具装配图和模具零件的零件图装配图尽量按照国家 制图标准绘制。由模具装配图或部件装配图拆绘零件图的序号应按照： 先内后外、先复杂后简单、先成型零件后结构零件。 1 3 编写设计说明书并进行设计审核完成注塑模具的设计工作。 1 4 本章小结 本章主要介绍了注塑模具c a d 技术发展的背景，目前国内外注 塑模具c a d 技术发展的现状。详细介绍了注塑模具c a d 的特点，以 及其发展方向和其存在的一些问题。另外也对注塑模具的设计特点和 一般设计步骤也做了总结。 针对注塑模具c a d 的发展现状和发展方向提出了课题的研究意 义和研究方向，指出了课题已经进行的情况和接下来进行课题的主要 研究内容。 1 2 第2 章智能注塑模具c a d ( s 3 d m a d ) 总体方案 第2 章智能注塑模具c a d ( s 3 d m a d ) 总体方案 2 1 系统总体方案设计 注塑模具c a d 系统的设计，通过使用者向系统中输入的塑件的 原始数据，经过推理机自动推理，推理机调用数据和知识库中的知识 数据，生成注塑模具的设计方案。系统自动调入实体库中的三维模型 后，利用推理出的设计方案中的数据，参数化设计三维模型，最终生 成一套完整的注塑模具。 系统中关键技术是利用s o l i d w o r k s 作为二次开发平台，利用 s o l i d w o r k s 提供的a p i 、参数化设计、a c t i v e xa u t o m a t i o n 等技术， 使用v b 语言编写d l l 动态链接库，将注塑模具c a d 设计系统以插 件的形式与s o l i d w o r k s 进行无缝连接，数据库和知识库系统采用 m i c r o s o f t a c c e s s 建立数据表格。c a d 系统流程图如图2 1 所示。使用 a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 技术对s o l i d w o r k s 进行二 次开发，使用d l l ( d y n a m i cl i n kl i b r a r y ) 技术在s o l i d w o r k s 中加 载，利用k b e ( k n o w l e d g eb a s e de n g i n e e r i n g ) 、c b r ( c a s eb a s e d r e a s o n i n g ) 、r b r ( r u l eb a s e dr e a s o n i n g ) 技术实现模具设计过程的自 动化。 本文中的智能注塑模具c a d 系统主要完成以下几个方面的工作： 1 利用k b s 技术进行注塑模具总体方案设计。 2 采用参数化设计技术构造注塑模具组件的三维模型、工程图。 3 采用参数化设计技术构建注塑模具设计的功能部分，如标准件 库、通用件库的设计。 4 总结注塑模具模架选型部分知识，应用a c c e s s 生成注塑模具 模架选型的知识库和数据库。并且用v b 编程实现知识库与推理机的 山东人学硕士学位论文 连接，实现推理机进行推理过程中自动调用知识库中的知识，进行注 塑模具模架部分的设计。 1 4 l 二 图2 1c a d 系统流程图 第2 章智能注塑模具c a d ( s 3 d m a d ) 总体方案 5 利用a d o 数据控件连接技术。实现特定人员在不进行编程的 情况下，对注塑模具c a d 中模架选型部分关键知识库和数掘库进行 数据更新修改。 。 其中，注塑模具总体方案设计是注塑模具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最关键一环。 2 1 1k b s 技术的概述 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1 9 6 8 年，是 一种存储并处理与产品模型有关的知识，基于产品模型的计算机软件 程序系统”】，这种系统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d 4 1 ： 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 统为了像人类专家那样工作，就必须具有专家级的知识，知识越丰富， 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已知条件，运用已知的知识进行 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。 山东人学硕十学位论文 2 1 2 智能注塑模具c a d 中k b s 技术的应用 k b s 是实现注塑模具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 - 2 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。 规则库由主规则 图2 - 2k b s 系统应用模型 库和辅助框架库组成，存储注塑模具设计实践中总结出来的注塑模具 各部分的设计规则以及模具