（材料加工工程专业论文）基于proe的齿轮注塑模设计系统的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于p r o e 的齿轮注塑模设计系统的研究 摘要 随着我国塑料工业的发展，高精度高性能塑料齿轮已被普遍应用于 复印机、照相机、定时器等高科技产品中。由于齿轮塑件在尺寸精度、 形位公差等方面要求很高，成型时需要考虑控制收缩造成的齿形误差， 所以齿轮注塑模设计是一项难度大、技术含量高、工作量繁重的任务。 按照传统的设计方法，仅靠经验和手艺，在较短的时间内是很难完成模 具的精密设计与制造的。另一方面，工程师们在设计塑料齿轮和注塑模 模架这类系列化，通用性，标准化程度高的产品时，经常感到设计工作 的重复性大。目前国内主流c a d c a m 软件多是国外软件，这些软件功 能强大，通用性强，但操作复杂，并在设计标准上与我国存在部分差异。 为使这些优秀软件满足专业设计需求，操作更加简便，并在我国模具行 业中发挥更大的潜能，本课题组提出了基于p r o e 平台下的齿轮注射模 c a d 系统的研究与开发课题。 本文查阅了大量资料文献，在w i n d o w sx p 操作系统下，利用v c + + 6 o ，r e l a t i o n s ，p a r a m e t e r s 和p r o t o o l k i t 开发工具对p r o e 进行了开 发研究，并建立了一个齿轮塑件及其注塑模具参数化自动建模系统。在 本系统的开发过程中，提出并设计了基于三维模型样板的齿轮塑件设计 模块和对应的注塑模具设计模块，在事先构建的齿轮塑件或模具零件的 太原理工大学硕士研究生学位论文 三维模型基础上，根据设计要求运用p r o e 的p a r a m e t e r s 和r e l a t i o n s 功 能设立一组可以完全控制三维模型形状和大小的设计参数，同时设置各 参数与三维模型内各尺寸间的关系，然后利用c 语言和p r o t o o l k i t 针 对控制该三维模型的设计参数进行编程，通过人机对话实现设计参数的 检索、修改和三维模型自动生成的功能。运用该方法可实现复杂结构的 三维自动建模。 同时结合企业生产的实际，针对直齿圆柱齿轮塑件的结构特点，分 析比较了注塑模组成部分的各种结构形式的优缺点，确定优化出了直齿 圆柱齿轮注塑模具的整体结构。随后确定齿轮注射模参数化c a d 系统的 整体框架，运用c 语言和p r o 厂r 0 0 l t 对该系统的用户操作界面和对应 的控制函数进行设计。 论文很好地解决了在齿轮注塑模装配图模块中实现自动绘图的技术 问题，完成了齿轮注塑模参数化c a d 系统中的直齿圆柱齿轮塑件设计模 块及其注塑模具零件设计模块的创建，实现了直齿圆柱齿轮及其注塑模 具各零件的参数化自动绘图。该系统界面友好，操作简便，降低了p r o e 软件的使用难度，减少了模具设计的工作量，大大提高了注塑模的设计 效率，达到了预期的研究目的，具有较大的实用价值。本文的研究是对 三维环境下齿轮注塑模c a d 设计系统的一种探讨，对研究开发其它模具 类c a d 系统也具有一定的理论指导意义。 关键词：齿轮，注塑模，p r o t o o l k i t ，v c + + 6 0 ，参数化设计 r e s e a r c ho fg e a ri n j e c t i o nm o l d d e s i g ns y s t e mb a s e do np r o e a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep l a s t i ci n d u s t r y , m o r ea n dm o r eh i g h a c c u r a c ya n dp e r f o r m a n c ep l a s t i cg e a r sa r ee m p l o y e di nd u p l i c a t i n gm a c h i n e s ， c a m e r a s ，t i m e r sa n do t h e rs o p h i s t i c a t e dp r o d u c t s b e c a u s et h ed e m a n d so f d i m e n s i o n a lp r e c i s i o n 、f o r ma n dp o s i t i o nt o l e r a n c ea r ev e r yh i g ha n dt h e p r o f i l ee r r o rc a u s e db yt h es h r i n k a g ea f t e rm o l d i n ga l s om u s tb ec o n s i d e r e d ， t od e s i g nas e to fg e a ri n j e c t i o nm o l di sat a s kf u l lo fd i f f i c u l t y , h i g h - t e c ha n d h e a v i n e s s i ti sh a r dt od e s i g na n dm a n u f a c t u r ei n j e c t i o nm o l d sp u r e l yr e l y i n g o nt h ee x p e r i e n c ea n dc r a f ti nas h o r tt i m eb yt h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e a n s o n t h eo t h e rh a n d ，e n g i n e e r su s u a l l yf e e lt h a tt h ew o r ki si d e n t i c a la n dr e p e a t e d i nd e s i g n i n gt h ep r o d u c t so fh i g hs e r i a l i z a t i o n ，u n i f i c a t i o na n ds t a n d a r d i z a t i o n s u c ha sg e a r sa n dm o l db a s e s a tp r e s e n t ，t h ec a d c a ms o f t w a r eu s e di no u r c o u n t r ya r em o s t l yf o r e i g no n e s a l t h o u g ht h e i rf u n c t i o n sa n du n i f i c a t i o na r e p o w e r f u l ，y e tt h eo p e r a t i o no f t h e mi sv e r yc o m p l i c a t e d ，a n dt h e i rs t a n d a r d si n 1 1 1 查壁堡三奎堂堡主婴壅生堂焦堡塞 d e s i g na r ed i f f e r e n tf r o mo u r s i no r d e rt om a k ef u l lu s eo ft h e s es o f t w a r ea n d s i m p l i f yt h eo p e r a t i o no ft h e mi ne n t e r p r i s e so rf a c t o r i e s ，t h es u b j e c to fr & d o fg e a ri n j e c t i o nm o l dc a d s y s t e mb a s e do np r o e n g i n e e ri sp u tf o r w a r d a f t e rr e f e r r i n gt o m a n yb o o k sa n dr e f e r e n c e s ，ap a r a m e t e r i z e dg e a r i n j e c t i o n m o l d s y s t e mw a sd e v e l o p e db yu s i n gv c + + 6 0 ，r e l a t i o n s ， p a r a m e t e r sa n dp r o t o o l k i t e x p l o i t a t i o n t o o l su n d e rw i n d o w sx p o p e r a t i n gs y s t e m t h ep l a s t i cg e a rd e s i g nm o d u l ea n di t si n j e c t i o nm o l d d e s i g nm o d u l eb a s e do nt h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l sw e r ea l s od e s i g n e d a t f i r s tt h em o d e lo f p l a s t i cg e a ro ri t si n j e c t i o nm o l dw a sb u i l t ，t h e na c c o r d i n g t ot h er e q u i r e m e n t so fd e s i g n ，ag r o u po f p a r a m e t e r sw h i c ha b s o l u t e l yc o n t r o l t h et h r e e 。d i m e n s i o n a ls h a p ea n ds i z eo f i tw a ss e tu pb yu s i n gt h ep a r a m e t e r s a n dr e l a t i o n sf u n c t i o n so fp r o e n g i n e e r m e a n w h i l e ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e n p a r a m e t e r sa n dt h r e e - d i m e n s i o n a ls i z e sw a sa l s os e t a tl a s t ， a c c o r d i n gt o t h e s e p a r a m e t e r s ，u s i n gcl a n g u a g ea n dp r o t o o l k i tt o p r o g r a ma n dt h ef u n c t i o n so fa u t o s e a r c h e d 、a u t o m o d i f i e dp a r a m e t e r sa n d a u t o g e n e r a t e d m o d e l s w e r e p u t i n t o p r a c t i c et h r o u g hm a n m a c h i n e c o n v e r s a t i o n i nt h i sw a y , c o m p l i c a t e dm o d e ls t r u c t u r e sc a nb ea u t o m a t i c a l l y g e n e r a t e db yc o m p u t e rv e r yq u i c k l y a tt h es a m et i m e a g r e e a b l yt ot h ep r a c t i c eo fi n d u s t r i a l p r o d u c t i o na n d t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es p u r - g e a r , o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h e m e r i t sa n df a u l t so fa l lk i n d so fi t s c o m p o n e n t s ，t h ew h o l ef r a m e w o r ko f l v 一 太原理工大学硕士研究生学位论文 s p u r - g e a ri n j e c t i o n m o l dw a sd e t e r m i n e da n d o p t i m i z e d a f t e r t h e d e t e r m i n a t i o no fm a i nf r a m e w o r ko fg e a ri n j e c t i o nm o l dc a ds y s t e m ，u s e r i n t e r f a c e sa n dt h e i rc o n t r o lf u n c t i o n sw e r ed e s i g n e db ym e a n so fcl a n g u a g e a n dp r o t 0 0 l k i t f i n a l l yt h et e c h n i c a lp r o b l e mo fa u t o d r a f ti na s s e m b l yg r a p h i c sm o d u l e w a ss o l v e d ，a n dt h ep l a s t i cg e a rd e s i g nm o d u l ea n di t si n j e c t i o nm o l dd e s i g n m o d u l ew e r ee s t a b l i s h e d t h ep a r a m e t e r i z e da n da u t o d r a f tf u n c t i o no fp l a s t i c g e a ra n di t si n j e c t i o nm o l dw a sr e a l i z e di n t h i ss y s t e m t h es y s t e mw a s i n t e r f a c e f f i e n d l n c o n v e n i e n tf o ro p e r a t i o na n de a s yf o rt h ea p p l i c a t i o no f p r o e n g i n e e r ，r e d u c e dt h ea m o u n to ft h ew o r ki nt h ed e s i g no fi n j e c t i o n m o l d ，r e s u l t e di nr a i s eo ft h ed e s i g ne f f i c i e n c y , a c h i e v e dt h er e s e a r c hp u r p o s e a n dh a dag o o dp r a c t i c a b i l i t y t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri sa ne x p l o r a t i o no f t h r e e d i m e n s i o n a lc a ds y s t e mo fg e a ri n j e c t i o nm o l d ，a n dh a ss o m e s i g n i f i c a n c ei nr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n go t h e rm o l dd e s i g nc a ds y s t e m s k e yw o r d s ： g e a r ，i n j e c t i o nm o l d ，p r o t o o l k i t , v c + + 6 0 ， p a r a m e t e r i z e dd e s i g n v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 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 做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：二妻l 虹 日期：地 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容【保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名： 壶 ! j ：垂 日期：鱼垒6 ：垒! 窒 导师签名：三垫生圣垒日期： 口6 、牛f 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 11 国内外塑料模具的研究现状和发展趋势 1 1 1 我国塑料模的发展现状 在当今模具行业中，占大部分比例的是塑料成型模具，而塑料注射成型又是塑料 工业中主要的加工方法之一，世界塑料成型模具产量中约半数以上是注射模具，随着 新塑料的研发，以塑代钢的推广，塑料模具具有更加广阔的前景。随着塑料制品复杂 程度和精度要求的提高，以及生产周期的缩短，主要依靠经验的传统模具设计方法己 不再适应市场的要求，在大型复杂和小型精密注射模具方面我国不得不消耗巨资进口 国外塑料模具。为改变我国在该领域的落后的面貌，从2 0 世纪9 0 年代起我国模具行 业的一些先行者开始在塑料成型模具设计过程中采用了集虚拟设计、制造和仿真【l 】 于一体的高端软件。采用虚拟设计和制造功能可以及时发现设计当中的错误与不足， 仿真模拟的结果也可直接指导工艺参数的制定，优化模具浇注和冷却系统，缩短试模 和修模时间，显著地提高了塑料制品的质量【2 l 。具体地说，我国塑料模具的现状主要 体现在以下几个方面： 1 ) c a d c a m c a e 技术应用水平上了一个新台阶。模具厂家大部分都采用了 c a d c a m 技术。产品零件造型分析、模具零件的虚拟设计、数控编程等己成为精密、 大型塑料模设计生产的主要手段。天津通信广播公司模具厂等企业，还实现了无图化 加工。青岛海尔模具有限公司等企业通过c a e 技术对注塑过程进行流动模拟分析， 合理选择浇口位置、尺寸、注塑工艺参数及冷却系统的布置等，使模具设计方案进一 步优化，缩短了设计和制造周期。 2 ) 应用电子信息工程技术，提高了塑料模的设计制造水平。天津电讯模具厂等 厂家己经实现了通过客户提供的产品三维信息盘片和n _ k 产品电子信息来进行预算、 报价、设计审定、设计更改等，这不仅缩短了产前的准备周期，而且还为扩大模具出 口创造了良好的条件。由于直接利用了用户提供的产品电子信息，大大缩短了 太原理工大学硕士研究生学位论文 c a d c a m 的技术准备时间，相应地缩短了模具的设计和制造周期。 3 ) 气体辅助注射成型技术的使用更趋成熟。青岛海信模具有限公司、天津通信 广播公司模具厂等厂家成功地在2 9 3 4 英寸电视机外壳以及一些厚壁零件的模具上 运用气体辅助成型技术，一些厂家还使用了c m o l d 气体辅助成型软件，并取得了 较好的效果。另外，如上海新普雷斯等公司也能为用户提供气体辅助成型设备及技术。 4 ) 热流道技术的应用更加广泛。在塑料模中，热流道模具的比例明显增加。一 般内热式、外热式元件以及分流板多点热喷嘴的结构应用已比较普遍，具有先进水平 的针阀式喷嘴和通断控制式喷嘴国内也能自行设计制造。上海、绍兴等地己有商品化 热流道系统元件出售。 5 ) 精密、复杂、大型模具的制造水平有了很大提高。天津津荣天和机电有限公 司和烟台北极星l k 模具有限公司制造的多型腔v c d 和d v d 齿轮模具所生产的齿轮 塑件的尺寸精度、同轴度、跳动度等要求都达到了国外同类产品的水平。陕西彩虹零 件厂生产的4 0 c m c d t 显示管隔离器注塑模，塑件形状复杂，尺寸精度高，模具零件 要求互换，由于采用了c a d 三维设计、计算机模拟注塑成形，使模具达到了国外同 类模具水平。大型模具的制造能力也显著增强，最大塑料模的重量己超过二十吨。 6 ) 模具结构设计更加重视提高注射成型的生产效率和适应快速成型的需要。不 少模具在自动脱模( 脱流道) 方面进行精心设计，同时更加重视冷却系统的设计。一些 看来结构一般的模具，由于采用高效率的冷却系统，注塑生产效率平均提高一倍。 7 ) 高寿命模具比较突出。产品的大批量生产，要求模具的寿命达到一百万次或 更高。为了适应上述要求，除模具工作零件选择一些优质材料外( 例如日本n a k 8 0 、 p x 8 8 、瑞典7 1 8 、德国2 7 3 8 和国产h 1 3 等) ，还要求工作零件通过热处理来提高硬 度和耐磨性。 我国塑料模的发展极为迅速，3 0 年己走过了国外9 0 年的历程，现已有相当的规 模。塑料模c a d 、c a m 、c a e 和c a p p 技术，己有相应的应用开发或涉猎。虽然我 国的塑料模具在设计和制造上较以前有了很大的发展，但和国外相比仍有较大差距， 具体数据见表1 - 1 ： 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 表1 - 1 国内外塑料模具技术比较 t a b l e1 1t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nd o m e s t i cp l a s t i cm o l d sa n df o r e i g no n e s 项目 国外 国内 注塑模型腔精度 0 0 0 5 o 0 1 m mo 0 2 0 0 5 m m 型腔表面粗糙度 r a 0 0 1 o 0 5 1 t m r a 0 2 0 i t m 非淬火钢模具寿命1 0 6 0 万次1 0 3 0 万次 淬火钢模具寿命 1 6 0 3 0 0 万次5 0 1 0 0 万次 热流道模具使用率 8 0 以上 总体不足1 0 标准化程度7 0 8 0 小于3 0 中型塑料模生产周期一个月左右2 4 个月 1 12 塑料模的发展趋势 随着人类社会的进步和高新技术的不断发展，世界各国不惜投入重金研究开发塑 料模具设计与制造新技术。塑料模技术包括设计技术、材料选择、加工技术、管理与 维修技术等多种领域。随着塑料模具应用领域的不断扩大，地位的不断提高，国家己 非常重视并制定了明确的奋斗目标。我国塑料模今后的发展趋势体现在以下几点： 1 ) 注塑模c a d 实用化和c a d c a m c a e 集成化 m o l d f l o w 或c f l o w 及m o l d c o o l 等软件己经商品化。美国a c t 公司推出了2 0 0 5 年最新版本c m o l d 系统软件，注塑模c a d 实用化进入了新的里程碑。我国政府对 注塑模c a d 实用化进程亦非常重视，“八五”期间投巨资开发出了注塑模 c a d c a m c a e 集成系统软件。该系统由8 个部分组成：复杂曲面几何造型图像 软件：多轴数控加工编程软件：注塑级塑料物性数据库软件：流动仿真模拟分 析软件：模温分析模拟软件；模具应力应变计算分析软件：c a d c a m c a e 集成系统软件；注塑模设计专家系统软件。目前，美国p s p 公司的i m e s 专家系统， 能帮助模具设计人员用专家知识解决注塑模的设计质量问题。德国i k v 研究所的 c a d m 0 u l d 系统，可用于注塑模的流动、冷却分析、力翘曲和应力分析功能。计算 机能大量储存和方便地查找各种设计数据( 数据库) 和标准件的图形( 图形库) ，并能绘 出模具的零件和装配图，提高了设计质量，加快了设计速度。 2 ) 塑料模标准化 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 模具标准化程度，标志着一个国家和地区的工业化程度。使用标准模架及其标准 件。可节省金属材料约3 0 ，降低成本约2 5 ，缩短模具开发周期，减轻劳动强度。 提高设计质量，对模具工业的发展具有十分重要的战略意义。 目前发达国家模具标准化程度达到7 0 以上，并有完善的标准系列，包括零件和 模架标准，国际标准化组织己制定了国际模具系列标准，标准件品种多，规格全，质 量高，且全部均已商品化。但我国模具标准化程度在3 0 以下，远远落后于发达国家。 3 ) 推广应用热流道、气体辅助注射和高压注射成型技术。采用热流道技术的模 具可提高制件的生产质量和效率，并能大幅度节省原材料和能源，所以广泛应用这项 技术是塑料模具的一大变革。制订热流道元器件的国家标准，积极生产价廉高质量的 元器件，是发展热流道模具的关键。气体辅助注射成型可在保证产品质量的前提下， 大幅度降低成本。目前在汽车和家电行业中正逐步推广使用。气体辅助注射成型比传 统的注射工艺有更多的工艺参数需要确定和控制，常用于较复杂的大型制品，模具设 计和控制的难度较大，因此，开发气体辅助成型流动分析软件，显得十分重要。另一 方面为了确保塑件精度，继续研究开发高压注射成型工艺与模具也非常重要。 4 ) 研究和应用模具的高速测量技术与逆向工程。采用三坐标测量仪或三坐标扫 描仪实现逆向工程是塑料模c a d c a m 的关键技术之一。研究和应用多样、先进、 价廉的检测设备是实现逆向工程的必要前提。 5 ) 开发新的成型工艺和快速经济模具以适应多品种、少批量的生产方式，应用 优质材料和先进的表面处理技术对于提高模具寿命和质量显得十分必要。 1 - 2 我国模具c a d c a m 技术的研究现状及发展趋势 模具c a d c a m c a e 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 m c a e 技术是模具设计制造的发展方向。 1 2 1 国内模具c a d c a m 的应用和研究现状 目前我国模具行业的基本情况是：随着轻工业及汽车制造业的迅猛发展，模具设 计制造日渐受到人们广泛关注，己独立形成一个行业，并且成立了模具协会。但是我 国模具工业缺少技术人员，模具品种少、精度低、制造周期长、寿命短，供不应求。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 一些大型、精密、复杂的模具还不能制造，每年花几百万、上千万美元从国外进口， 这严重制约了工业的发展，所以在我国大力发展模具工业势在必行。 为了提高模具企业的设计水平和加工能力，中国模具协会致力于向全国模具行业 推荐适合于模具企业使用的c a d c a m 系统。模具设计和加工使用的c a d c a m 系 统】，不要求系统十分庞大，但对某些方面要求较高，如曲面造型、三轴数控加工 等。对于一些国外的c a d c a m 系统，它们具有强大的三维曲面造型能力、结构有 限元分析能力强大、强大计算机辅助制造能力、产品数据管理能力等，但价格昂贵， 一般企业难以支付，而国内自主开发的优秀c a d c a m 系统很少。国内一些大型模 具企业从国外购买先进的c a d c a m 系统和设备之后，多数仅以计算机代替图板绘 图，在其上进行二次开发的较少，资源利用率低；国内一些中小型模具企业，它们的 c a d c a m 应用则更少。国内外c a d c a m 软件的应用情况比较如表l 一2 所示 表1 - 2 国内外c a d c a m 技术应用比较 发达国家 中国 技术名称 美国 日本 德国 香港台湾大陆 c a d c a m 应用7 5 7 5 7 0 5 0 4 0 3 0 c a e 应用5 0 5 0 5 0 4 0 3 0 1 5 f l o w 软件普及普及普及 7 0 2 0 2 0 c o o l 软件普及普及普及 7 0 5 0 2 0 所以有必要改善国内模具企业的c a d c a m 应用状况，使它们真正做到快速、 准确的对市场做出反应，提高模具的生产质量、降低制造成本低，即达到敏捷制造的 目的。在注塑模设计中，充分利用注塑模标准模架图形库及常用标准零部件库设计和 制造模具，不仅可以提高模具制造精度，降低模具成本，而且可以缩短模具设计和制 造周期。设计者只需输入少量的参数就z 日q 。a 很z 快的设计出型腔、型芯以及模架的图形， 然后再在生成的图形中加入少量的设计细节，即可完成模具全部的结构设计，这样大 大减轻了设计者的劳动强度，提高了设计效率。在模具c a d 软件的二次开发方面， 国内外学者做了很多研究和实践。 大连理工大学赵晶和路全胜的注塑模c a d 微机实用软件包【5 1 ，采用了一种 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 比较原始的参数化方法一编程法，在a u t o c a d 的a d s 环境下，开发了机械零件图尺 寸及公差标注软件、注塑模常用零部件设计软件和模架装配图设计软件。软件包不仅 能方便地完成符合国家标准的尺寸标注，完全自动地生成回转体零件，而且能够绘制 多种型式、各种不同规格的注塑模标准模架图形，自动地实现图形的消隐。 华中理工大学陈兴等的模拟注射模具传统设计方法的c a d 系统【6 j ，介绍了 一个在a u t o c a d 软件及v d i 的支撑下，利用f o r t r a n 语言、a u t o l i s p 语言及 接口程序，在i b m a t 机上开发的c a d 系统。在模具零件的建库中，他们针对零件 的不同结构特点，分别采用了参数化法、符号法和图块法。其中的符号法和图块法， 是充分利用原系统的功能实现的；参数化法是利用编程法实现的。 关于注塑模成型零部件的尺寸转换问题，国内外学者也做了不少有益的探讨。华 中理工大学李德群等的计算机辅助生成注塑模型腔及型芯1 7 】，采用了一种基于图 形尺寸的图形输入法，利用尺寸转换，能同时生成塑件图形、型腔图形和型芯图形的 数据。他们在程序中采用的尺寸转换公式是普遍使用的基于平均收缩率的尺寸转换公 式。为了防止设计人员对公式中的修正系数值选取不当而导致实际尺寸超差，他们采 用校核公式对成型尺寸进行验算。 华中理工大学李小红等的注射模计算包i c p a c k 的开发【8 j 和合肥工业大学张 佑生等的微机注塑模c a d 系统的设计t 9 j q u 提出的成型尺寸计算方法与上文类似， 只是采用的经验公式有所不同，且后一文章没有考虑到尺寸超差。湘潭电机厂刘杭宿 等的注塑模计算机辅助设计的开发v 0 1 年n f 王琦等的注塑模具c a d c a m 系统开 发j ，在成型零件的尺寸计算上，仅仅考虑了塑料的收缩率，处理方法过于简单。 重庆大学何玉林等在塑料注射模具型腔型芯的计算机辅助设计 1 2 】中提出了一 种通过输入二维制品图，然后根据制品与模具型腔型芯的关系建立数学模型，按不同 的计算公式求得模具尺寸，由计算机自动设计型腔型芯，最后绘制出制品和模具的多 面视图的方法。该方法虽然避开了建立制品三维几何模型的过程，不需要用户直接输 入数据，但仍要键入一些数学公式，交互过程比较烦琐。 湘潭机电高等专科学校丁问司在三维注射模c a d 系统的开发03 1 中，采用的 尺寸转换公式与华中理工大学李德群的文章完全相同，为保证实际尺寸不超差，也进 行校验：同时给出了判断修正系数范围的公式以保证制件尺寸不会超差：并且考虑到 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 由于制件尺寸的收缩，会导致形成型芯、型腔体素的基点不同于制件体素的基点，针 对制件上不同尺寸标注采取不同的解决方法。但基点的选取既烦琐又易于出错，在使 用上并不方便。 浙江大学顾正朝等在基于特征和知识的精密注塑模设计和制造系统【1 4 】中，采 用特征造型手段与基于知识的方法，提出一种由塑件尺寸生成注射模型腔尺寸的智能 算法，根据塑件的形状信息、尺寸的精度等级和不同的工艺难度，自动调用不同的经 验公式，进行模具型腔的尺寸计算，并可进行塑件尺寸超差与否的校验。显而易见， 浙江大学的工作比上述的工作前进了一大步。他们采用特征技术形成塑件的特征模 型，同时建立起尺寸转换公式选择的规则，然后进行塑件特征模型与规则的匹配。采 用类似的这种智能算法，是成型尺寸转换研究领域内的趋势之一。 南京航空航天大学黄翔等的注塑件特征建模及型芯型腔自动生成的研究i l “， 采用特征造型技术建立注塑件模型，利用注塑件尺寸转换公式库，实现由注塑件模型 到考虑尺寸补偿的塑件模型的自动转换，进而用体扫描法建立了注塑模型芯和型腔。 上述两文中所使用的建立注塑件模型的方法，虽然有其理论上的先进性，在软件中并 不实用。因为一般的注塑件都比较复杂，进行造型比较困难和费时，有的复杂形状甚 至在一般的造型系统中无法实现。这样，自动尺寸转换甚至比手工慢或者尺寸转换工 作就根本不能进行。 华中理工大学胡爱华等的注塑模模腔图形的自动生成，探讨了用基于几何 推理的参数化方法建立注塑件模型，实现了由注塑件尺寸到型芯型腔尺寸的自动转 换。该文的思想方法与浙江大学的完全相同，但给出了基于人工智能的几何推理参数 化的详细算法步骤，并在a u t o c a d 上用a d s 语言实现。 江南大学设计学院的蒋晓1 7 1 ，在基于p r o e 的标准件库建立技术中简要介绍 了在p r o e n g i n e e r 环境下，利用其二次开发工具族表( f a m i l yt a b l e ) 和程序 ( p r o g r a m ) 建立标准件库的方法和技巧。采用此种方法通过简单的步骤就非常方便地 生成标准件库，仅用一个零件就可以生成多个零件，经过实际应用检验，可操作性强。 但缺点是界面仍不够友好，各参数的直观意义不强，人机交互性有一定缺陷。 哈尔滨工业大学汽车工程学院的刘海芳【1 8 】，介绍了p r o e n g i n e e r 平台下建立 机械设计标准件库的方法和步骤。提出了利用三维零件样板、设计参数、模型参数化 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 和族表技术实现标准件的尺寸系列化以及三维标准件库的建立，并详细说明了具体建 库的方法及调用方式。该方法无需编程、工作量小、效果较好，但同样参数直观意义 不强。通过标准件库提高了设计效率，减少了设计工作量，进而缩短产品的开发周期。 国外工业发达国家的c a d c a m 技术发展相当成熟，c a d c a m 技术己广泛应用 于产品设计和制造过程。参数化设计技术己经趋于成熟并大量应用在软件开发和实际 产品设计中。目前有代表性的参数化技术实现方法要属新加坡、德国r o l l e r 和美国 a l d e f e l d 等人提出的方法。 新加坡国立大学的w y n n eh s u 等人，以p r o e n g i n e e r 软件为平台，运用c 语 言编程开发出将装配设计分析与产品的概念设计相结合的系统。系统通过五大模块： 设计特征库、分析模块、交互模块、搜索模块和装配模块，实现了产品的自动装配【l9 1 。 r o l l e r 在计算机辅助参数化设计的一种新方法【2 0 1 中提出了一种在计算机辅助 设计系统中通过交互方法生成参数化模型的新方法。该方法利用设计输入过程中几何 约束的自动存储和拓扑参数支持技术，通过对作图顺序的记录，捕捉了设计者的意图， 获得了设计的更全面描述。基于系统存储的主体模型，依照制品的实际尺寸和结构参 数，在评价模型形状中使用了变量处理器。此方法特别适用于产品概念设计阶段，大 大地提高了c a d 系统的友好性。 a l d e f e l d 的基于几何推理的几何变量 2 1 l 提出了一个基于符号操作和几何推理 的几何模型建立参数化方法。该方法把用来定义约束系统的一套几何元素和公式作为 一个二维模型。模型的变动处理由一个基于规则的系统实现，系统的规则包括了几何 结构约束信息的全部知识。系统能够判别一个模型的所有描述是否一致并且驱动变量 的生成。给定每一个模型参数约束一个数值，系统变量迅速产生。该方法具有基于规 则方法的全部优越性，是基于几何推理的参数化技术领域内一种典型的方法。 1 2 2 模具c a d c a m 的发展趋势 2 l 世纪c a d 软件发展的主要趋势是高度集成化2 2 1 、智能化【2 3 1 、柔性化和网络化 2 a l , 而在模具行业中，追求的目标是提高产品质量及生产效率、缩短设计及制造周期， 降低生产成本、最大限度的提高模具制造业的应变能力，满足用户需求。今后模具 c a d c a m 的发展趋势将表现在以下七个方面【2 5 ： 1 ) 多学科多功能综合产品设计技术 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 未来产品的开发设计不仅用到机械科学的理论与知识，而且还用到电磁学、光学、 控制理论等，甚至要考虑到经济、心理、环境、卫生及社会等各方面的因素。产品的 开发要进行多目标全性能的优化设计【2 6 】，以追求模具产品动静态特性、效率、精度、 使用寿命、可靠性、制造成本与制造周期的最佳组合。 2 ) 集成化技术 现代模具设计制造系统不仅应强调信息的集成【2 7 1 ，更应该强调技术、人和管理的 集成。在开发模具制造系统时强调“多集成”的概念，即信息集成、智能集成、串并 行工作机制集成及人员集成，这更适合未来制造系统的需求。 3 ) 网络技术的应用 网络技术包括硬件与软件的集成实现，各种通讯协议及制造自动化协议，信息通 讯接口，系统操作控制策略等，是实现各种制造系统自动化的基础。目前早己出现了 通过i n t e r n e t 实现跨国界模具设计的成功例子。网络技术的应用为我国模具企业实现 敏捷制造和动态联盟奠定了技术基础【2 8 i 。 4 ) 智能化技术 应用人工智能技术实现产品生命周期( 包括产品设计、制造、使用) 各个环节的智 能化，实现生产过程( 包括组织、管理、计划、调度、控制等) 各个环节的智能化，以 及模具设备的智能化，也要实现人与系统的融合及人在其中智能的充分发挥【2 9 1 。 5 ) 反求技术的应用 常规的模具设计通常以产品的已有设计信息为依据。这些设计信息通过工程图或 一些模型来表达，然后制定出加工工艺规划。最终通过工装模具和设备制造出产品。 但在许多情况下，一些产品并非来自设计概念，而是起源于另外一些产品或实物，要 在只有产品原型或实物模型，而没有产品图纸的条件下进行模具的设计和制造以便制 造出产品。此时需要通过实物的测量，然后利用测量数据进行实物的c a d 几何模型 的重新构造。这种过程就是反求工程r e ( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 3 0 lo 一旦建立了c a d 几何模型后，就可以依据这种数字化的几何模型用于后续的许多操作，如实物c a d 模型的修改、零件的重新设计、有限元分析、误差分析0 1 1 、数控( n c ) 加工指令生成 以及模具的发计和制造等3 2 1 。反求工程能够缩短从设计到制造周期，是帮助设计者实 现并行工程等现代设计概念的一种强有力的工具，目前在工程上正得到越来越广泛的 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 应用。主要应用在：新零件的设计；己有零件的复制；损坏或磨损零件的还原； 模型精度的提高。 6 ) 快速成形技术 快速成形制造技术r p m ( r a p i dp r o t o t y p i n g & m a n u f a c t u r i n g ) 基于层制造原理，迅 速制造出产品原型，而与零件的几何复杂程度丝毫无关，尤其在具有复杂曲面形状的 产品制造中更能显示其优越性【3 3 1 。它不仅能够迅速制造出原型供设计评估、装配校验、 功能实验，而且还可以通过形状复制快速经济地制造出产品模具( 如制造电极用于 e d m 加工、作为模芯消失铸造出模具等) ，避免费时的传统模具制造、耗成本的n c 加工，因而r p m 技术在模具制造中日益发挥着重要的作用。 7 ) 虚拟现实与多媒体技术的应用 虚拟现实v r ( v i r t u a lr e a l i t y ) 是人造的计算机环境，人处在这种环境中有身l 临其 境的感觉，并强调人的介入与操作。v r 技术在2 1 世纪整个制造中都将有广泛的应 用，可以用于培训、制造系统仿真、实现基于制造仿真的设计与制造、集成设计与制 造、实现集成人的设计等【3 4 3 5 1 。美国已于1 9 9 9 年借助于v r 技术成功地修复了哈博 太空望远镜。多媒体技术采用多种介质来存储、表达处理多种信息，融文字、语音、 图像于一体，给人一种真实感。 综上所述，模具c a d c a m 技术是我国模具行业目前急需提高的一个环节，而 模具c a d 是整个集成化制造的基础和核心，因此，模具c a d 技术水平的高低直接 影响着模具的整体质量。 而且，对于c a d c a m 软件方面来说，国外著名的c a d c a m 软件都存在一个 问题，那就是在实际运用中不可能满足各种设计的要求，而且国外的软件在设计标准， 规范要求和标准件库上和我国存在着一些差异，以商品化的c a d c a m 软件为平台 进行二次开发，使这些软件工具适合我国生产的设计要求，是很有必要的，这也是目 前国内在使用国外的c a d 软件时的一项重要工作。对c a d 软件进行二次开发，对 于我国的企业来说，有着很大的意义，它不仅可以使软件适合国内企业的设计要求， 还可以大大地缩短周期、节省人力物力和提高生产质量，给工业生产带来极大的方便。 因此，进行c a d 软件的二次开发在从事模具科研的企业和高校中占有很大的比重。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 课题的提出 随着我国家电类和仪表类工业的发展，高精度高性能塑料齿轮已被普遍应用于复 印机、照相机、定时器、仪器仪表、医疗器械、碎纸机、d v d 、钟表、v c