Int J Adv Manuf Technol (2001) 17:453–461
2001 Springer-Verlag London Limited
Three-Dimensional Kernel Development for Injection Mould Design
T. L. Neo and K. S. Lee
Department of Mechanical and Production Engineering, National University of Singapore, Singapore
Today, many software “plug-ins” have been developed on high-level 3D modelling platforms to facilitate processes such as FEM analysis, CAM, injection mould design, simulation and visualisation. Such an arrangement is advantageous in many ways. However, it is not without shortcomings. Ideally, these “plug-ins” could also be developed using low-level 3D kernels for higher flexibility and better portability. This paper examines the various issues and methodologies related to the development of such 3D-based applications. The emphasis is placed on the software aspect. First, a methodology for the development of 3D-based applications is proposed. The idea is then implemented by developing an injection mould design application using a low-level 3D kernel called Parasolid. Based on design concepts used in an established mould design application, IMOLD, the development of a mould base design module is illustrated. An object-oriented programming language has been chosen for the development of the software on a Windows NT platform.
Keywords: 3D kernel; Computer-aided design (CAD); Injection mould design; Parasolid
1. Introduction
Three-dimensional CAD systems have increasingly been used to speed up the product realisation process. One of the first steps involved in the automation of the product design process is the creation of the component parts in a 3D modelling application. The 3D model, upon creation, is called the digital master copy. This 3D digital model forms the key to a wide spectrum of process automation.
Creating the 3D digital model of component parts is only the very first step. There are several other secondary tasks that must to be done before the part can be manufactured. Such tasks include finite-element analysis, jigs and fixtures design, injection mould design, computer-aided manufacturing, simul‑
Correspondence and ofprint requests to: K.-S. Lee, Department of
Mechanical and Production Engineering, National University of Singapore, 119260 Singapore. E-mail: mpeleeksKnus.edu.sg
ation, and visualisation. Today, many application Plug-ins have been developed on high-level 3D modelling platforms to facilitate these secondary tasks. The 3D-modelling platform provides the plug-in software with a library of functions as well as an established user interface and style of programming. As a result, the development times for these plug-ins are significantly reduced.
Such an arrangement is advantageous in many ways. However, it has its shortcomings, especially in the long run. In order to develop a plug-in for established software, the developers must adhere to the many constraints imposed. There is a need to be consistent with the style of the parent software. The developers must be able to achieve any functionality they need with only the set of library functions provided. Most end-users need both the parent software and the plug-in. In many cases, however, they may be more interested in using only the plug-in software. An example of such a situation is in injection mould design. These users, however, must purchase the entire software package which includes many features and functions that they do not need. Such a large program is often very demanding on the hardware, which also means higher cost. The plug-in software is also very dependent on developments in the parent software. Whenever a new version is updated for the parent software, the plug-in developers have to follow-up on the changes. These shortcomings may not exist if these applications were developed on a low-level platform. Ideally, these plug-ins could be developed using low-level 3D kernels for higher flexibility and better portability. In many instances, such a move is both feasible and advantageous.
Traditionally, injection mould design is carried out directly on a CAD system. The entire injection mould, consisting of perhaps hundreds of components, is modelled and assembled on CAD systems such as AutoCAD, Pro/Engineer, and Unigraphics. As the injection mould design process is recursive, it is very time-consuming to re-model and re-assemble the design. In this aspect, 3D CAD systems such as Pro/Engineer and Unigraphics, which are feature-based, have a significant advantage over 2D CAD systems such as AutoCAD. To further speed up the injection mould design process, plug-ins were developed on these 3D systems to automate certain stages of the design process. Examples of such add-on applications include IMOLD (Intelligent Mold Design and Assembly Sys-
tem, developed at the National University of Singapore, based on Unigraphics), Expert Mold Designer (based on CADKEY) and Moldmaker (based on EUCLID). As each is based on a specific CAD system, there is no plug compatibility.
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In 1994, Mok and Cheung [1] presented work on the development of an injection mould design application based on Unigraphics. In 1997, Shah [2] proposed a 3-tier architecture for standardising communications between geometric modelling kernels and applications that require geometric modelling services. His objective is to achieve plug compatibility between 3D applications that are based on Parasolid [3] (a 3D kernel, developed at the University of Cambridge) and ACIS. This, however, involved an extensively developed 3-tier modelling husk. In this paper, the author attempts to develop a lightweight injection mould design application using a low-level 3D kernel directly. The focus is on the flexibility and speed of the software development. Design conce
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注射模设计的三维模型发展
如今，为了使注塑工艺变得更简单，很多嵌入式软件都在高级3D 注塑平台的基础上开发出来的，诸如有限元分析，计算机辅助制造，注射模设计，模拟以及形象化设计。这些软件都是很有利的。然而，它关非没有缺点。事实上，这些嵌入式软件也可以通过低级的3D更灵活和更轻便性开发出来。这篇文章查阅了各种各样基于3D应用发展的期刊和方法，主要是关于软件方面。首先，提出了一种基于3D的应用发展的方法，这种观点通过使用Parasolid模型的注射模实现的。基于在已建立的模具设计中的模具设计概念，文中说明了一种被叫做IMOLD的模件。在一个Windows NT 平台上，面向对象的编程语言被用来开发这种软件。
关键字： 3D 模型； 计算机辅助设计; 注射模设计；
1. 介绍
三维计算机辅助设计系统已经越来越被用来加速产品的实现过程。涉及产品自动化设计过程的第一步是3D建模应用中的组件部件的建立，在建模过程中，这种3D 模型的建立称为数字化建模，这种数字化建模得到的3D的关键一步是生产过程自动化。
组件部件的3D数字化建模仅仅是第一步。还有许多的其他辅助任务必须在零件被生产之前完成。这些任务包括有限元分析、夹具和固定装置的设计、注射模设计、计算机辅助制造、模拟和形象化设计。当今很多在高级3D建模平台上发展起来的嵌入式软件来促进这些辅助任务。这种3D建模站台提供了一个具有编程的用户界面和风格的嵌入式软件。结果，这种嵌入式软件的开发时间大幅度地减少。
这种方法在很多方面都是有利的，但是，它也有它的缺点，特别是从长远的角度考虑。为了为现有的软件开发另外一种嵌入式软件，那些开发者必须兼顾很多现有的限制条件，必需与源软件的风格一致。那些开发者必须利用系统所提供的各种库函数来实现各种功能性操作， 大多数的终端用户需要源软件和嵌入式软件。不过，在很多情况，他们可能对使用只有嵌入式的软件更感兴趣。 在注射模设计过程中就有这种情况的例子，不过，这些用户必须购买包括很多他们不需要的特征和功能的整个软件包， 这么大的程序通常是硬件上所必需的，同时这也意味着会费用更高。这嵌入式软件也很大程度上依赖源软件的发展。一旦源软件版本被更新，那些嵌入式软件的开发者必须采取相应的行动， 如果这些应用在一个低级的平台上发展，这些缺点可能会不存在。事实上，这些嵌入式软件可以使用低级的3D 模型更灵活和更轻便性发展。在很多情况下，这样的操作既可行又有利。传统上，注射模设计可以直接在计算机辅助设计系统执行，整个注射模，可能由数百个组件部件组成，在计算机辅助设计系统(例如 AutoCAD，PRO/工程师和Unigraphics)上建模和装配，因为注射 模设计过程是反复的，所以重新建模和装配是相当费时，在这个方面，像这些基于特征的PRO/工程师以及Unigraphics那样的3D.
计算机辅助设计系统比像AutoCAD那样的2D 计算机辅助设计系统的更有优势， 为加速注射模设计工艺的发展，这种嵌入式软件在3D系统上自动发展一些注射工艺 ，这种附加应用的例子包括在国立新加坡大学发展，基于Unigraphics上发展的IMOLD(智能模型设计和装配系统)、专家模具设计者(基于CADKEY)及模型制作者(基于EUCLID) . 因为以上每一个都基于特定的计算机辅助设计系统，所以都没有嵌入兼容性。在1994年，Mok和张 [1]基于Unigraphics的注射模设计应用上做了研究。在1997年，Shah [2] 在几何建模之间的联系标准化之间提出了互访结构模型，他的目标是在基于Parasolid的3D 应用以及ACIS之间获得嵌入兼容性，只不过它包括三维建模 。 在这篇文章里，作者试图直接发展一种质量轻的使用低级的3D模型注射模设计应用，并把重点放在软件开发的灵活性和速度上。设计概念和程序来自IMOLD [4,5 ]、模具设计和3D 装配中应用。尽管这些讨论仅仅局限于注射模设计，这种方法学能很容易地被应用在其他基于3D的应用中，并且有相似的作用，开发者工具的结合就是为了这个目的而选择的。在方法学被讨论之前，对于其中的一些先提出的工具作一个简短的介绍，他们分别是IMOLD、Parasolid 10.1 版本、VC6.0 版本和微软公司基础种类。
2.IMOLD 用作模具设计应用
IMOLD(智能模型设计和装配) 是在基于3D的应用致力发展的注射模设计。它在一个叫做Unigraphics的高级计算机辅助设计系统之上发展起来的。该发展正在通过使用系统所提供的编程接口(API)来实现。该软件通过提供常用的设计工具促使模具设计者能够迅速进行设计。在设计中所需的常用的标准组件部件，可以在软件里预先创建并且可能被容易被设计者调用。这很大程度上降低了设计时间。模具设计过程可分成几个阶段，以一种固定的方式给设计者们提供模具设计方法。
它们便是：
1. 数据准备。
2. 填充系统设计。
3. 模具基础设计。
4. 插件与零件设计。
5. 冷却系统设计。
6. 滑板和提升设计。
7. 注射系统设计。
8. 标准零件库。
每个阶段都可以被认为是一个独立的模件设计过程。基于3D的每个模件的要求变化甚微。成功地建立模型基础模件意味着在发展其它模件过程中也是可行的。
3．用作3D模型设计的Parasolid
Parasolid被用设计为基于3D 模型数据系统的核心。实体建模有必要被用作。
1．建造并且操作实体。
2. 计算质量和惯性矩，并且进行干涉检测。
3. 以多种方式输出实体。
4. 在特定的数据库或者档案内储存实体并且可以稍后提取出来。
在计算机辅助设计中，Parasolid是最先进的3D 模型设计软件。它是Unigraphics和Solid- Works的3D核心。它独特的公差模拟运作功能使得它能以其它格式接收和存储数据。因此Parasolid模型文件是十分方便的而且它也是独立应用发展的高级平台。基于3D的应用与Parasolid之间通过它的3个界面中的一个相连接。
这些被称这之为Parasolid 核心界面、模型界面以及底端界面。PK界面和模型界面位于建模系统的顶部，通过这些方法来建模和对实体进行操作以及控制建模的功能。底端界面位于建模窗口的底部。当需要执行集中数据或系统类型操作时建模者便需要它。它由3个部分组成：函数、图形输出和外形几何 ，以下分别对其作出简短的介绍。
3.1 KI 和PK界面
KI 和PK是供程序员进入Parasolid模型里进行建模的接口
他们是建模功能的标准库。程序员在他们的程序里称之为建模功能。因为KI不久将被淘汰，所以我们选择使用PK界面。
3.2 函数
函数是一必须由应用程序员编写的功能，当数据必须被存储或者提取时需要使用该功能。当使用Parasolid时，应用程序员必须首先决定怎样管理数据的存储，通过该功能Parasolid输出该数据。通过该功能转存数据通常与写入文件或导出文件有关。文件的形式和及存储位置在写该功能时被确定。
3.3图形的输出
对图形输出功能是由应用程序员所编写的另一种功能。对需要PK给予功能的设计者来说，图形数据是由GO界面输出的，
然后3D数据被传给3D图像包。OpenGL，是图形卡片的一个软件接口可以为我们提供我们所需的数据包。
3.4 外形几何
外形几何学可以为用户几何类型的发展(例如机构内部及表面的曲线)提供功能操作。它通常与在Parasolid内的建模标准几何类型一起使用。
4. 使用VC以及微软公司基金类型的面向对象的程序设计
面向对象的程序设计(OOP)已无可争议地成为软件开发者的选择。它是在目前所存在的软件中最高级的开发软件。微软公司Visual Studio就是这样的一个软件包。它刻划了许多基于因特网和基于Windows编程用的开发工具。在这些工具中包含有VC以及微软公司基金种类(MFC)。VC是面向对象的程序设计的强有力的开发工具，而MFC是一种基于Windows编程的框架。它以强大的开发特性和功能性，例如自动编码基于wizard操作，为应用程序员提供开发工具。这大大改进了生产效率。我们使用的程序的整个用户界面是使用VC以及MFC开发出来的。
5. 系统设计
基于3D的使用3D模型的附加应用的直接发展的问题正待解决。在最高的水平上它由3个主要阶段组成。
首先，必要特征和嵌入式应用软件功能的识别：
第二，应用框架的设计与开发；
最后，具有合适的开发工具的框架中个别模件的设计与开发。
5.1 必要软件的识别
Parasolid作为一种3D建模方法，只提供许多库函数以及3D应用开发的基本框架。因此，那些开发者有必要识别和开发3D计算机辅助设计系统中其他的必要设施。为了识别所需的设施，理解两者之间的差异是很重要。
表格1 总结了3D模型和3D计算机辅助设计系统所提供的主要设备的差别。其中的一些设备，例如特征和参数建模，在耗时与技术上都要求有发展。因为大多数的嵌入式软件不使用源程序中的所有设备，只通过开发这些使用低级3D模型所需要的嵌入式软件生产单独的版本是很有可能的。
表格1从第7条到第9是使用基于3D的应用发展Parasolid的必要条件。
通过研究嵌入式的应用的必要条件，其他必要的设备的要求也可以被鉴定。然后提出了该应用程序的一个框架，该框架是基于由Parasolid建模所提供的设备。
5.2 基于3D应用的框架
对于由开发的工具和.应用的要求所提供的设备，开发了一种框架。它专门被设计以使单个编程模件之间的差异最小化。这将导致编程代码发生小程度的变化。事实上，程序代码使用起来更加的轻便各更有助于维修，而且将来的发展前景也是相当好的。这个框架的概述在图2里得以说明，各种各样的模件的详细情况被在以后的章节里讨论。
5.2.1个基于Windows的用户界面(A)
Parasolid不为程序员提供用户界面。因此，在每一个阶段基于3D应用的发展将涉及到从头开始设计用户界面。相关的必要开发内容包含：
1. 基于3D的应用的环境设置和显示。
2. 交互式图表的接口和全部应用功能操作的执行程序。
5.2.2 3D 开发者(B)图层的设置
因为不同的基于3D的应用在不同程度上需要不同的3D设备，该框架必须为用户提供这些变量的设置。一个3D开发者图层的设置(参阅图2)被概念化来解决这些变化。这是基于Parasolid模型已经开发出来的对象的库函数或者类别。开发的程度取决于建模的要求情况。
图表一由3D模型和计算机辅助设计系统所提供的设施的摘要
3D模型和3D计算机辅助设计系统设施：
1. 基本3D低级建模和通用功能以及高级功能和特殊功能；
2. 由整个系统提供的装配多种库函数；
3. 基于特征的建模；
4. 不经常被提供的参数建模；
5. 系统常提供的低级建模功能；
6. 系统提供的不完全草图；
7. 系统不常提供的交互式用户界面；
8. 系统所提供的三维物体基本概念框架功能和库函数的可视化；
9. 系统所提供文件管理系统的基本概念和多个信息库功能的完全发展。
除了要满足应用条件中的变量要求外，3D开发者设置层也要为非Parasolid开发者提供一个编程接口。这样的一个接口能也其他基于3D的应用的开发者重新使用。3D开发者设置层基本上由3 个主要部分组成。他们可分别被用于3D建模和装配，3D可视化以及3D 数据管理。
I . 3D建模和装配
3D建模和装配模件是所有这3个部分中最重要和最精心制作的部分。它与由大多数计算机辅助设计系统提供应用编程接口(API)相似。该模件由一基于3D对象或类别的库函数组成，它可用于核心应用模件的发展。大多数3D应用所需要的3D基本的功能的操作性能必须被首先开发出来。基于单个基于3D的应用所需的条件，其他更多的高级特性后来也被增加进来了。
II. 3D的可视化。
在三维物体的显示窗口用户范围需要一个团体软件图表接口。图表的输出以及所选择的图表的接口经常被在基于3D的应用里以及视图对象管理和转变之中。为这个目的而开发了一个类别库函数。
III. 3D 数据管理。
3D数据管理模件是在函数之上被开发出来的。函数是存在于使存档以及3D零件文件的进入变得容易的Parasolid的模件之中。为此开发了一种使用函数来处理的类型选择器。
1. 3D目标文件形式；
2. 诸如打开和保存3D目标文件这样的文件管理操作。
5.2.3 应用模块(C)
这些是位于3D开发者设置层和应用用户界面之间存在的基于3D的应用模块。这些模块的设计的主要取决于应用的属性并且相互之间的差别很大。在这个领域已经正在进行很多有研发工作主要发展的工作的大部分被进行。然而，研发的难易主要取决于3D开发者设置层的能力。
5.2.4个其他软件模块(D)
通常，基于3D的应用可能需要来自于其他已存软件模块或应用模块的功能性操作。因此，诸如此类的连接是可能存在的。在这篇文章的应用部分就为这样的一个例子加以说明了。
5．3 单个模块的发展
在进行一个合适设计之前，对每个模块都得进行研究和分析，它的开发难易很大程度上取决于所选的框架和开发者设置层。下一部分说明了注射模设计的3D模型开发的实施情况。
6. 实施情况
应用系统设计，开发了基于3D的注射模设计。这被通过使用前面章节所述的
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