三维CAD知识付诸注射模具设计系统外文翻译资料

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三维CAD知识付诸注射模具设计系统

Received: 5 June 2002 / Accepted: 23 August 2002 / Published: 29 May 2003

copy;Springer-Verlag London Limited 2003

一、介绍

近年来，塑料制品制造行业迅猛发展。注塑成型是一种非常受欢迎的塑料零件成型方法，注塑模具对于产品质量和高效的制品加工有着十分重要的意义。想要保持竞争优势的模具制造公司，希望通过实现设计过程的自动化来缩短模具设计和制造的周期。因此，计算机辅助注塑模具设计系统（CAIMDS）的发展正逐渐成为工业界和学术界研究的焦点。

最近发表的论文表明，自动化模具设计的研究主要集中于单个组件的模具工艺。例如，翁等人以及拉维集中研究送料系统；王等人主要研究喷射系统；其他人研究的重点是总体设计。一般注塑模具系统的研究大多数可以分为两个领域：功能、概念和初步模具设计以及自动化模具生成算法。

注塑模具的功能、概念和初步设计主要用于前模设计。此类设计包括选择一个合适的模架、安排型腔布局、设计分流道以及设计浇口，目的是为了对于一个特定的要求提出大量不同的产品理念。布里顿等人通过提出功能-环境-行为-结构模型，从功能的角度解决了注塑模具设计的问题。这项研究制造出了很多设计的互换件。科斯塔和杨提出了产品范围模型，以支持不同设计案例中设计信息的再利用。产品范围模型的总体结构大致是从设计功能方面定义的，该功能的设计与各系列设计方案以及潜在方案与知识链之间的内在联系息息相关。叶等人提出了一种自动化初始设计的算法，能够计算出型腔数并自动化地设计出型腔。注塑模具的初始设计涉及对模具组件广泛的实验知识。因此，许多研究人员采用以实验知识为基础的方法。

他们开发了一些以实验知识为基础的系统，用来建议塑料材料的选择、捕获注塑模具零件的设计特征、分析可塑性、自动生成模具设计工艺以及开发产品的模具设计。这样的系统有诸如GERES (尼尔森), PLASSEX、（阿格拉沃尔和瓦苏德万),EIMPPLAN-1（秦和王),CADFEED(翁等人),ICAD (辛魁格兰那),IKMOULD(莫克等人)以及卓克索大学的知识库系统(曾等人)。但是，这些知识库系统只考虑了总体设计的某些方面，作为一个注塑模具的自动生成系统，需要做大量的理论研究工作，以自动地确定分型方向和分型面、生成分型面、识别削弱特征以及生成型腔。拉维和斯利瓦尼桑提出了九个规则，工程师可以用它们在制品中开发合适的分型面。这些规则分别是投影面积、平整度、收缩力、同轴度、削弱力、尺寸稳定性、流动率、加工表面和定向凝固。惠和谭提出了行程型腔和型芯的扫描方法。型腔和型芯是经过一系列的步骤生成的，在拉伸方向扫描生成一个实体，这个实体的一端是从第一个模块中去除得到的，模块的另一端是从模具中减去的。上述步骤的结果被去除的部分在闭合位置得到型腔和型芯。信和李提出了一种型芯和型腔发展的方法，因此可以生成侧型芯以及相应的型芯和型腔板。该方法由三个步骤组成，设计者确定分型线，它把制品分为两组表面，每组表面都有分型面连接到它，然后，外部的表面再与每组的表面接触。信说，一个模具由多个型腔、型芯和侧芯组成。惠基于多面体外部和内部的退刀槽，研究了注塑模具的的可塑性。堵塞概念的提出确定了主脱模方向，而且，细分技术被开发用来评估几何方法的弱点。陈等人引入了可视映射的概念，确定了分型的方向。但这个方法没有考虑到内部分力。付等人和倪等人根据外环槽和成型件的内环槽，提出了一种影响力的新分类。考虑到方向、位置、数量和影响力特征量，他们提出了分型方向的标准，而分型方向正是基于此确定的。付等人通过挤压分型线边缘和使用布尔查运算创造型芯/型腔块，提出了一种生成分型面的方法。倪等人还提出了生成非平面的分型线和分型线的方法论。王等人提出了一种确定复杂形状制品的分割面的方法，他们的方法是，使用一种算法分开制品。通过这种方法形成的分型线和分型面是平面内的。

目前，对于自动化模具设计的研究还仍然在进行中。然而，有一些方法是相当的理论化的，而模具设计却可能有着相当复杂的制品几何形状。大多数模具开发活动要有很高的技术水平，以及各种专业设计经验和知识。由于自动化模具设计技术的发展仍然远远超出了当前的技术，所以它更适合用于提供只能规则或指导方针，防止设计过程中与约束产生冲突。这些规则在具体的模具设计环境中，还提供交换工具。本文阐述了一种交互式的注塑模具设计系统，该系统集成了初始模具设计、具体的模具设计知识库和交互式计算机辅助设计/计算机辅助制造软件。本文的第二部分，从设计师的角度，概述了注塑模具设计过程的分析。

二、注塑模设计过程要求分析

注塑模具设计由两个步骤组成：初始设计和详细设计。初始设计由前期阶段的模具设计作出的决定组成，如模具结构类型、型腔数、流道类型、浇口类型和模架类型。详细设计由内嵌（型芯/型腔）设计、弹射系统设计、冷却和排气组件设计、装配分组成。

为了开发一种好的计算机辅助注塑模具设计系统，需要执行“他们有什么”和“他们想要什么”的分析。

他们有什么：

-客户对该制品的要求。这包括制品详细的几何形状和尺寸要求。

-现有模具设计库。这个设计库涵盖了设计标准或预先设计的部件及其装配，例如，模架（定模架和半动模架）和模腔（定模腔和半动模腔）。

-注塑模具设计中的专用知识。注塑模具的初始设计和详细设计的专用知识，主要是从有经验的模具设计师那里获得的。这些知识包括材料的选择、收缩建议、型腔布局的建议等等。

他们想要什么：

-一个智能并且交互式的模具设计环境。模具的设计往往是由一系列的设计程序组成的，这些程序通常需要创建一定的模具零件，并且装配现有的模具零件。这种模具设计环境不需要是完全自动化的，尤其是对于许多复杂的制品。智能并且交互式的设计环境将是使一些有用的自动化算法、启发性知识和经验丰富的模具设计师的在线互动相结合的一个很好的选择。

-设计标准或预先设计的部件及其装配（独立的制品零件）管理。除了型芯和型腔，注塑模具有很多其他的零件，他们在结构和几何形状上是相似的，而这可以用于其他注塑模具的设计。这些零件与塑料模具制品是相互独立的，他们大多是标准件，可以在不同的模具设计和模具组中重新使用。

-型芯和型腔设计中有用的方法（包括实体设计与分析算法）。型芯、型腔系统的几何形状和尺寸的确定是由模具制品直接决定的。这样一个系统中的所有组件都对制品有依赖性。同时，这些零件是模具设计中的关键部件，他们的几何要求可能是非常复杂的。因此，一些用于设计基于半自动和半相互作用的型芯和型腔的工具是非常有用的。

-装配设计。在传统的计算机辅助设计/计算机辅助制造系统中，模具被表示为一个完整的几何和拓扑实体模型，这个模型是由一个三维欧式空间中面、边、顶点组成。这样的表示适用于视觉显示和执行几何计算密集型任务，例如工程分析与仿真。但是，对于基于制品几何实体及其关系的高层信息的要求决策的任务，这种形式是不适用的。模具设计师喜欢装配环境的设计，而不是简单实体模型的环境。这个理念也是由Ye等人提出来的。

-设计制造。一个完整的注塑模具设计开发周记是由模具设计和模具制造工艺组成的。为了使计算机辅助设计/计算机辅助制造应用于模具设计，模具的制造特点应是由特定的数控机床抽象出来并分析的。无论是工艺规划还是数控代码都应该是自动化生成，使最终设计的模具得以制造。

图Fig1

-设计图纸。对于许多公司来说，注塑模具的设计必须表示有着详细尺寸的工程制图。能够从最终的注塑模具设计中自动生成这些图纸的计算机辅助设计/计算机辅助制造工具将是有用的。

基于上述分析，我们研究的重点是开发代表“他们有什么”和“他们想要什么”的技术。

代表“他们想要什么”实际上是知识和注塑模具对象的表示。开发“他们有什么”意味着将为注塑模具设计的智能、交互式的工具，结合到一个完整的设计环境中。因此，为模具设计师提出的IKB-MOULD实现了上述的两个要求。

三：IKB模型

ikb模型结合使用的知识和面向对象的工具与商业固体建模软件进行功能。IKB模块在这篇论文中的介绍是以塑料成型作为开始以复杂的模具系统真实详细的图纸生产作为结束的。

图FIG2

图FIG5

图表1展现了基础的结构有关于注塑模的设计过程在IKB模块中。IKB模块是由以下几个模块组成的：生产模块界面，模型设计模块，理论基础和一些其他的文献。

3.1 生产模型界面

生产模型是对IKB模型输出的设计程序。这项能够成为实体，以工程互换性，表面或是电线机构模型为基础。IKB模型系统提供了产品模型的表面来接受实体模型建立在不同类型实体建模软件的方式。它能详细的加载在SolidDesigner里设计的产品模块。如果这个产品是用CAD系统建立而不是用SolidDesigner建立的，那么产品需要被转换成STEP,IGES或是DXF格式。

3.2模型设计模块

注射模设计程序有关于模型设计模块在IKB模型中覆盖预先生成模块的程序，包括最开始的模块设计和详细的模块设计。

3.2.1预先生成模块程序

产品的可塑性需要在预先成成模块时评估。一些关于材料热变形，塑料流动的方向和产品的注射角度的观点已经被考虑在内。这个系统不单单只是允许富有经验的模具设计师去确认所生产模具的收缩情况，而且还会介绍产品收缩率使用材料文库。这个材料文库是有关于材料数据库（储存关于材料的年度，温度，敏感度和不同温度时候的收缩率）。以一般使用的物质为基础，IKB模型系统从新审核了物质在物质文库中的收缩率。一旦收缩率被确认，产品的模型将根据物质的收缩率被构建当模型被操作的时候。

3.2.2最开始的模块设计

模块说明书在注射模设计开始阶段被写出。关于材料构成的需求在这个阶段被详细说明，在这个阶段做出的制定包括功能分析，腔体数目，腔体布局和模具外形的种类、最开始的在模具的设计中起到了关键的作用。一旦最开始的设计阶段完成了，模型结构就确定了。所以开始的设计通常是模型引用，模型基础排列和详细模型设计的指引线。

图FIG6

——关于腔体数量的确定。腔体的数量能够用穆拉的理论结合其他不同的因素来决定，这些因素是根据传递的时间，最小花费，产品质量要求或者机械的科技数据例如最大注射量和锁模力强度来决定的。决定腔体的数量主要基于三大因素的混合考虑：急切数据参数，最小花费和传递时间。

一般情况下模具设计者决定腔体的数目都基于他们的经验和考虑不同因素后富有经验的计算。

——关于腔体排布的决定。注射模腔体排布通常包括排布的模式和每一个腔体在模具中的朝向。排布的模式通常取决于腔体的数目。平衡的排布模式通常都是为了适应多重的腔体，例如两腔、四腔和八腔。腔体的朝向影响了方位和浇筑口系统。换句话说，腔体的朝向和浇注口的位置应该是平衡的。

——关于模架的决定。腔体排布所计划的区域都沿着注射的方向且能有被用来决定最小的模具基础尺寸。IKB模型有着模具基础文库，储存了一些标准的模架库（定模部分和动模部分）。

设计的规则和在最开始模具设计过程中专业的知识通常被作为IKB模型中启发式的结合。在最开始的设计之后，模型的说明书能够被生成。

3.2.3详细的模具设计

在详细的模具设计中，IKB模型被设计了三个不同且十分有用的应用程序去帮助模具设计公司：对于装配的设计，对于2D绘图的设计和对于BOM的设计。

  1. 关于装配的设计。一个注塑模就是一个机械的装配，由无产品要求和有产品要求的部分组成。设计工件限制部分是基于从塑料产品中应用的几何学。这种应用能被自动化算法和专业知识实现。关于产品不受限部分的设计是基于设计者的经验和手册信息。在详细的注塑模设计的任务中可能会联系到注射模目标设计元素。因此，最终的详细模具设计能够被看做是依次有关于注射模目标的复合设计。注射模具目标的代表和关于模具详细设计的知识将会在之后的部分被解释。基于这种代表，装备树能够在详细的模具设计中被自动的生成和修改。
  2. 工业设计。这个模块主要是为了CAPP.CNC最终模具设计而研发的。在计划的过程中，机械是对于工业的生产过程、设计师复杂任务和工业知识的关键。工业特征需要从最终的设计中被抽象化，同时相关的顺序过程将被基于知识生成在数据库中。此外，一种为了详细说明NV机器的文库工具将被用于为了工业过程NC代码的生成。在IKB中为了工业模块的详尽设计并没有在这篇论文中出现。

（3）2D草图的设计。借助于商业实体建模软件的应用程序接口（API），很多2D的部件草图能得到实体模型。一些智能的工具需要形成详细的尺寸标注。

（4）关于物质清单的设计（BOM）。与详细的模型设计装配中的设计大致相同。所有注射模的性能的描述都能被具体化。从而工具会被研发来自动形成BOM。

3.3基础知识和文库

3.3.1知识的代表

注射模设计的知识主要是通过经验和手册得到的，每种模具设计程序的模块都需要借助于基础知识。模块创建的知识可以被几条有关学术的设计规则所代表：IF（条件）THEN（设计解决办法）

一些设计在IKB模型过去常常从目录文库和设计经验两方面规则决定了注射器的型号由以下几个方面的内容代表。

在IKB模型中，知识的规则被储存到和设计任务有联系的一个组别里。一些设计任务在模型设计模块Fit中被展现出来、为了提升每个任务，一些注塑模的目标需要决定所采用的知识基础。例如考虑到流动系统有关的详细模具设计。一些注射模具目标

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