注塑模顶出机构智能化设计系统的研究与开发_刘铁山.docx

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1、摘 要注塑模顶出机构的智能化设计系统是一个集成在 AutoCAD 2000 平台上的智能化软 件系 统。它旨在实现任一常见注塑制品的顶出方式的智能化选择以及其相应的三维顶出 机构模型 的自动生成。本系统由三个模块组成：一）选择顶出方式的专家系统模块；二）求顶出零件尺寸 的推 理计算模块；三）整个顶出机构的三维造型模块。在选择注塑制品的顶出方式时，引入人工智能技术，建立了智能化选择顶出方式的 专家 系统。该系统综合运用了面向对象技术、数据库技术以及模糊理论来表示、存储选 择顶出方 式所需的专家经验知识，并依据这些知识来高效地进行推理，从而快捷、方便 地得到它所对 应的顶出方式。将求顶出零件尺寸所

2、需的计算公式转换成程序代码，并封装成模块；将计算过程中 需要 查手册表的塑料性能等参数存储在数据库中。只要输入塑件内壁直径、壁厚以及脱 模斜度等 几个简单参数，便能迅速推理、计算出顶杆直径或顶板厚度。这使得设计人员 能从繁重的手 工计算中解脱出来，从而有更多精力从事创造性设计。将 顶 出 机 构 中 的 顶 出 部 件 、 复 位 部 件 以 及 导 向 部 件 的 尺 寸 参 数 存 储 在 数 据 库 管 理 系 统 SQL Server 2000 中，并基于 AutoCAD2000 平台，使用 VC+6.0 和 ObjectARX 2000 开 发工具分别对这些标准件或常用件进行三维参数

3、化造型，最后按照相互之间的位置关 系，将 它们组装成一个完整的三维顶出机构实体模型。利用人机交互技术，在 AutoCAD 2000 的界面基础上开发出直观方便、易于使用的 用户 菜单，以使上面三个模块都集成在 AutoCAD 平台上，从而构成一个相互联系、相 互依赖的 有机整体顶出机构的智能化设计系统。本课题是注塑模具智能 CAD 系统的一个重要组成部分。它的研究与实现，对于模 具开 发具有一定的应用和参考价值。关键词：注塑模具；顶出机构；智能化设计；专家系统；模糊理论；三维参数化 造型；AbstractThe intellectualized design system for ejecti

4、on system of plastic injection mold is an intelligent software integrated into the platform of AutoCAD2000Jts aim is to realize the intelligent selection for ejecting way of any common plastic product and automatic generation for the according 3D model of ejection system.This system is composed of t

5、hree modules. They include the module of expert system of selecting ejection ways, the module of reasoning and calculating the size of ejection parts and the module of 3D modeling for ejection system. .When selecting ejection ways of plastic products, the technology of artificial intelligence will b

6、e introduced to establish expert system for intelligently selecting ejection ways. Comprehensivelyapplying object-oriented technology 、 database technology and ftizzy theory ， this expert systemrepresents、saves the knowledge for selecting ejection way and make reasoning efficiently to acquire the ap

7、propriate ejection way conveniently.With calculating formula for the size of ejection parts transformed into programming code and encapsulated into module; with plastic properties .etc saved in database, when plastic producfs inside diameter and wall thickness .etc are inputed, the value of stem dia

8、meter or upper plate5s depth will be acquired rapidly, so designers can be free from heavy calculation and be concentrated on creative design with more energy.The size parameter of ejecting part、return part and guide part in ejection system are saved in SQLServer2000 and modeled into 3D solid by int

9、egrating VC+6.0 with ObjectARX2000 on the platforai of AutoCAD2000.Finally, these 3D solid models of standard parts are assembled into a complete 3D solid model of ejection system.By using technology of man-machine interface, a user-friendly visual special menu is customized based on the interface o

10、f AutoCAD2000?so that the three modules are all integrated into the platform of AutoCAD2000 to form an interactive entiretythe intellectualized design system for ejection system of plastic injection mold.This paper is just an important part of intelligent CAD system for plastic injection mold. Its r

11、esearch and realization have application and reference value for mold development.Key Words: Injection mold; Ejection mechanism; Intellectualized design; Expert system; Fuzzy theory; 3D parametric modeling目 录mi 仑.11. 1 注塑模具 CAD 发展概况及趋势 .11. 1. 1 注塑模具 CAD 发展概况 .11. 1.2 注塑模具 CAD 发展趋势 .21. 2 课题的研究意义和主要

12、内容 .31. 2. 1 课题的研究意义及应用价值 .41. 2. 2 课题的主要研究内容. : 42 注塑模具顶出机构设计的基本知识 .62. 1 顶出机构的分类及设计原则 .62. 1. 1 顶出机构的分类 .62. 1. 2 顶出机构的设计原则 .72.2 次顶出脱模机构的简介 .82.3 顶出脱模阻力计算 .92.4 顶出零件的尺寸确定 .102.5 成型零件工作尺寸的计算 .123 系统关键支撑技术 .143. 1 基于智能对象的知识处理方法在设计型专家系统中的应用 .153. 1. 1 智能对象的概念及特点 .153. 1.2 基于智能对象的知识表示 .153. 1. 3 基于智能

13、对象的知识存储 .163. 1.4 基于智能对象的推理过程 .173. 2 模糊知识表示与推理模型在设计型专家系统中的应用 .183. 2. 1 模糊知识表示与推理模型的优点 .183.2.2 模糊知识的表示 .193. 2. 3 模糊推理策略 .203. 3 三维参数化实体造型技术 .213. 3. 1 实体造型技术 .213.3.2 参数化造型技术 .243. 3. 3 造型中的可视化技术 .264 注塑模顶出机构智能化设计系统的研究与开发 .294. 1 系统主要特色智能化 .294. 2 系统总体设计方案 .304.3 系统的具体实现 .304. 3. 1 确定塑件的具体形状 .304

14、. 3_ 2 推断顶出方式 .424. 3. 3 顶杆直径的尺寸计算 .434. 3. 4 顶出机构的三维造型 .474.4 系统用户界面的设计 .484. 5 在 ObjectARX 应用程序中引入数据库的支持 .505 系 统 应 用 及 实 例 .545. 1.顶出方式的智能化选择模块 .545. 1. 1 确定塑件的形状类型 .545. 1. 2 推断出塑件所对应的顶出方式 .565.2 顶杆直径的计算 .575. 2. 1 脱模力计算 .585. 2. 2 顶杆直径计算 .605. 3 顶出机构的三维造型 .615. 3. 1 各标准件的三维参数化造型 .615.3.2 整个三维顶出

15、机构的模型建立 .616 结 论 与 展 望 .656. 1 本课题的工作总结.656. 2 今后的工作展望 .66参 考 文 献 .67谢 .691 绪 论计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)是当代计算机应用的一个重要领 域。 随着计算机硬件和软件技术水平的迅速提高，CAD 技术及其应用一直处于日新月 异的发展 浪潮中。作为 CAD 技术应用的一个十分重要的方面，塑料模具计算机辅助设 计、模拟分析 与制造，即模具 CAD, CAE 和 CAM (统称 CAD)也一直是国内外普遍 关注的热点 1。作 为 高 分 子 化 学 和 材 料 科 学 发 展 的 重 要

16、 成 果 ， 塑 料 早 己 为 人 们 所 熟 悉 ， 塑 料 产 品 已 成 为 人类生产和生活中不可缺少的重要组成部分。多年来，塑料产品制造业一直在迅速 发展，而 当前全球范围的以塑料代替金属的趋势又进一步加速了这一发展速度。塑料产 品一般采用模 塑成型方法生产，因而塑料成型模具已成为塑料制品生产的重要工艺装 备，在国民经济中起 着愈来愈重要的作用。随着塑料制品在家电、电子、机械等产品和 日常用品中越来越广泛的 应用，对塑料模具的设计和制造要求也越来越高，传统设计与 制造方式早己满足不了生产发 展的需要。CAD /CAM 技术的发展正是适应了这种客观实 际的要求。应用 CAD/CAM 技

17、 术可以显著提高塑料制品和塑料模具的设计制造效率， 提高设计制造质量，减少试模修模时 间，从而缩短从塑料产品设计，模具设计，模具制 造到进行制品模塑生产的整个周期 m。1. 1 注 塑 模 具 CAD 发 展 概 况 及 趋 势1.1.1 注 塑 模 具 CAD 发 展 概 况(一）国外发展概况三 十 多 年 来 ， 国 外 注 射 模 CAD 技 术 发 展 相 当 迅 速 。 70 年代已幵始应用计算机对熔 融塑 料在圆盘形、管形和长方形型腔内的流动情况进行分析。80 年代初，人们成功地 采用有限元 法分析三维型腔内塑料熔体的流动过程，使设计人员可以依据理论分析并结 合自身的经验， 在模具

18、制造前对设计方案进行评价和修改，以减少试模时间，提高模具 质量。近十多年来， 注射模 CAD 技术在不断进行理论和实验研究的同时，十分注意 向实用化阶段发展，一些高 水平的商品软件逐步推出，并在推广和实际使用中不断改 进、提高和完善。比较有代表性的 软件系统有：澳大利亚 Moldflow PTY 公司的 Moldflow 系统该系统具有很强的注射模分析 模拟 功能，包括绘制型腔图形的线框造型软件 SN0D，有限元网格生成软件 FMESH，流 动分析 软件 FLOW，冷却分析软件 COOLING，流动、冷却分析结果和模架应力场分布 的可视化 显示软件 FRES 以及翘曲分析模拟软件。.美国 CR

19、ATEK 公司的注射模 CAD/CAM/CAE 系统该系统包括三维几何形状描 述软 件 OPTIMOLD III, 二 维 注 射 流 动 分 析 软 件 SIMUFLOW， 三 维 有 限 元 流 动 分 析 软 件 SMUFLOW 3D ， 冷 却 分 析 软 件 SIMUCOOL ， 标 准 模 架 ( 美 国 DME 标 准 ) 选 择 软 件 OPTMOLD 等部分。美国和意大利的 Plastics&Computer Inc 公司的 TMCONCEPT 专家系统该系统包 括材料选择 TMC-MS、注射工艺条件和模具费用优化 TMC-MCO、注射流动分析 TMC- FA、型腔尺寸设计

20、TMC-CSE 和模具传热分析 TMC-MTA 等功能模块。德国 IKV 研究所的 CADMOULD 系 统 该 系 统 具 有 注 射 模 流 动 分 析 、 冷 却 分 析 和力学性能校核等 功 能 ， CAD-MOULD-MEFISTO 系 统 则 采 用 有 限 元 法 进 行 三 维 型 腔 的流动分析。(二 ） 国 内 发 展 概 况 我国在注射模 CAD 技术开发、应用及研究方面起步较晚。从 80 年代中期开始， 国内部分大中型企 业先后引进了一些国外知名度较高的注塑模 CAD 系 统 。 同 时 ， 某 些 高等学校和科研院所也开始了注塑模 CAD 系统的研制与开发工作。多 年

21、 來 ， 我 国 对 注 射 模 设 计 制 造 技 术 及 其 CAD 的 开 发 应 用 十 分 重 视 ， 在 “八 五 ” 期间，这 方 面 安 排 了 “大 型 薄 壁 深 腔 注 射 模 具 制 造 技 术 ”、 “多 型 腔 小 模 数 齿 轮 精 密 模 具 制 造 技 术”和“实用 CAD/CAM 技术在精密注射模制造中的应用 ”等国家重点企业 技 术 开 发 项 目 ， 还 安 排 了 国 家 “ 八 五 ” 重 点 科 技 攻 关 项 目 “ 塑 料 注 射 模 CAD/CAM/CAE 集成系统研究 ”。不少省市也在这方面安排了攻关项目或重点科研课 题。 这 些 项 目

22、的 成 果 对 促 进 我 国 注 射 模 CAD 技 术 的 迅 速 发 展 起 到 了 重 要 作 用 ， 使 我 国 注 射 模 CAD 技术的发展和应用水平得到很快提高。我国在注射模 CAD 技术研究与开发方面较具代表性的工作有 ：华中理工大学是国内较早自行开发研究注射模 CAD/CAE/CAM 系统的单位之 一， 自 80 年 代 中 期 开 始 ， 就 在 注 塑 模 流 动 分 析 模 拟 和 冷 却 分 析 模 拟 方 面 进 行 了 较 深 入 的研究与开 发工作，并推出了塑料注射模 CAD/CAE/CAM 系统 HSC-1。该系统包括塑 料制品三维形 状输入、流动模拟、冷却

23、分析、型腔强度与刚度校核及模具图设计与绘制 等功能，在一些企 业单位应用，取得较好效果，现己实现商品化。浙江大学基于工作站的 UG II 系统开发出精密注射模 CAD/CAM 系统。该系统采 用 特征造型技术构造产品模型，使形状特征表达与工艺信息描述统一，并利用特征反转 映射实 现了型腔模型的快速生成。上海交通大学从 1983 年开始，对注射模 CAD 进行了多方面的研究。在国内首次 将 人工智能技术引入注射模 CAD 系统中，并于 1988 年开发出集成化注射模智能 CAD 系统。 现在在工作站 UG II 平台上进一步开发智能 CAD/CAE/CAM 系统。北京航空航天大学华正模具研究所开

24、发的注射模 CAD/CAE/CAM 系统具有塑料 产 品线框造型、曲面造型、分析模拟和数控仿真与数控加工程序生成等功能，具有很高 的技术 水平与实用价值。*合肥工业大学在注射模结构 CAD 技术方面进行了多年的研究与开发工作，先后 研制 出微机注塑模 CAD 系统 IPMCAD 和微机注塑模 CAD 三维系统 IPMCAD V3.0,取得 了较 好的成绩。IPMCAD3.0 系统在微机上采用三维实体模型、实体造型技术，使系统 在设计效 率和通用性两方面都得到较好的兼顾。现在以 AutoCAD R13.0 和 MDT 作为环 境，进一步 采 用 参 数 化 特 征 模 型 、 特 征 建 模 技

25、 术 和 装 配 模 型 技 术 ， 研 制 出 注 射 模 CAD 三维参数化系统 IPMCAD V4.0,在技术水平、实用性与通用性方面都达到较高水平。1.1.2 注 塑 模 具 CAD 发 展 趋 势今后，注塑模具 CAD 技术的发展方向是集成化、智能化、柔性化、网络化、并行 设计等，以提高系 统的实用性和方便性，并降低生产成本。(-）注塑模具 CAD 与 CAM 系统集成设计、制造或施工及相应的生产与工程管理等方面存在紧密的联系。为了提髙模 具的开 发 工 作 效 率 ， 人 们 首 先 将 模 具 CAD 与 模 具 CAM 两 个 过 程 有 机 地 连 接 起 来 ， 实 现 了

26、 模 具 CAD/CAM 体化。这种系统将 CAD 的设计结果直接用于数控仿真和生成数 控加工程序， 并送到数控机床进行自动加工。在 这 种 一 体 化 系 统 的 基 础 上 ， 人 们 又 积 极 开 展 计 算 机 集 成 制 造 系 统 （ ComputerIntegrated Manufacturing System， CEvIS )的 研 制 及 其 在 模 具 开 发 方 面 的 应 用 。 模 具 CMS 系统基于计算机技术和信息技术，将模具设计、制造、生产管理以及经营决策等 方面有机地 结 合 成 一 个 整 体 。 实 现 模 具 CIMS 系统的关键在于建立一个统一的全局

27、模具 产品数据模型， 以实现 CAD、CAM、CAE 各 单 元 之 间 的 数 据 自 动 传 递 、 转 换 以 及 信 息 共享。模具 QMS 系统是物流和信息流的综合，能对产品开发、模具设计、零件加工、 整机装配和检测检验的 全过程实施计算机控制，从而大大缩短了模具的设计制造周期， 降低了模具的生产成本，保 证了模具加工质量，并为企业创造了良好的经济效益。(二） 建立和应用注塑模具 CAD 网络环境 随着模具工业规模的扩大，要做到全球资源信息共享、交换等，网络化是必然的 发展道路。现在，将多台微型机 CAD 工作站联网或将多台微型机 CAD 工作站和工程工作站 联网，构成分布式 CAD

28、 系统，已成为一种趋势。这种局域网络系统结构灵活、功能强 大、价格较 低。每个工作站可单独使用，也可相互配合，卖现局域的资源和信息共享， 也可实现并行设 计和协同工作。这种 CAD 网络很适合企业单位的需要。因为企业中的 产品设计与制造一般 都不是个人行为，而是一个组或一个科室群体有组织有计划进行的 工程项目。参加工作的各 个成员必须相互配合、协同努力，在规定的权限下共享资源和 已有的设计结果，有关负责人 还要对各阶段的设计结果进行审核。这种 CAD 局域网络 的建立以及设计管理和协同设计功 能的实现，无疑将大大促进企业经济效益的提高。伴随广域网 Intemet/Intranet/Extran

29、et 的兴起和拓展，注塑模具网络 CAD 系统不再 局限于企业 内部，全球不同地域的设计人员可以相互协作，共同完成某项产品的设计。 这无疑有利于全球资源 信息共享，并符合经济全球化的要求。(三） 人工智能（专家系统）技术在注塑模具 CAD 中的应用一般的 CAD 系统都是一种人机交互系统，即系统中包含了使用系统的人。使用 CAD 系 统的设计者在系统行为中起着主导和决策的作用，因此设计结果往往带有人为的 因 素 。 人 工 智 能 （ AI ) 、专 家 系 统（ ES ) 和 基 于 知 识 的 系 统 （ Knowledge-Based System， KBS)技术的发展及其在设计领域的应

30、用，为 CAD 技术的发展开辟了新的途 径 ， 从 而 出 现 了 新的面貌。所谓智能 CAD 系统，是一个具有大量知识与经验的程序系统。它采用人工智能技 术， 运 用 知 识 库 中 的 设 计 知 识 进 行 推 理 、 判 断 和 决 策 ， 解 决 以 前 必 须 由 人 类 专 家 解 决 的 复杂问题， 使 CAD 技术的发展达到一个新的水平 2。由于知识库中的知识来源于很多 人类专家长期积 累的经验，因此，一个成功的 CAD 专家系统可以达到甚至超过领域设 计专家的水平。1. 2 课 题 的 研 究 意 义 和 主 要 内 容1.2.1 课 题 的 研 究 意 义 及 应 用 价 值模具工业是国民经济的基础工业，受到政府和企业界的高度重视，发达国家有“模 具工业是进入富 裕社会的源动力”之说，可见其重视的程度。当今，“模具就是经济效 益”的观念，已被越来越多的人 所接受 3。顶出系统是注射模具结构设计的主要部分之一，对制品质量起着非常重要的作 用。顶出系统设计是 否合理，直接影响到制品的外观质量和力学性能。如果顶出系统设 计不合理，即使制品或模具设计得再 好，在顶出时也会出现翘曲变形和泛白甚至