基于Windowsnative的三维塑料注射模具设计系统毕业设计

基于Windows-native的三维塑料注射模具设计系统L. Kong, J.Y.H. Fuh, K.S. Lee, X.L. Liu, L.S. Ling, Y.F. Zhang, A.Y.C. Nee Department of Mechanical Engineering, National University of Singapore,10 Kent Ridge,Crescent,Singapore,119260,Singapore摘要三维实体造型的革命已经达到了设计的主流。尽管高端三维实体建模系统已经在工程师在大型航空航天，消费电子产品和汽车公司的工作站，多年来，许多小公司现在正在做开关从工作站到PC。这种转变的一个原因是，灵活性和Windows NT本地/进步让软件开发人员创建，负担得起的和易于使用的应用程序。高端用户发现，中档的实体建模，如SolidWorks，见过他们的需求。SolidWorks作为由于Windows原生环境设计的平台，强大的组合功能，使用方便，快速的学习曲线，和负担得起的价格。Windows本地的三维塑料注射模具设计系统已在一个NT实现通过接口的Visual C + +代码与商业软件SolidWorks 99和API。系统设计师提供了一个交互式计算机辅助设计环境，既能加快模具的设计过程和促进标准化。2003 Elsevier科学有限公司保留所有权利。1引言在广泛的产品范围中更广泛的使用塑料零件，从消费产品到机械、汽车和飞机，注塑工艺已被确认为一个重要的制造工艺，模具设计过程通常是新产品的开发至关重要的一步。按常规，模具设计一直是一个很神化的艺术，需要多年的经验，才可以相对精通。由于初期学习这项艺术中比较困难，越来越少的人在这一领域从经验和知识的专家们身上受益。为了改变目前的状况，其方法之一是使用了计算机辅助设计(CAD)系统。CAD作为一个日常术语已变成为一种广泛的能力，并已在应用教育，学校教学，三维机械设计各个领域。目前，大部分的CAD系统只能提供几何造型功能，这些功能只能促进模具设计的草绘操作，并不能提供模具设计者所需要的知识。因此，许多附加的软件，例如IMOLD，已经制定了高层次的三维造型平台，以方便模具的设计过程。象这种安排在很多方面是有利的，三维建模平台提供插件式软件组件库功能，以及建立一个用户界面和设计风格，因此，这些自选开发时间是大大减少。IMOLD(智能模具设计)1是一种基于知识的软件应用程序,它运行在国标库SolidWorks平台,通过使用用户提供的功能进行实现功能。它在UNIX和windows操作系统上可用。多年来,模具设计工程师不得不处理两个不同的系统,UNIX和电脑。前者广泛应用于工程应用，同时后者主要应用中小型企业。工程师还需要运行企业办公应用软件如文字处理、电子表格、和项目管理工具,但是这些并不是在UNIX平台上完成的。幸运的是, 在过去的十年中，计算机技术卓越的发展已经提供了一种方法来改变这种情况。最重要的变化是在计算机硬件方面,即实际的电子元件与数据处理、信息存储和显示技术,在速度和内存方面的变化。这些都导致了solid-modeling函数在测控系统与CAD /CAM系统更高效的应用。随着精致而又低成本的软件的增加，越来越多的工程师使用PC应用程序来完成他们的工作。因此,开发一个新的基于Windows平台的模具设计应用程序的发展需求越来越高。高端用户发现,中档实体建模软件，像SolidWorks等就够满足他们的需要。作为从Windows发展起来的应用程序，SolidWorks是其中一种三位机械设计软件。其独特的高生产效率、易用性和负担能力的组合是无与伦比的。SolidWorks 99是Windows NT系统的第七个主要版本的机械设计软件,并且在一个完全集成的实体模型系统中为Windows 98及以后的Windows系统提供了一个增强力量和功能的作用。熟悉的常规操作如点击、拖放、剪切和粘贴,与其他Windows软件无阻碍数据共享导致产品率的提高。易操作而不需广泛的培训和合理的价格使公司安装SolidWorks系统在每个工程师的电脑上成为可能。它的其中一个应用程序是塑料工业的模具设计。这一最新应用技术增加了一个全新的维度针对对模具设计过程。2注塑模具设计注塑成型使用温度依赖性改变材料性能，通过使用模具取得最后的形状离散部件完成或接近完成尺寸。在这种制造过程中，液体材料是被迫填入，在型腔模具内凝固。首先，要创造一个模式塑造需要一个设计模型和一个载箱。设计模型代表了成品，而载箱代表模具组件的总体积。注塑模具设计涉及模具结构与功能的组成部分广泛的经验知识(启发式知识)。典型的过程中塑造新的发展可以分为四大阶段:产品设计，模具的能力评估，部件详细设计，插入型腔设计和详细的模具设计。在开始阶段，产品概念是在一起由几个人(通常是一个组合营销和工程)完成。开始阶段主要焦点是分析市场的机遇与适应战略。在第一阶段，典型相关工艺制造信息被添加到设计中，设计出几何细节。概念设计利用适当的制造信息转化为可制造的物品。在第二阶段，脱模方向和分型线位置用来检测模具的能力。否则，零件形状再次修改。在第三阶段，零件几何是用来建立模具的型芯和型腔形状，模具的型芯和型腔，将用来形成零件。一般，收缩和扩张需要加以考虑，这样，在处理温度下，成型将具有正确的尺寸和形状。浇口、流道、冷料穴、通风口也需要加以补充。几何数据和分模信息之间的联系在这一点是至关重要的。第四阶段与模具总体机械结构相关，模具总体机械结构包括连接模具到注塑机，注塑机是用于浇注、冷却、取出和模具装配的机械装置。3方法论对于上述原因，则SolidWorks99已被使用作为新的模具设计的应用程序的平台。图1显示了一个Windows的原生3D注塑模具设计系统与IMOLD的比较。用户的应用程序可以创建和运行作为一个独立的exe文件或在SolidWork用户DLL或扩展DLL。SolidWorks的加载项管理器允许用户控制那些第三方软件在图1:用户应用程序时，SolidWorks，Unigraphics和Parasolid之间的关系。任何时候他们的SolidWorks进程中加载。不止一个软件可以一次装入，并且设置将会保留到SolidWorks进程中。3.1 SolidWorks同类产品中SolidWorks作为适用于Windows的3D产品设计软件之一，最近提供最强大，最直观的机械设计解决方案之一。在SolidWorks中，部分是通过建立一个“基本特征”，并加入其他功能，如凸台，切除，孔，圆角或壳体创建。该基本的功能可能是挤压，革命，扫掠轮廓，或放样。要创建一个基本特征，绘制二维几何轮廓，并通过空间移动配置文件创建卷。几何参数可在构建平面或零件上的二维表面中勾勒出。基于特征的实体建模程序进行二维设计技术已经过时。然而，基于Unix的实体建模软件是昂贵的。随着引进Microsoft Windows的SolidWorks，成本低于早先驱动实体建模程序的价格。3.2 Parasolid 作为3D 内核SolidWorks使用Parasolid作为3D内核。Parasolid的内核建模工具包，是世界公认领先的，经过生产验证的实体建模核心。设计成一个边界精确的表示实体建模，Parasolid被设计成可提供强大坚实的造型，广泛的细胞模型和集成面/片建模功能，是专为方便地集成到CAD/ CAM / CAE系统，让产品快速的投入市场。其功能是广泛作为例程提供给面向对象的编程接口库。它本质上是一个实体建模工具，它可以用来4：（1）建立和操作的立体物体;（2）计算质量和惯性矩，并执行干扰检测，（3）输出的对象的各种图案的方法（4）存储的对象在某种数据库或归档和检索它们，以及（5）支持自由曲面。图2 SolidWorks API的工作对象3.3. API 5SolidWorks应用程序编程接口（API）是一个连接到SolidWorks的OLE编程接口到。该API包含了数百个函数，可以从Visual Basic，VBA（Excel，Access等），C，C +，或SolidWorks的宏文件。这些函数提供了程序员可以直接访问SolidWorks的功能，如创建一条线，挤压零件，或验证一个表面的参数。API接口采用面向对象的方法。所有的API函数适用于一个对象的性能或方法。图2是SolidWorks的API对象的一个特定视图。SolidWorks公开功能主要通过使用派遣OLE自动化，并通过标准的COM对象来实现。调度接口6将打包参数并重新转换为有价值的变体，因此像Basic这样的语言可以处理它们。COM可以实现让你的应用程序更加直接访问底层对象，随后提高了性能。图3模具设计应用程序的系统基础设施4执行事实表明，SolidWorks的API接口采用了面向对象的方法和API函数允许选择对象语言，例如:作为编程语言的Visual C+。利用这种方法，在Windows NT下，基于Windows的注塑模具三维设计的应用软件通过Visual C+的代码与商业软件SolidWorks99接口开发。这个应用模具设计过程分为几个阶段，提供模具设计者制造模具设计可靠方法。图3概述了这个框架。每一个阶段可以视为一个独立程序模块。几个单元已成功使用SolidWorks开发.它们中的两个模板模块和分模模块如下所示。4.1 基于模架设计的模具基于模架设计的模具与所有的组件和配件，像HASCO，DME，HOPPT，LKM和FUTABA可自动创建参数化标准模板。设计师常用可以轻松地定制模板的这种模架。主要特点包括:像支柱、浇道衬套、两板，三板那样的标准模架组件的实用性，以及定制非标准模具模板。 基于模架设计的模具分为四个主要部分，即构件库(包括标准和非标准件库)，设计表中的尺寸驱动功能，结构关系管理。在这里，SolidWorks提供了尺寸驱动的功能是，以支持其申请。图4详情介绍了基于模架设计的模具。 图4 模具基础模块的细节（1）组件库为了在这竞争日益激烈的世界加强模具设计能力，降低设计成本和缩短生产周期，减少人力、自动化等是达到这一目的主要因素。换句话说，使用计算机软件是非常必要的。 计算机软件能够容易地创建，修改，分析模具设计的部件，更新变化中的设计模型。为达到这个目标，三维构件库提供储存标准和非标准零部件的数据，其尺寸是储存在Microsoft Excel中 。通过指定合适的尺寸，这些组件可以生成和插入装配结构。 这个库是完全可定制和设计师能放入自己的部分加入组件库。（2）尺寸驱动 SolidWorks提供了强有力的尺寸驱动功能，以支持参数化设计。储存在Microsoft Excel中的尺寸和几何存在逻辑关系。当尺寸设置与相应物件几何参数设置相结合，可以获得确切的模型。图5 分块涉及模块（3）设计表设计表允许设计师在嵌入的Microsoft Excel 制表中通过具体参数建立多种零部件配置。设计表保存在零件文件夹，是用来存储的尺寸， 制止特点和性能配置， 其中包括在材料，组件和客户的要求中的零件数量。 当增加适当的尺寸，设计表将包含所有必要的信息，以建立一个精确的装配模型。（4）结构关系管理本部分讲述了组建模板之间的结构关系，从设计表供应的某些参数设置能帮助模具设计师插入这些部件装配结构， 因此，一个特定的装配模板就可以自动生成。图6分离的设计过程：（a）确定分模方向;（b）代修补面;（c）确定分型线和挤压方向;（d）被分离表面;（e）辐射分型面;（f）工件的创建;（g）型芯和型腔的生产。42 分模模块一些分模算法以前就报导过。在这方面的发展，分模用来处理型芯和型腔。在注塑模具计算机辅助设计系统中，这是一个最重要的模块。设计一个模具模型需要有设计模型， 工件和有效分型面。设计模式体现了成品，而装载箱体现了模具组件的总量。为了把工件分成型芯和型腔，设计模型首先从工件中去除。然后用分模面把工件塑造成半，常指型芯和型腔。当熔融塑料射入型腔，模具对立的两面形成成品。凝固后，两半模子沿分模面d和d分别移开。然后获得了实际部分。图5显示分模设计过程。(1) 脱模方向的确定型芯和型腔打开的相反两个方向就是分模方向，为了形成分型线，分模方向应首先确定。 分模方向影响分型线定位。分型线决定了模具的复杂度。 在大多数情况下， 分模方向是由几何和制造问题同时决定（图6a）。(2)识别和修补穿孔当产品中有穿孔，设计者必须标明孔的分模位置，在这些孔里边生成分型面。在这篇论文中，这就是所谓的补丁。表面都需要用来修补的通孔。 由于上模具和下模具在通孔处相连。如果没有事先修补通孔，模具是不能分开，型芯和型腔不能自动创建(见图6b)。(3) 确定分型线和顶出方向在成型中，一组零件的表面由型芯塑造，而另一组是由型腔塑造。分型线因此是由型芯和型腔塑造的两组表面的相交线。通过分型线在表面组选择最大边缘线。从分型线到型芯或型腔边界，顶出方向在顶出过程中，分型线将会跟随。分型线是垂直于分模方向，平行于模具工件面的表面法线(见图 6c)。 （4)分型面生成分型面是型芯和型腔的匹配面。分型面可以作为分裂面把模具分成两半。两种方法可以用来生成分型面。席卷法：分型面通过顶出分型线到型芯和型腔外边界形成（图6d）。拉伸方法：在SolidWorks中，分模面可以使用拉伸分模线到指定距离的方法创建，这个距离要足够大，大到可以沿伸到工件的外表面。(见图6e)(5)工件的创建物件装入工件中，工件外围额外空间用计算机计算。工件大小由物件的几何大小、模具强度、模具参数决定。模具参数可以有效定义模具装配。(6) 型芯和型腔的生成为了生成型芯和型腔，工件被子分成两半。首先，设计模型从工件中取出。在工件内部获得一个空的空间。然后，分模面和修补面被使用把工件分成型芯块和型腔块。最后，在模拟模具开启过程和检查模具组件之间的干扰后，工件两半分别沿分模方向d和d从分模面分离5结论本文介绍了注塑模设计和注射模CAD方法的基本概念，通过Windows NT平台，这个方法通过SolidWorks 99 和 API得到了很好的贯彻。Windows NT被选作为一个平台，是因为它的Windows-native设计环境、强大的装配能力，易用性，快速的学习曲线，和负担得起的价格。采用Visual C+的注塑模具设计CAD原型已应用并实施在Solidworks 99和API通过Windows NT平台 。这一原型已经开发和测试若干模块，如数据准备，填充设计， 模板和分模设计，为模具设计生成提供了好的计算结果。程序为设计者提供了交互式CAD程序，窗口核心技术设计环境。这个程序既能加快模具设计过程，并促进标准化。标准化反过来又增加了模具制造速度。 参考文献1 IMOLD Version 3.0, Manusoft Plastic Pte Ltd., 1998.2 Y.S. 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