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注塑模具自動裝配造型 X. G. J. Y. H. . S. 械和生產(chǎn)工 程 部 ，新加坡 國立 大學(xué)，新加坡 注射模是一種由與塑料制品有關(guān)的和與制品無關(guān)的零部件兩 大 部分組成的機械裝置。 本 文 提出了（有關(guān)）注射模裝配造型的 兩個主要 觀點 ， 即 描述了在計算機上進行 注射 模裝配以及確定裝配中與制品無關(guān)的零部件的方向和位置的方法 ， 提出了一個基于特征和面向?qū)ο蟮谋磉_式以描述注射模等級裝配關(guān)系 ， 該論述 要求 并允許 設(shè)計者除了考慮 零部件的外觀形狀和位置 外 ，還要明確知道什么部份 最重 要和為什么。 因此，它為設(shè)計者 進行裝配設(shè)計 （ 供 了 一個機會。 同樣地， 為了 根據(jù)裝配狀態(tài) 推斷出 裝配體中裝配對象的 結(jié)構(gòu) ，一種簡化 的 特征幾何學(xué)方法 也 誕生了。 在 提出的表達式和簡化特征幾何學(xué)的基礎(chǔ)上， 進一步深入探討了 自動 裝配造型的方法 。 關(guān)鍵字： 裝配造型 ；基于特征；注射模；面向?qū)ο?。 1、 簡介 注 射成型 是生產(chǎn)塑料模具產(chǎn)品最重要的 工藝 。 需要用到的兩種裝 備是：注射成型機和注射模。 現(xiàn)在常用的注射成型機即所謂的通用機，在一定尺寸范圍內(nèi)，可以用于不同形狀的各種塑料模型中，但注射模的設(shè)計就必須隨塑料制品的變化而變化。 模型的 幾何因素不同，它們的構(gòu)造也就不同。注射模的主要 任務(wù) 是把塑料熔體制成塑料制品的最終形狀， 這個過程 是 由 型芯 、 型腔 、 鑲件 、 滑塊 等 與塑料制品有關(guān) 的零部件 完成的，它們 是直接構(gòu)成塑料件形狀及尺寸的各種零件 ，因此 ， 這些 零件 稱 為 成型零件 。（在下文，制品指塑料模具制品，部件指注射模的零部件。） 除了 注射 成型 外，注射模還必須完成分配熔體、冷卻、 開 模、 傳輸、引導(dǎo)運動等任務(wù)，而完成這些任務(wù) 的注射模組件在結(jié)構(gòu)和形狀上往往都是相似的 ，它們的結(jié)構(gòu)和形狀并不取決于塑料模具，而是取決于塑料制品。 圖 1顯示了注射模的結(jié)構(gòu)組成。 圖 1 注射模的結(jié)構(gòu) 成型零件的設(shè)計從 塑料制品 中 分離 了出來 。 近幾年， 型零件 的設(shè)計上。 成型零件的形狀的自動化生成 也引起了很多研究者的興趣，不過 很少有人在其上付諸實踐，雖然 它 也象結(jié)構(gòu)零件一樣重要 。 現(xiàn)在，模具工業(yè)在應(yīng)用 計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計成型零件和 注射成型機時，遇到了兩個主要困難。 第一，在一個模具裝置中，通常都包括有一百多個 成型零部件，而這些零部件 又相互聯(lián)系，相互限制。 對于設(shè)計者來說，確定好這些零部件 的正確位置是很費時間 的。 第二， 在很多時候，模具設(shè)計者已想象 出工件的真實 形狀，例如螺絲，轉(zhuǎn)盤和銷釘，但是 一種信息 的操作。 這就需要設(shè)計者將他們的想法轉(zhuǎn)化成 例如線，面或者實 體等 )。 因此，為了解決這兩個問題，很有必要發(fā)展 一種用于 注射模的自動裝配成型系統(tǒng) 。 在此篇文章里，主要講述了兩個觀點 ：即 成型零部件和模具 在計算機上的防真裝配 以及確定零部件在 模 具中 的結(jié)構(gòu)和 位置 。 這篇文章概括了關(guān)于注塑成型的相關(guān)研究，并對注射成型機有一個完整的闡述。通過舉例一個注射模的自動裝配造型 ，提出一種簡化的幾何學(xué)符號法， 用于確定 注射模具零部件 的 結(jié)構(gòu)和位置。 在各種領(lǐng)域的研究中， 裝配造型 已成為一門學(xué)科，就像運動學(xué)、人工智 能學(xué)、模擬幾何學(xué)一樣。 了一個關(guān)于 裝配造型 的調(diào)查。 據(jù) 稱 ，很多研究人員已經(jīng) 開始 用圖表分析 模型會議拓撲。在這個圖里， 各個元件 由 節(jié)點組成的 ，再將這些點依次連接成線段。 然而這些 變化矩陣 并沒有緊緊的連在一起，這將嚴重影響整體的結(jié)構(gòu)，即，當其中某一部分移動了，其他部分并不能做出相應(yīng)的移動。 持包含更多的關(guān)于 零部件 的基本信息的一種分級的裝配數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就像在各元件間的“裝配特征”。 變化矩陣自動從實際的線段間的聯(lián)系得到， 但是這個分級的拓撲模型只能有效地代表 “ 部分 ” 的關(guān)系。 自動判別 裝配 組件的結(jié)構(gòu)意味著設(shè)計者可避免直接指定變化的矩陣，而且 ， 當它的參考零部件的尺寸和位置被修改的時候， 它 的位置 也 將 隨之 改變。 現(xiàn)在 有三種技術(shù)可以推斷組件在 模具中的位置和結(jié)構(gòu) ：反復(fù)數(shù)值技術(shù) ,象征代數(shù)學(xué)技術(shù)，以及象征幾何學(xué)技術(shù)。 空間關(guān)系計算每個組成 元件 的位置和 方 向 的反復(fù)數(shù)值技術(shù) 。他們的理論由三 步 組成：產(chǎn)生條件方程式，降低方程式數(shù)量，解答方程式。 方程式有： 16 個滿足未知條件的方程式， 18 個滿足已知條件的方程式， 6 個滿足各個矩陣的方程式以及另外的兩個滿足旋轉(zhuǎn)元件的方程式。 通常方程式的數(shù)量超過變量的數(shù)量 時， 應(yīng)該想辦法 去 除 多余的方程式。 牛頓 迭代法 常用 來解決這種方程式。不過這種方法存在兩種缺點： 第一，它太依賴初始解；第二：反復(fù)的數(shù)值技術(shù)在解決空間內(nèi)不能分清不同的根。 因此，在一個完全的空間關(guān)系問題上，有可能解出來的結(jié)果在數(shù)學(xué) 理論 上有效，但實際上卻是行不通的。 議分別計算每個零部件的旋轉(zhuǎn)量和轉(zhuǎn)變 量 以確定 它們之間 的空間關(guān)系， 而解出的 每個零部件的 6 個變量 (3個轉(zhuǎn)變量和 3旋轉(zhuǎn)量 )要和它們的 空間關(guān)系一致。 這種方法 要求大量的編程和計算，才能用可解的形式重寫有關(guān)的方程式。此外，它不能 保證 每次都能求出 結(jié)果，特別是當方程式不能被以可解答的形式重寫時。 為了 能確定 出滿足一套幾何學(xué)限制條件的剛體的位置與方向， 發(fā)了一種特征幾何學(xué)方法。 通過產(chǎn)生一連串滿足逐漸增長的限制條件的動作 推斷其幾何特征 ，這樣將減少物體 的自由度數(shù)。 用的基本參考實體稱為一個 "標識 "，由一個點和兩正交軸 構(gòu)成 。 標識間的 7個限制條件 （ 被定了義。 對于一個 包括獨立元件、相互約束的標識和不變 的標識的問題來說，可以用動作 分析 法來解決問題，它將 一步一步地 最后求出 物體 的最終 的 幾何 構(gòu)造。在確定物體構(gòu)造的每一個階段， 自由度分析將決定什么動作 能提供 滿足 限制 物體 未加限制部位的自由度 。然后計算該動作 怎樣 能進一步降低物體的自由度數(shù)。 在每個階段的最后，給隱喻的裝配計劃加上合適的一 步 。根據(jù) 分析， 理論 代表了 注射模具 最顯著的發(fā)展，他的特征幾何學(xué)方法能解出全部的限制條件。和反復(fù)的數(shù)值技術(shù)相比，他的這種方法更具吸引力。不過要實行這種方法，需要大量的編程。 現(xiàn)在雖然已有很多研究 者開始研究注射成型機，但仍很少有學(xué)者將注意力放在注射模設(shè)計上。 發(fā)了一個注射模的設(shè)計支援系統(tǒng)。 這個系統(tǒng)通過高級的模具 對象 (零部件和特征 )支持注射模的成型設(shè)計。 因為系統(tǒng)是在 此它只適于線和簡單的實 體模型操作。 述 主要講述了關(guān)于注射 模自動裝配造型 的兩個方面：注射 模 在電腦上的防真 裝配 和確定 結(jié)構(gòu) 零件在裝配 中的位置和方向。 在這個部分，我們基于特征和面向?qū)ο笳撌隽俗⑸淠?裝配。 注射 模 在電腦上的防真 裝配包含著注射模零部件 在結(jié)構(gòu)上和空間上 的聯(lián)系 。這種防真必須支持所有給定零部件的裝配 、 在相互關(guān)聯(lián)的零部件間進行變動 以及整體上的操作。而且防真 裝配 也必須滿足設(shè)計者的下 列 要求： 1． 支持能表達出模具設(shè)計者實體造型想象的高級對象。 2． 成型防真應(yīng)該有象現(xiàn)實一樣的操作功能，就如 裝入和干擾檢查。 為了滿足這些要求， 可用一個基于特征和面向?qū)ο蟮?分 級模型來代替注射模。這樣便將模型分成許多部分， 反過來由多段模型和獨立部分組成。因此，一 個分級的模型最適合于描述各組成部分之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。 一 級表明一個裝配順序，另外，一個分級的模型還能說明一個部分相對 于 另一個部分的確定位置。 與直觀的固體模型操作相比，面向特征設(shè)計允許設(shè)計者在抽象上進行操作。 它可以通過一最小套參數(shù)快速列出模型的特征、尺寸以及其方位。此外，由于特征模型 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在幾何實體上的聯(lián)系，設(shè)計者更容易更改設(shè)計。如果沒有這些特征，設(shè)計者在構(gòu)造固體模型幾何特征時就必須考慮到所有需要的細節(jié)。 而且面向特征的防真為設(shè)計者提供了更高級的成型對象。 例如， 模具設(shè)計者想象出一個澆口的實體形狀，電腦就能將這 個澆口造型出來。 面向?qū)ο?造型法 是一種 參照實物 的概念 去設(shè)計模型的新思維方式。 基本的 圖素 是能夠?qū)?數(shù)據(jù) 庫 和 單一圖素的 動作 聯(lián)系起來的對象 。 面向?qū)ο蟮脑煨蛯斫鈫栴}并且設(shè)計程序和數(shù)據(jù)庫是很有用的。 此外，面向?qū)ο?的裝配體呈現(xiàn)方式 使 得“子”對象能繼承其“父”對象的信息 變得更容 易。 圖形 2說明 以特性為基礎(chǔ)和面向?qū)ο蟮姆謱拥谋硎疽环N插入模具。 表示是多重水平的提取的一種分層的結(jié)構(gòu)，從低水平的幾何學(xué)的實體 (形成特性 )到高水平的組件。 在盒子中被封入的項目代表 “裝配對象 ”； 固體線代表 “部分 ”關(guān)系； 同時，猛沖的線代表其它關(guān)系 。 組件 ( 包括部分 ( 。 一部分能被認為是形式特性 ( 的一 種 “裝配 ”。 表示把一個以特性為基礎(chǔ)的幾何學(xué)的模型的力與面向?qū)ο蟮哪Ｐ偷哪切┫嘟Y(jié)合。 它不僅包含父對象和 子對象之間的 “部分 ”關(guān)系，也包括富有的套結(jié)構(gòu)的關(guān)系和裝配對象的一群操作的功能。 在段中 裝配對象之間有有關(guān)一種裝配對象的定義的較進一步的討論，而詳盡的關(guān)系在 在我們的工作中，一種裝配對象， O，以如下形式被定義為一個唯一而可辨認的實體： O = ( A， M， R ) ( 1 ) 在此式中： O )的一個唯一的標識符。 ( t， a， v )。 每一 元素 的一種屬性，與每一屬性有關(guān)是一類型， t，和一種價值， v。 ( m， %， 素都有唯一識別 方法。 符號 同時，方法定義有關(guān)對象的操作。 符號 i= 1， 2， %， n )規(guī)定爭論類型和 符號 間的關(guān)系 模具設(shè)計在本質(zhì)中是一個智力 的過程； 模具設(shè)計者大多數(shù)時間在 真實客觀的對象諸如金屬板 ，螺絲 釘 ，槽，斜面，和孔等思索設(shè)想。 因此，用形式特性建設(shè)所有產(chǎn)品獨立部分的幾何學(xué)的模型是必要。 模具設(shè)計者能容易地改變一部分的大小和形狀，因為 形式特性之間的關(guān)系保持在部分表示中。 圖形 3(a )顯示一個金屬板帶有一個含有公差等級要求的孔。 這部分被兩個形式特性定義，即一個塊和 含有公差等級要求的孔 。 關(guān)于塊特性計數(shù)器開掘洞 ( 被放置 用他們本地分別地協(xié)調(diào) 方程 ( 2)– ( 5 )顯示計數(shù)器開掘洞 ( 和塊特性 ( 之間的空間的關(guān)系。 對 于形式特性，沒有他們之間的空間的約束，因此空間的關(guān)系被設(shè)計者直接指定。 兩形式特性之間的詳盡的裝配關(guān)系被定義如下： 一種裝配中的若干部分的位置和方向最后通過轉(zhuǎn)換矩陣來表達。 為了方便的緣故，空間的關(guān)系通常被諸如 “伙伴 ”， “結(jié)盟 ”和 “平行 ”的高水平的鋪席子的條件指定。 這樣，從含蓄的約束關(guān)系自動地引出若干部分之間的清晰明確的轉(zhuǎn)換矩陣是十分重要。推斷一種裝配中的若干部分的配置三種技術(shù)在段 們使用 這接近來確定位置和一種裝配中的若干部分的方向。 為了在裝配模擬軟件中執(zhí)行這接近，大量的編寫程序被要求。因此，一種簡化的幾何學(xué)的接近被建議確定位置和一種裝配中的若干部分的方向。 在象征性幾何學(xué)的接近中，確定位置和若干部分的方向被產(chǎn)生一系列行動執(zhí)行符號滿足每一逐漸增長的約束。被要求來滿足每一逐漸增長的約束的信息儲存在 “計劃片段 ”的一個表格中 。 每一計劃片段是規(guī)定一系列測量方法和行動的一個過程按照這樣一種方式移動部分對于滿足相應(yīng)的約束。 計劃片段也記錄 新的 自由度和聯(lián)系 不變量 的幾何不變式 。 由于這些限制約束序列， 我們的計劃片段桌子中的輸入的數(shù)字基本上被減少。 為了為了一，兩或者三個約束解決在我們的系統(tǒng)中允許，九種輸入僅僅被要求。 為了交互式的增加組成部分裝配，更多約束類型和自由的序列將為了用戶增加靈活性。 然而，在為了一種插入模具模擬的自動裝配中，當空間的關(guān)系被預(yù)先規(guī)定在裝配對象中時，一些序列限制不有關(guān)系。 有了上述的定義的合成約束，一個組成部分部分的結(jié)構(gòu)的關(guān)系能指定在組成部分的數(shù)據(jù)庫中。 當把一個組成部分部分添加到模具裝配時，系統(tǒng)將首先分解進入原始的約束的合成約束，然后產(chǎn)生一群片段計劃將組成部分指明方向并且定位在 裝配中。 任何注射模具的裝配都由產(chǎn)品的局部和整體兩部分組成 。產(chǎn)品 的局部依賴產(chǎn)品 的 整體設(shè)計基于塑料的部分 [ 1,2 ]的幾何學(xué)。 產(chǎn)品依賴部分通常有與那個同樣的方向頂端水平裝配，而他們的位置被設(shè)計者直接指定。 對于產(chǎn)品獨立部分的設(shè)計，常規(guī)，模具設(shè)計者從目錄中選擇結(jié)構(gòu)， 為了 產(chǎn)品 若干部分的選擇的結(jié)構(gòu)建設(shè)幾何學(xué)的模型，而然后把產(chǎn)品獨立部分添加到插入模具的裝配。 這設(shè)計過程是時間消耗的和差錯容易傾向于。 在我們的系統(tǒng)中，一個數(shù)據(jù)庫為了所有產(chǎn)品獨立部分根據(jù)裝配表示被建造，而對象定義在段 描述這數(shù)據(jù)庫包含產(chǎn)品獨立部分的幾何學(xué)的形狀和大小，也包括他們之間的空間的約束。 此外，一些日常事務(wù)發(fā)揮作用諸如干擾檢查和裝在衣袋內(nèi)被封裝在數(shù)據(jù)庫中。 因此，模具設(shè)計者必須從用戶接口中選擇產(chǎn)品獨立部分的結(jié)構(gòu)類型，而然后軟件將為了這些部分自動地計算方向和位置矩陣，而把他們添加到裝配。 正如圖 1所示，產(chǎn)品的獨立部分可以更進一步被分為 摸具 基礎(chǔ)和標準部分。 摸具 基礎(chǔ)是由一群金屬板，插腳，導(dǎo)套等等組成的。除了 塑型 產(chǎn)品， 模具必須具有一系列功能，諸如，箝位，校準，冷卻，注塑等等。大多數(shù)產(chǎn)品不得不 合并相同的功能，這導(dǎo)致了相似結(jié)構(gòu)的樹立。 一些模具建筑形成的標準已經(jīng)被采用了。 模具基礎(chǔ)起因于這個標準。 根據(jù)以特性為基礎(chǔ)和面向?qū)ο蟮难b配表示，模具基礎(chǔ)組成部分的以特性為基礎(chǔ)的固體模具首先被建造 ；其次，裝配對象被定義為在成分和壓縮功能一部分功能在組成零件之間建立關(guān)系；然后，利用這些組裝對象，一個分層的組裝對象 —— 模具基礎(chǔ) ——能被形成。 這些模具基礎(chǔ)對象能通過目錄數(shù)據(jù)庫被例示。表 4列出了模具基礎(chǔ)對象來產(chǎn)生指定的模具基礎(chǔ)的例子。這個指定的模具基礎(chǔ)實例能自動地添加到模具裝配。 模具基礎(chǔ)部件和最高裝配的結(jié)構(gòu)關(guān)系能通過 8）和（ 9）式是單元矩陣。 準零件的自動增加 一個標準零件是一個組裝對象。它可以通過章節(jié) 1）來定義。 在數(shù)據(jù)庫中， 空間約束用 面 不像模具基礎(chǔ)，標準件的位置和方向的矩陣是未知的。在示例中，軟件通過利用單一的符號幾何來自動推斷章節(jié) 4中描述的結(jié)構(gòu)關(guān)系。 配對象的包裝 自動裝配設(shè)計的一個重要問題是自動包裝過程。 包裝是一個在相應(yīng)組成部分提供附著成分的真空區(qū)的操作。當一個驅(qū)動者被添加到裝配時，一個空的空 間被要求在 表 5所示。 由于面向?qū)ο蟮谋硎痉ū徊扇?，每一個裝配對象能被描述為兩個實體，實物和虛擬物。虛擬物通過被實物占據(jù)的空間模仿。 只要一個裝配對象被添加到裝配中，它的虛擬對象也被添加到裝配中。 操作發(fā)揮作用中的 ) M 參看公式（ 1）和表 1)。 此外，因為在相應(yīng)的組成部分上在虛擬對象和真正的對象之間有聯(lián)系，包裝將隨真正的對象的修正而變化。 這種自動包裝功能更進一步顯示了面向?qū)ο?表示法 的優(yōu)勢。 13 ]，所提出的 以特性為基礎(chǔ) 和面向?qū)ο蟮难b配計劃和自動化裝配模擬的系統(tǒng)在新加坡的 國立大學(xué) 被開發(fā)的 14 ]中已被執(zhí)行。 通過這個接口，用戶可以調(diào)用 如增加裝配部件，修正參數(shù)等等。 圖 6顯示的是一個注塑模具產(chǎn)品，這個產(chǎn)品的注塑模具組裝設(shè)計顯示在圖 7（ a）。固定一半組件的相應(yīng)的父子關(guān)系圖顯示在圖 7（ b）。裝配是由 一個模具基礎(chǔ)的零件都在裝配中自動定位。應(yīng)用程序接口 )。 通過這接口，雖然 戶能呼叫諸如把部分添加到一種裝配的 改參數(shù)等等，所提出的接近仍然被需要推斷組成部分配置，因為在組成部分能被添加到裝配之前，計算自由的度是必要，而檢查給條件鋪席子的有效性。 圖 6個展覽一種插入鑄造產(chǎn)品，因為圖被領(lǐng)進來，和設(shè)計的插入模具裝配這產(chǎn)品 7(a )。 固定一半組件的相應(yīng)的 “父與子” 關(guān)系被領(lǐng)進來圖 7(b )。 這裝配被系統(tǒng)設(shè)計。 每一模具基礎(chǔ)的盤子自動地被定位在裝配中。 諸如定位的圓環(huán)和驅(qū)逐者的標準的 部分自動地被添加到裝配，因為這些標準部分也自動地被建立，和口袋。 注射模具裝配以所提出的特性為基礎(chǔ)和面向?qū)ο蟮姆謱拥谋硎静粌H把特性范例擴展到裝配，由于擴展特性范例而給條件，插入和方向限制等等鋪席子到裝配設(shè)計設(shè)計，而且是封裝操作的功能和幾何學(xué)的約束，諸如自由的程度，諸如集合的組成部分的模糊變化修正甚至能在完成裝配過程之后被制定。 裝配對象的封裝有如下兩種優(yōu)勢： 首先，因為裝配的條件被封裝在裝配對象中，自動裝配設(shè)計容易執(zhí)行； 其次，對象裝配的封裝操作的功能使諸如裝在衣袋內(nèi)與干擾檢查的裝配設(shè)計 的日常事務(wù)過程自動化。 所提出的 簡單化的動作分析能基本上減少為了自動檢測校對模具裝配之內(nèi)組成部分干擾所需要的規(guī)劃設(shè)計的 努力。