吹塑模具CAD技術研究與應用現(xiàn)狀分析

劉 斌，吳盛金

（華南理工大學聚合物新型成型裝備國家工程研究中心，聚合物成型加工工程教育部重點實驗室，廣州 510640）

吹塑模具CAD技術研究與應用現(xiàn)狀分析

劉 斌，吳盛金

（華南理工大學聚合物新型成型裝備國家工程研究中心，聚合物成型加工工程教育部重點實驗室，廣州 510640）

本文介紹了吹塑模具CAD技術的研究與應用現(xiàn)狀，重點介紹了在通用三維CAD軟件上進行吹塑模具CAD二次開發(fā)的情況，總結出它們各自的特點，并闡述了吹塑模具CAD的應用及發(fā)展趨勢。

吹塑模具；CAD；二次開發(fā)

1 前言

吹塑成型主要用于成型中空薄壁塑料制品，是第三大塑料成型技術[1]。在過去的20年中，隨著在汽車、運動器材、交通運輸、辦公自動化設備、包裝工業(yè)等新應用領域的發(fā)展，吹塑成型技術的發(fā)展非常迅速[2]。

吹塑制品需要經歷制品設計、模具設計及加工、制品成型等三個階段，而模具設計及加工又是其中至關重要的環(huán)節(jié)。另外，對于非常復雜的吹塑模具結構來說，各種設計參數的互相干涉加大了吹塑模具的設計難度。因此，吹塑模具CAD技術的引入，給吹塑模具生產企業(yè)帶來了很大的幫助，使得吹塑模具生產企業(yè)在保持制品質量的同時，能夠縮短模具生產周期，提高生產效率，降低成本。同時，采用吹塑模具CAD技術，可以發(fā)揮模具設計者的聰明才智，使他們從沉重的繪圖、計算中解脫出來，以便從事更多的創(chuàng)造性的勞動，提高技術水平，滿足開發(fā)新制品的要求，從而大大增強企業(yè)對市場需求的應變能力。

2 吹塑模具CAD技術

2.1 吹塑制品

吹塑制品應用廣泛。塑料吹塑容器具有安全、質輕、耐沖擊、耐腐蝕、設計靈活性較大、方便、成本較低、生產能耗低等優(yōu)點，因而可用于包裝或運輸食品、飲料、化學品、藥品、日用品、化妝品與潤滑油等領域[3]。目前，容器約占80%的市場份額，每年增長4%左右，而工業(yè)及結構用制品占總量的20%，每年增長速度為12%。容器消耗量的增長在于可旋扭塑料容器的應用范圍不斷擴大[4]。吹塑制品快速增長的另一個領域是工業(yè)零部件，特別是汽車零部件，如汽車油箱、風箱、軸環(huán)、擋風玻璃清洗水箱、儀表板、各種形狀的空氣導管、發(fā)動機周圍的各種復雜中空部件（如發(fā)動機室罩、導管等）[5]。

吹塑制品越來越具有個性化。隨著工業(yè)技術的進步以及經濟的發(fā)展，功能上的需求已不再是贏得市場的唯一條件。制品不僅要具有先進的質量功能，還要有流暢、造型富有個性的外形表面，以吸引消費者的注意。流暢、造型富有個性的外觀要求必然會使得制品外觀由復雜的自由曲面組成。

2.2 吹塑模具的特點

吹塑模具通常由兩瓣凹模組成，并設有冷卻通道和排氣系統(tǒng)[6]。與注射成型模具相比，吹塑模具有以下特點[7]：

（1）吹塑模具型腔受到的壓力為型坯的吹脹壓力，一般為0.2～1.0MPa，而注射模具型腔內的壓力要高得多（10～40MPa）。因此，吹塑模具對材料的要求較低，選擇范圍較寬。

（2）吹塑模具只有凹模，且其型腔一般不需經硬化處理，除非要求長期生產。而注射模包括型芯與型腔，即既有凹模，又有凸模。

（3）注射模腔內熔體通過流動來成型；吹塑模腔內型坯則通過吹氣膨脹來成型，這可減小制品上的流痕、熔接痕及模腔的磨損等問題。

（4）由于沒有型芯，吹塑制品上較深的凹陷也能脫模，不需設置象注射模所廣泛采用的滑塊、頂桿或凸輪等。

2.3 吹塑模具CAD

吹塑模具CAD從分析塑料制品開始，依據制品的幾何形狀，制定工藝方案，確定模具結構，再根據吹塑模具的關鍵參數，生成模架，經過方案評估，確定設計方案，生成工程圖或數控程序，直至生產出符合用戶要求的吹塑模具。圖1所示是吹塑模具CAD設計的流程圖。

圖1 吹塑模具CAD的流程圖

吹塑模具CAD技術不僅僅可以代替手工進行模具的三維繪圖，還可以借助反求工程創(chuàng)建吹塑制品模型，在通用三維CAD軟件上進行基于特征化、參數化的二次開發(fā)，實現(xiàn)吹塑模具的自動化設計。

2.4 吹塑模具CAD軟件

現(xiàn)在應用較廣的模具CAD軟件主要有以下幾個：美國國家航空及宇航局（NASA）開發(fā)的I-DEAS，美國麥道（MD）公司開發(fā)的UG，PTC公司開發(fā)的Pro/ENGINEER，美國SolidWorks公司開發(fā)的SolidWorks，英國Delcam公司開發(fā)的Delcam以及法國Dassault System公司開發(fā)的Catia等。這些軟件都是集二維繪圖、三維曲面造型、實體造型于一體的參數化軟件系統(tǒng)，除了提供強大的設計功能以外，還提供方便于用戶的應用程序開發(fā)平臺，如UG提供的二次開發(fā)語言UG/Open GRIP，UG/Open API等，Pro/ENGINEER提供的二次開發(fā)工具族表（Family Table）、用戶定義特征（UDF）、Pro/Program、J-link、Pro/TOOLKIT等。這些平臺都支持用戶在系統(tǒng)環(huán)境下進行二次開發(fā)工作，同時提供與其他高級語言（如Visual C++）的接口。

我國在模具CAD軟件方面發(fā)展也很迅速，如中科院凱思軟件集團及北京凱思博宏應用工程公司開發(fā)的PICAD系統(tǒng)及系列軟件，北京高華計算機有限公司開發(fā)的高華CAD軟件，浙江大天電子信息工程有限公司開發(fā)的GS-CAD98，廣州紅地技術有限公司開發(fā)金銀花系統(tǒng)（Lonicer），北航海爾軟件有限公司開發(fā)的CAXA，華中科技大學機械學院開發(fā)的開目CAD等均已實現(xiàn)復雜曲線、曲面的造型[8]。

盡管如此，吹塑模具CAD軟件仍存在如下問題：（1）沒有統(tǒng)一的基礎平臺。目前國內無論是自行開發(fā)的系統(tǒng)還是應用國外開發(fā)的系統(tǒng)都不是針對吹塑模具開發(fā)的，且軟件之間的數據依靠文件傳送，沒有統(tǒng)一的數據庫管理系統(tǒng)。（2）沒有統(tǒng)一的標準。（3）許多塑料模具CAD軟件的實用性和集成度不高。

因此，為促進吹塑模具設計的快速發(fā)展，亟需開發(fā)專門針對吹塑模具的CAD系統(tǒng)。目前，國內外對吹塑模具CAD技術已經開展了廣泛的研究。

3 ．吹塑模具CAD研究與應用現(xiàn)狀

沈自林等[9]應用UG進行PET瓶CAD造型設計和模具設計，李建國[10]應用Solidworks對帶提手摩托車機油油瓶產品和模具進行了三維實體造型設計及其模具設計，張信禹等[11]應用Pro/ENGINEER進行了吹塑模具設計及制造研究，建立了瓶子的三維實體模型，并進行了模具設計，生成模具組件。

吹塑模具CAD技術不僅可以用于代替手工進行模具的三維繪圖，還可以借助反求工程創(chuàng)建吹塑制品模型，在通用三維CAD軟件上進行基于特征化、參數化的二次開發(fā)，實現(xiàn)吹塑模具的自動化設計。

3.1 基于反求工程的吹塑模具CAD設計系統(tǒng)

李立英開發(fā)出了基于反求工程的吹塑模具CAD設計系統(tǒng)[12]。

該系統(tǒng)應用反求工程中的表面數字化、數據簡化、曲面重構、曲面光順等技術對吹塑件掃描所生成的點云劃分特征區(qū)域，建立特征型面，并在UG中縫合成實體；以UG系統(tǒng)為二次開發(fā)平臺，通過對UG/Open API的開發(fā)方法進行分析，將UG中的WAVE技術、虛擬裝配技術、屬性管理技術等運用到吹塑模具CAD系統(tǒng)的開發(fā)過程

中，完成了吹塑模具CAD系統(tǒng)的界面設計與開發(fā)、界面與程序間的參數傳遞、吹塑件的導入和模型的按比例修正，實現(xiàn)了兩瓣模設計與吹塑件模型的全相關；通過研究UG二次開發(fā)程序中調用數據庫的方法，將標準件的相關設計參數存放到數據庫中，利用ODBC技術實現(xiàn)吹塑模具CAD系統(tǒng)對數據庫中標準件參數的調用和參數驅動標準件三維模型的更新。

該系統(tǒng)采用美國UGS公司的專用反求軟件Imagware，這種軟件提供了從掃描輸入、點云處理、曲面連接、光順、形成CLASS A曲面，提供了NURBS樣條曲線和曲面建模環(huán)境，借此算法可根據曲率提取特征線，對曲面進行擬合，并通過修改控制點和曲面度實現(xiàn)曲面的精度和光順的要求，從而實現(xiàn)具有復雜型面零件的曲面造型和基于測量數據的自由曲面重構。

為了實現(xiàn)整個模具與塑件制品模型的全相關，實現(xiàn)修改模型后，兩瓣模具的模腔、模架等零部件模型自動更新，該系統(tǒng)在二次開發(fā)中采用了WAVE技術，如圖2（a）及圖2（b）所示，吹塑模CAD系統(tǒng)根據控制結構設計毛坯，系統(tǒng)自動建立了模具與具體塑件之間的幾何鏈接關系，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)中模具與塑件制品的三維模型的全相關。

圖2 吹塑模具CAD系統(tǒng)中根據控制結構設計毛坯

該系統(tǒng)采用內部程序，并利用定制的菜單和工具條調用對話框從而實現(xiàn)模具CAD的方案，采用了UG/Open API的Internal方式與UIStyler、MenuScript進行聯(lián)合開發(fā)。吹塑模具CAD系統(tǒng)開發(fā)的基本流程如圖3所示。

圖3 吹塑模具CAD設計系統(tǒng)開發(fā)流程

吹塑模具CAD設計系統(tǒng)的各個模塊功能不同，結構上相對獨立，每個模塊必須得到所需的數據才能運行。這些數據有的是標準數據，有的是推理產生的運行結果，因此，該系統(tǒng)應解決各種數據在系統(tǒng)模塊之間傳遞的問題。圖4為吹塑模具CAD系統(tǒng)的流程圖，其中，制品信息為吹塑制品的幾何形狀、尺寸、塑料材料、精度、技術要求等；工藝信息為吹塑件成型吹脹比，標準信息主要包括模具標準件、標準模架等信息；模具結構信息包括模具裝配圖、零件圖等信息。

圖4 吹塑模具CAD系統(tǒng)的流程圖

該系統(tǒng)應用反求工程構建制品模型，進行模具CAD系統(tǒng)的開發(fā)，提高了CAD建模效率及重建模型的精度，將實物模型快速轉化為可供CAD/CAE/CAM分析的數字化模型，提高了吹塑模具質量，縮短了吹塑模具設計周期，大幅降低成本。其不足之處在于只針對簡單的吹塑制品，常用件庫、特征件庫有待補充，需要提高吹塑模具CAD系統(tǒng)的智能化。

3.2 基于Pro/ENGINEER的吹塑模具CAD設計系統(tǒng)

劉曉利開發(fā)出了塑料瓶及其吹塑模具的三維參數化CAD設計系統(tǒng)——PBBMCAD系統(tǒng)[13]。該系統(tǒng)主要針對吹塑成型的塑料瓶的模具設計。該系統(tǒng)完全從用戶的角度出發(fā)，利用參數化的設計方法，使設計過程盡可能地簡化，并采用對話框的方式，以方便用戶對瓶子及其模具的交互設計。而且，所設計的瓶子和模具間具有很好的相關性，瓶子外形尺寸的修改將直接反映到與之相對應的模具上來，從而使設計系統(tǒng)更加智能化。這對于在目前市場上占主導地位的改型設計而言，提供了很大的方便。

PBBMCAD（Plastic Bottle and its Blowing Mold’s CAD）系統(tǒng)是在Windows 2000平臺上，采用面向對象的可視化編程工具Visual C++ 6.0和Pro/ENGINEER Wildfire的面向對象的二次開發(fā)工具Pro/TOOLKIT進行開發(fā)的。

PBBMCAD系統(tǒng)主要包括瓶形設計、模具設計和模具強度校核三個模塊，如圖5所示。瓶形設計功能模塊用來實現(xiàn)瓶子的參數化設計，采用在瓶子原型的基礎上通過修改參數的方式進行，使瓶子的設計盡量地方便快捷且易操作。模具設計功能模塊是PBBMCAD系統(tǒng)的核心，依據瓶子的參數進行設計，該模塊接受從瓶子模塊傳遞過來的相關的瓶子外形參數和用戶輸入的模具外形參數，自動生成模具。強度校核功能模塊用來校核所設計的模具的強度是否符合要求，材料選好之后，系統(tǒng)自動從對話框中相應的輸入框中獲得校核所需的參數，并根據這些參數進行模具強度的校核，在校核的同時，系統(tǒng)自動生成模具的臨界壁厚以供設計者參考。

圖5 PBBMCAD系統(tǒng)的整體結構

該系統(tǒng)采用參數化的方法，提高了吹瓶模具的設計效率，縮短了設計周期，并將設計人員從繁重的繪圖工作中解放出來，集中精力放在新產品的開發(fā)上。其存在的不足之處在于瓶型庫有待補充，只考慮了冷坯成型方法成型的瓶子的模具設計，可以對其它成型方法如熱坯成型和擠出拉伸吹塑成型方法進行類似的設計以擴充該系統(tǒng)的功能。

3.3 基于UG NX的吹塑模具CAD設計系統(tǒng)

海幾哲開發(fā)出了專用吹塑模具三維設計建模系統(tǒng)模塊[14]，該模塊是在Windows XP平臺上，基于CAD/CAE/CAM一體化軟件UG NX和編程軟件Visual C++6.0，利用UG NX良好的開放性，通過一系列的二次開發(fā)方法的綜合使用，針對模具結構復雜、設計要求高、工作量大、部分零部件已形成系列化等特點開發(fā)的。

吹塑模CAD系統(tǒng)的主要功能模塊包括各種數據庫、圖形庫、規(guī)則庫、程序庫、人機交互主控程序，如圖6所示。

本系統(tǒng)有兩個主要的特點，即全相關和知識化。利用UG NX技術實現(xiàn)系統(tǒng)的全相關，利用WAVE建立了模具與零件之間關聯(lián)，吹塑模具按照相應的控制結構、幾何關聯(lián)性和設計準則，自動地更新制品系統(tǒng)中每一個需要改變的零部件，并確保制品設計意圖。通過UG中的KDA技術實現(xiàn)系統(tǒng)的知識化，利用Visual C++語言建立吹塑模設計中的設計規(guī)則的描述，在設計過程中，通過這些規(guī)則推理生成與工程參數一致的制品。

該系統(tǒng)存在的不足是缺少非常用標準件及通用件的參數化庫，尚未建立各種繪圖及標準庫，3D圖形與2D圖形之間的轉換有待加強，需進一步建立針對設計對象的設計過程程序。

圖6 吹塑模CAD系統(tǒng)的主要功能模塊

3.4 BMM吹塑模具設計系統(tǒng)

Yong Ju Cho等設計了基于特征化、參數化、知識化的吹塑模具設計系統(tǒng)，即BMM（Blow Mould Maker）系統(tǒng)[15]。該系統(tǒng)主要針對注拉吹的吹塑成型工藝。應用該系統(tǒng)，用戶只需要輸入少量的設計參數，系統(tǒng)就會自動完成吹塑模具的注射零件、吹脹零件、頂出零件的設計。另外，當用戶修改了其中的某些參數后，這些零件也會跟著改變，使吹塑模具設計工作更加方便快捷。

圖7 BMM系統(tǒng)的結構圖

吹塑模具的BMM樣機系統(tǒng)設計已經完成，該系統(tǒng)使用了和個人電腦兼容的奔騰TM IV作為硬件，使用了商業(yè)化的CAD系統(tǒng)（Powershape 7.0）和商業(yè)化的數據庫系統(tǒng)（Microsoft Access TM）作為軟件。樣機系統(tǒng)使用了Visual Basic Net編程語言和在Windows XP環(huán)境下的Powershape API（應用設計界面）。Powershape提供了一個用戶友好型的應用設計界面，有很多有用的菜單、工具按鈕、對話框和命令，可以為吹塑模具設計創(chuàng)造一個智能化和交互式的設計環(huán)境。BMM系統(tǒng)的結構圖如圖7所示。

BMM系統(tǒng)包括10個模塊，根據模具的類型，該系統(tǒng)可分為3個部分，其中，預成型規(guī)格設置模塊2、注射機規(guī)格設置模塊3、模板及元件規(guī)格設置模塊4組成了注射零件設計專家；瓶型規(guī)格設置模塊5、注射機規(guī)格設置模塊6、模板及元件規(guī)格設置模塊7組成了吹脹零件設計專家；注射機規(guī)格設置模塊8、模板及元件規(guī)格設置模塊9組成了頂出零件設計專家。BMM系統(tǒng)還擁有一個成型數據庫、一個注射機數據庫和一個元件庫。成型數據庫定義了注射機的類型和每臺注射機的型腔數目。成型數據庫也保存了每臺注射機的數據庫，每個數據庫定義了每臺注射機上所有制品的設計信息。

BMM系統(tǒng)擁有用戶友好型界面，企業(yè)能根據自己的標準定制數據庫以滿足需求，設計師在修改模具設計前能進行更多有效的技術討論，提高模具質量，減少模具設計時間，降低成本。其不足之處在于BMM系統(tǒng)主要用于一步法設備的PET瓶生產，但是，吹塑模具工業(yè)主要是依靠注射機，因此必須開發(fā)針對二步法機器設備的模具設計系統(tǒng)，并整合到BMM系統(tǒng)中。

4 結束語

本文介紹了吹塑模具CAD技術的研究及應用現(xiàn)狀。吹塑模具CAD系統(tǒng)的研究和應用，使得吹塑模具的開發(fā)實現(xiàn)了從二維設計向三維設計的飛躍。吹塑模具CAD系統(tǒng)在吹塑模具開發(fā)生產中的深入應用，徹底改變了吹塑模具的設計與制造方式，帶來了巨大的經濟效益。

未來一段時間，吹塑模具CAD技術研究及應用趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）標準化。吹塑模具CAD的標準化包括標準件庫的建立、制圖的標準化、模具零件的標準化、模具結構的標準化、設計資料的標準化等一切有規(guī)律可尋的標準化。

（2）智能化。開展智能化研究工作，總結出設計制造經驗教訓，把成功經驗應用到模具設計中去，形成計算機里的知識庫和智能庫，生成專家系統(tǒng)，這對企業(yè)的技術發(fā)展是一份極其寶貴的財富，也是企業(yè)成功的保證。

（3）專業(yè)化。開發(fā)出專門用于吹塑模具設計的CAD系統(tǒng)。

（4）集成化。開發(fā)適合吹塑模具企業(yè)使用的CAD/CAE/CAM集成系統(tǒng)，提高吹塑模具企業(yè)的設計水平和加工能力。

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Analysis of Research and Applications on CAD Technology for Blowing Mold

Liu Bin Wu Shengjin
（National Engineering Research Center of Novel Equipment for Polymer Processing,The Key Laboratory of Polymer Processing Engineering of Ministry of Education,South China University of Technology, Guangzhou, 510640）

The study and applications of the blowing mold CAD technology are described in this paper. Especially the development of the blowing mold design based on the currency 3D CAD software，their advantages and disadvantages are summarized in detail. The applications and development trend of the blowing mold CAD technology are expounded finally.

Blowing Mold；CAD；Secondary Development

劉斌，男，1969年生，湖南益陽人，工學博士，華南理工大學聚合物新型成型裝備國家工程研究中心副教授，廣東省模具工業(yè)協(xié)會模具專家組成員，全國計算機軟件專業(yè)高級程序員，主要研究方向為模具CAD/CAE/CAM和材料成型裝備及數控技術，已發(fā)表科技論文150余篇。吳盛金，男，1984年生，華南理工大學聚合物新型成型裝備國家工程研究中心在讀碩士研究生，研究方向為模具CAD/CAE/CAM。