注塑工藝及模具設(shè)計(jì)第七講 注塑模CAD及其智能系統(tǒng)（一）

洪慎章

(上海交通大學(xué)塑性成形技術(shù)與裝備研究院，上海 200030)

（接上期）

注塑模 CAD技術(shù)始于20世紀(jì)60年代，蓬勃發(fā)展于20世紀(jì)80、90年代。進(jìn)人21世紀(jì)后，該技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展及完善。

7.1 概述

7.1.1 注塑模CAD的特點(diǎn)

注塑成型方法能對形狀復(fù)雜的塑料產(chǎn)品一次成型，是一種高效率、 大批量的生產(chǎn)方式。現(xiàn)在，用這種方式生產(chǎn)的塑料產(chǎn)品在整個(gè)塑料產(chǎn)品中占有很大的比重。注塑成型模具是這種生產(chǎn)方式中的關(guān)鍵工藝裝備。由于塑料注射成型工藝十分復(fù)雜，設(shè)計(jì)模具時(shí)要考慮的因素比較多，因此傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)方法對模具設(shè)計(jì)人員的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)要求很高。

注塑模設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)如下所述:

（1）外部約束條件多 要選擇適合的塑料并對所選塑料的性能參數(shù)及工藝條件進(jìn)行認(rèn)真考慮，要考慮注塑機(jī)的注塑量、注射壓力、鎖模力、機(jī)架尺寸和剛度等條件，還要充分考慮塑料產(chǎn)品的形狀結(jié)構(gòu)、 尺寸大小及其使用場合和生產(chǎn)批量等需求。

（2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜且靈活多變 注塑模具包含模架、成型零部件、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、 脫膜機(jī)構(gòu)等部分。成型零部件一般由凸模、凹模和側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)等部分組成。 澆注系統(tǒng)包括主流道、分流道和澆口等部分。冷卻系統(tǒng)一般包括定模水道、動(dòng)模水道和型芯中的冷卻芯等部分。結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性由此可見一斑。無論是模具整體結(jié)構(gòu)還是某些零部件的結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)大都沒有固定不變的準(zhǔn)則可循，不同的設(shè)計(jì)師往往設(shè)計(jì)出不完全相同的可行結(jié)構(gòu)方案，靈活性很大。

（3）經(jīng)驗(yàn)性與試探性強(qiáng) 注塑成型工藝過程難以用定量關(guān)系來描述，并存在許多不確定的因素。因此，注塑模具設(shè)計(jì)離不開設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)，而且設(shè)計(jì)出來的模具一般都要經(jīng)過反復(fù)的試模與修模過程。

上述這些特點(diǎn)反映到注塑模 CAD系統(tǒng)的開發(fā)方面，要求系統(tǒng)具有功能豐富、流程復(fù)雜、交互性強(qiáng)、用戶界面友好等特點(diǎn)。此外，一般的注塑模 CAD系統(tǒng)對操作人員的領(lǐng)域知識(shí)和設(shè)計(jì)決策能力要求比較高 。

注塑模 CAD技術(shù)主要從兩個(gè)方面對模具設(shè)計(jì)人員提供強(qiáng)有力的幫助:一是CAE，二是結(jié)構(gòu) CAD。

注塑模 CAE（Computer Aided Engineering，計(jì)算機(jī)輔助工程）是指使用計(jì)算機(jī)對模具進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)力學(xué)分析、流動(dòng)分析模擬和冷卻分析模擬等。

注塑模結(jié)構(gòu)CAD包括塑料產(chǎn)品的建模、模具總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)和零部件設(shè)計(jì)、數(shù)控仿真和數(shù)控程序生成、模具裝配模擬、零件圖和裝配圖的生成與繪制等方面。

注塑模CAD系統(tǒng)一般都需要建立塑料和模具材料的性能參數(shù)數(shù)據(jù)庫、注塑機(jī)規(guī)范數(shù)據(jù)庫及標(biāo)準(zhǔn)模架和模具標(biāo)準(zhǔn)件等的圖形庫和數(shù)據(jù)庫，要求實(shí)現(xiàn)模具的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。

注塑模CAD/CAM一體化系統(tǒng)，一般具有五個(gè)相互獨(dú)立又相互聯(lián)系的部分，即：

a.產(chǎn)品圖輸入或產(chǎn)品造型。

b.模具總體設(shè)計(jì)方案的確定。

c.模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)。

d.模具強(qiáng)度分析和注塑成型過程中的流動(dòng)分析模擬和冷卻分析模擬。

e.與CAM系統(tǒng)的接口（數(shù)控仿真和數(shù)控加工程序生成）。

這種系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)框圖如圖366所示。

圖366 注塑模CAD/CAM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

7.1.2 注塑模CAD技術(shù)

隨著工業(yè)，尤其是塑料工業(yè)的飛速發(fā)展，塑料制件的更新速度加快，注塑產(chǎn)品對模具的要求也越來越嚴(yán)格，傳統(tǒng)的注塑模設(shè)計(jì)制造方法已無法適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要。這些因素使工程技術(shù)人員更加清晰地認(rèn)識(shí)到，注塑模計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)是提高注塑模設(shè)計(jì)與制造效率的有效途徑。

注塑模計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，是模具設(shè)計(jì)工程師和模具制造工程師在CAD系統(tǒng)的輔助下，根據(jù)注塑產(chǎn)品的綜合特性（幾何特性和非幾何特性）進(jìn)行模具設(shè)計(jì)和制造的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。模具設(shè)計(jì)工程師根據(jù)注塑產(chǎn)品的綜合特性進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，經(jīng)過初步分析和論證，在滿足特定技術(shù)條件后進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行詳細(xì)的工藝和力學(xué)分析，最終輸出相關(guān)技術(shù)文檔。而模具制造工程師則根據(jù) CAD過程所提供的設(shè)計(jì)信息，進(jìn)行模具零件的制造工藝設(shè)計(jì)和 NC 編程，最終生成模具零件制造加工過程的控制信息 。

注塑模 CAD是改造傳統(tǒng)注塑模設(shè)計(jì)與制造方式的關(guān)鍵技術(shù)。注塑模 CAD技術(shù)的應(yīng)用縮短了模具開發(fā)周期，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少了開發(fā)和制造成本。

傳統(tǒng)的注塑模設(shè)計(jì)是以手工和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主，但隨著注塑產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加和產(chǎn)品更新周期的加快，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造方法顯然難以適應(yīng)市場竟?fàn)幍男枰?，發(fā)展注塑模 CAD技術(shù)是必然趨勢。應(yīng)用CAD技術(shù)進(jìn)行注塑產(chǎn)品開發(fā)，不僅可縮短注塑產(chǎn)品及其模具的設(shè)計(jì)和制造周期，同時(shí)還可增強(qiáng)計(jì)算分析能力，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，提高注塑產(chǎn)品質(zhì)量。而且設(shè)計(jì)、分析、制造和檢測都基于同一產(chǎn)品模型，從而有利于保證整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程的正確性、可靠性和完整性，并最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、分析和制造過程的自動(dòng)化。

注塑模設(shè)計(jì)過程中存在著大量重復(fù)性工作，如相同或相似零部件的多次重復(fù)使用以及設(shè)計(jì)過程的多次重復(fù)等。 注塑模 CAD 技術(shù)的應(yīng)用使模具設(shè)計(jì)工程師從繁重的重復(fù)勞動(dòng)中解放出來，讓模具設(shè)計(jì)工程師能夠更專注于創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)工作，以最終提高模具的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

（1）注塑模 CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程 注塑模設(shè)計(jì)工程師在計(jì)算機(jī)上利用 CAD 系統(tǒng)進(jìn)行注塑模設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法有本質(zhì)的區(qū)別。 因?yàn)槔?CAD技術(shù)進(jìn)行注塑模設(shè)計(jì)，所有的設(shè)計(jì)、分析、制造和檢測都基于同一產(chǎn)品信息模型，在進(jìn)行產(chǎn)品或模具設(shè)計(jì)的同時(shí)，可并行地進(jìn)行其他相關(guān)過程設(shè)計(jì)，從而大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

根據(jù)傳統(tǒng)注塑模設(shè)計(jì)流程，結(jié)合 CAD技術(shù)的特點(diǎn)，可歸納出圖367所示的注塑模 CAD流程。 其中在各設(shè)計(jì)校核和分析評(píng)估階段，都需要制定詳細(xì)的評(píng)估內(nèi)容與評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)用戶的要求對校核和分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，及時(shí)修改不能滿足用戶需求的設(shè)計(jì)內(nèi)容 。

（2）注塑模 CAD技術(shù)的基本內(nèi)容 注塑模 CAD系統(tǒng)的主要內(nèi)容應(yīng)包含注塑模設(shè)計(jì)工程應(yīng)用數(shù)據(jù)庫模塊、注塑模 CAD設(shè)計(jì)功能模塊、 CAM模塊或接口和CAE模塊或接口；另外，為支持并行工程的應(yīng)用，還應(yīng)增加產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理模塊。

工程應(yīng)用數(shù)據(jù)庫是 CAD技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)，它主要解決應(yīng)用中大量數(shù)據(jù)的持久保存、安全操作和多用戶、多應(yīng)用共享等數(shù)據(jù)管理問題。同時(shí)，為了有效地支持設(shè)計(jì)過程，數(shù)據(jù)庫中應(yīng)包括所有設(shè)計(jì)生產(chǎn)產(chǎn)品及其模具所必需的全部資料，按存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的類型一般可分為以下幾類:

a.材料數(shù)據(jù)庫，如工程塑料庫、模具材料庫和冷卻介質(zhì)庫等。

b.注塑設(shè)備庫，如注塑機(jī)規(guī)格、型號(hào)等。

c.標(biāo)準(zhǔn)件庫，如標(biāo)準(zhǔn)零件庫、標(biāo)準(zhǔn)模架庫等。

d.典型機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)庫，如抽芯機(jī)構(gòu)常用結(jié)構(gòu)庫、頂出機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)庫等。

圖367 注塑模CAD設(shè)計(jì)流程圖

e.事例庫，存儲(chǔ)典型模具結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方案等。

注塑模計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)模塊主要是進(jìn)行模具方案設(shè)計(jì)和塑件及模具零件造型設(shè)計(jì)。其中造型功能的強(qiáng)弱直接關(guān)系到CAD設(shè)計(jì)模塊的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，是注塑模CAD的系統(tǒng)的關(guān)鍵和核心模塊。

CAM模塊或接口直接利用CAD生成的零件三維實(shí)體模型進(jìn)行NC編程，生成加工指令和進(jìn)行加工模擬。

CAE模塊或接口可對設(shè)計(jì)的注塑件和注塑模進(jìn)行注塑工藝分析，包括流動(dòng)、溫度和應(yīng)力等分析，幫助模具設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核，并對最終設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

7.1.3 注塑模CAD的發(fā)展概況

注塑模CAD的發(fā)展歷史是注塑模設(shè)計(jì)制造與CAD技術(shù)相互促進(jìn)、相互依賴、共同發(fā)展的歷史。注塑模CAD技術(shù)的興起與應(yīng)用，首先是由于CAD技術(shù)和通用CAD系統(tǒng)的發(fā)展，另外，也是優(yōu)于注塑模理論的發(fā)展及注塑模設(shè)計(jì)和制造本身對CAD技術(shù)應(yīng)用迫切需求的內(nèi)在要求。

隨著計(jì)算機(jī)的升級(jí)換代，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，從20世紀(jì)60～70年代，是CAD/CAM技術(shù)的飛速發(fā)展的階段。20世紀(jì)60年代中期，美國和英國的許多大公司和大學(xué)投入大量的人力和物力對CAD/CAM技術(shù)進(jìn)行研究和開發(fā)，并研制出許多實(shí)用的 CAD/CAM系統(tǒng)。與此同時(shí)，英國、美國和加拿大等國的學(xué)者開展了有關(guān)塑料熔體在模具型腔內(nèi)流動(dòng)和冷卻的基礎(chǔ)研究，建立了熔體一維流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，為系統(tǒng)地開展注塑模 CAD研究奠定了基礎(chǔ)。

從1972年開始，加拿大麥吉爾（McGill）大學(xué)化學(xué)工程系 M. R. Kamal 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組對注塑成型工藝的計(jì)算機(jī)模擬、過程控制和塑料性能試驗(yàn)等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，在此基礎(chǔ)上建立了注塑工藝過程計(jì)算機(jī)模擬集成系統(tǒng) MCKAM。 美國康奈爾大學(xué)的 K.K. Wang領(lǐng)導(dǎo)的注塑模科研組從1974年開始對注塑模CAD/ CAM/CAE技術(shù)進(jìn)行了深入研究，先后建立了注塑過程流動(dòng)、保壓、冷卻的一維、二維和三維數(shù)學(xué)模型，開展了塑料熔體流變性能和熱性能的實(shí)驗(yàn)研究，創(chuàng)立了流道平衡計(jì)算的數(shù)學(xué)模型。經(jīng)過長期的研究和發(fā)展，注塑模設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)已進(jìn)人實(shí)用階段。

7.1.4 注塑模 CAD的發(fā)展趨勢

CAD技術(shù)的發(fā)展方向今后仍然是集成化、智能化、柔性、網(wǎng)絡(luò)化與并行設(shè)計(jì)、提高系統(tǒng)的實(shí)用性和使用方便性，以及降低價(jià)格等。下面簡述幾個(gè)顯著的發(fā)展趨勢 。

（1）CAD與 CAM系統(tǒng)集成 設(shè)計(jì)、制造或施工及相應(yīng)的生產(chǎn)與工程管理等方面存在緊密的聯(lián)系。為了提高工作效率，人們首先將 CAD與 CAM兩個(gè)過程有機(jī)地連接起來，實(shí)現(xiàn)了 CAD/CAM一體化。這種系統(tǒng)將 CAD的設(shè)計(jì)結(jié)果直接用于數(shù)控仿真和生成數(shù)控加工程序，在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行自動(dòng)加工。

在這種一體化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，人們又積極開展計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer Integrated Manufact uring System，CIMS）的研制。 CIMS系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)，將設(shè)計(jì)、制造和生產(chǎn)管理、經(jīng)營決策等方面有機(jī)地結(jié)合成一個(gè)整體，形成物流和信息流的綜合，對產(chǎn)品設(shè)計(jì)、零件加工、整機(jī)裝配和檢測檢驗(yàn)的全過程實(shí)施計(jì)算機(jī)控制，從而達(dá)到進(jìn)一步提高效率、提高柔性、提高質(zhì)量和降低成本的目的。

（2）建立和應(yīng)用 CAD網(wǎng)絡(luò)環(huán)境 現(xiàn)在，將多臺(tái)微型機(jī)CAD工作站聯(lián)網(wǎng)或?qū)⒍嗯_(tái)微型機(jī) CAD工作站和工程工作站聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成分布式 CAD系統(tǒng)，已成為一種趨勢。這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活、 功能強(qiáng)大、 價(jià)格較低。每個(gè)工作站可單獨(dú)使用，也可相互配合，實(shí)現(xiàn)資源和信息共享，也可實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)和協(xié)同工作。 這種CAD 網(wǎng)絡(luò)很適合企業(yè)單位的需要。這是因?yàn)槠髽I(yè)中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造一般都不是個(gè)人行為，而是一個(gè)組或一個(gè)科室群體有組織有計(jì)劃進(jìn)行的工程項(xiàng)目。參加工作的各個(gè)成員必須相互配合、協(xié)同努力，在規(guī)定的權(quán)限下共享資源和已有的設(shè)計(jì)結(jié)果，有關(guān)負(fù)責(zé)人還要對各步的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行審核。CAD 網(wǎng)絡(luò)的建立以及設(shè)計(jì)管理和協(xié)同設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)，無疑將大大促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高。

（3）人工智能與專家系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用 設(shè)計(jì)過程需要大量的設(shè)計(jì)知識(shí)和專家經(jīng)驗(yàn)。一般的 CAD系統(tǒng)都是一種人機(jī)系統(tǒng)，即系統(tǒng)中包含了使用系統(tǒng)的人。使用CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者在系統(tǒng)行為中起著主導(dǎo)和決策的作用。人工智能（AI）、專家系統(tǒng)（ES）和基于知識(shí)的系統(tǒng)（Knowledge-Based System，KBS）技術(shù)的發(fā)展及其在設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用，為 CAD技術(shù)的發(fā)展開辟了新的途徑，從而出現(xiàn)了新的面貌。

7.2 注塑模的軟件及硬件配置

7.2.1 注塑模軟件

軟件的特點(diǎn)及開發(fā)環(huán)境可能有區(qū)別，注塑模CAD、 CAE、 CAM軟件有一般通用工程軟件的功能，具體包括以下幾方面:

（1）自由曲面造型功能 系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)給定的離散數(shù)據(jù)和工程問題的邊界條件，來定義、 生成、 控制和處理過渡曲面和多邊域曲面，并能方便地構(gòu)造帶有自由曲面產(chǎn)品的幾何模型 。

（2）實(shí)體造型功能 系統(tǒng)應(yīng)具有定義和生成幾何體素的能力，并能采用幾何體素和規(guī)則幾何形體構(gòu)造產(chǎn)品的幾何模型。

（3）參數(shù)化造型功能 系統(tǒng)應(yīng)具有三維參數(shù)化造型功能，即能夠用幾何約束（尺寸及其類型）來修改產(chǎn)品的幾何形狀。在注塑模具 CAD/CAM系統(tǒng)中，參數(shù)化功能可以方便地用于由產(chǎn)品形狀生成型腔形狀，以及建立標(biāo)準(zhǔn)模架及其零件庫等 。

（4）物體質(zhì)量特性計(jì)算功能 系統(tǒng)應(yīng)具有根據(jù)產(chǎn)品幾何模型計(jì)算其體積、表面積、質(zhì)量、密度、中心及軸向轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩等數(shù)據(jù)的能力，以便為后續(xù)工程分析和數(shù)值計(jì)算提供必要的參數(shù)和數(shù)據(jù)。

（5）圖形顯示及編輯功能 系統(tǒng)應(yīng)具有動(dòng)態(tài)顯示三維圖形、 消除隱藏線、生成彩色濃淡圖 （或稱陰影圖）的能力，并能方便地對生成的圖形進(jìn)行刪除、增加與修改。

（6）二維視圖生成功能 產(chǎn)品的幾何造型需要三維圖形生成功能，而模具結(jié)構(gòu)圖在傳統(tǒng)上仍采用二維多向視圖，這就要求 CAD 系統(tǒng)能方便地將三維圖形轉(zhuǎn)換為各個(gè)投影方向的二維視圖。

（7）有限元網(wǎng)格生成功能 為能用有限元法對產(chǎn)品或模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能分析，系統(tǒng)應(yīng)具有有限元網(wǎng)格自動(dòng)生成的能力 。

（8）數(shù)控加工功能 系統(tǒng)應(yīng)具有多軸數(shù)控機(jī)床的數(shù)控加工指令生成的能力，并能在屏幕上顯示刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，以及對數(shù)控加工的全過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真 。

（9）三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析與仿真功能 系統(tǒng)應(yīng)具有對運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如模具開合、側(cè)向抽芯等）運(yùn)動(dòng)軌跡和干涉校核進(jìn)行研究的能力，為用戶提供直觀的仿真效果 。

（10）信息處理與管理功能 系統(tǒng)應(yīng)具有統(tǒng)一處理和管理產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造等全部信息的能力，并能與其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與交換。

圖368給出了注塑模CAD/CAE/CAM軟件配置。

圖368 注塑模 CAD/CAE/CAM軟件配置

圖369 注塑模CAD/CAE/CAM硬件配置

7.2.2 注塑模硬件

根據(jù)現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)加工的特點(diǎn)，圖369給出了注塑模CAD/CAE/CAM硬件配置。