基于NX的注塑模架設(shè)計系統(tǒng)

劉 皓，金 薇

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 機械工程學(xué)院，湖北 十堰 442000；2.江蘇省儀征中學(xué)，江蘇 儀征 211400）

注塑模的模架通常指由各類模板、導(dǎo)柱、回針等零件組成的裝配體，模架中一般集成有成型零件、頂出系統(tǒng)零件和冷卻系統(tǒng)零件。作為注塑模具三維實體設(shè)計中的關(guān)鍵一步，它是后續(xù)設(shè)計的重要前提和基礎(chǔ)，也是影響產(chǎn)品整體設(shè)計生產(chǎn)周期的重要因素[1]。

計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design, CAD）、NX等通用軟件平臺雖然能為使用者們提供強大的幾何造型功能，但是對于注塑模等專業(yè)領(lǐng)域的設(shè)計仍然需要設(shè)計人員花費大量時間和精力進(jìn)行設(shè)計意圖的表達(dá)，造成了設(shè)計周期過長、對設(shè)計經(jīng)驗過度依賴等問題，明顯不適應(yīng)競爭激烈的市場環(huán)境[2]。本文通過對注塑模架建模設(shè)計過程進(jìn)行分析，總結(jié)目前常用龍記標(biāo)準(zhǔn)模架結(jié)構(gòu)特征，采取程序模板法直接建模，并通過NX二次開發(fā)技術(shù)和Visual Studio2019軟件工具成功開發(fā)了注塑模架自動設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)了模具三維模型的快速建模。

1 知識工程與程序法建模

1.1 知識工程

知識工程（Knowledge Based Engineering, KBE）就是以領(lǐng)域知識和經(jīng)驗為基礎(chǔ)，借助現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)建立具體行業(yè)或公司的專家知識庫系統(tǒng)，并在知識的驅(qū)動、繁衍下對設(shè)計方案或問題自動求解，以實現(xiàn)更高的設(shè)計效率[3]。簡單地說，KBE是領(lǐng)域?qū)＜抑腔叟c經(jīng)驗的提取與表達(dá)、繼承與應(yīng)用及管理與創(chuàng)新，是CAX（CAD, CAE, CAM的統(tǒng)稱）技術(shù)與人工智能（Artificial Intelligence, AI）技術(shù)的集成[4]。

過去由于未能對已有知識經(jīng)驗的管理和運用給予足夠重視，所以造成了企業(yè)重要資源的嚴(yán)重浪費，但在競爭日益激烈的今天情況正在逐漸轉(zhuǎn)變。運用知識工程有效管理企業(yè)在工程實踐中長期積累的寶貴經(jīng)驗，進(jìn)而開發(fā)能夠提升設(shè)計效率和產(chǎn)品質(zhì)量的專用設(shè)計系統(tǒng)成了主流趨勢和有效方法。

1.2 程序建模法

在現(xiàn)有的注塑模架設(shè)計系統(tǒng)中常用的建模方法主要有圖形模板法和電子表格法兩種，這兩種方法不僅原理簡單，而且門檻低、容易開發(fā)[5-6]，但忽略了使用者實際工作中的習(xí)慣和體會：

1）對數(shù)據(jù)庫過度依賴且無法保證充分表達(dá)模型特征。注塑模架結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類繁多，如果每種零件都要依靠從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取圖形或表格模板，則勢必會造成數(shù)據(jù)庫的臃腫；其次螺絲釘?shù)挠袩o、導(dǎo)柱在前?；蚝竽Ｎ恢玫燃?xì)節(jié)信息不但不便于充分表達(dá)，還會給數(shù)據(jù)庫建模工作帶來巨大的工作量。

2）設(shè)計過程中需要大量反復(fù)“殺參”。由于約束關(guān)系的存在導(dǎo)致任何單個參數(shù)修改都會對其他部分產(chǎn)生影響，設(shè)計師們?yōu)榱四軌蚣皶r對單個零件或整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，要進(jìn)行大量去除參數(shù)的操作，尤其是在設(shè)計快結(jié)束的最后關(guān)頭，如果忘記“殺參”步驟，就可能會出現(xiàn)錯位等情況，導(dǎo)致整個方案前功盡棄。

本文新采用的程序建模方法不但可以按照實際設(shè)計思維對建模過程進(jìn)行交互式輸入操作，精準(zhǔn)表達(dá)設(shè)計師意圖和細(xì)節(jié)信息，還具備適用復(fù)雜形狀模型、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。

程序建模法是開發(fā)者利用編程程序指定建模零件的類型、結(jié)構(gòu)、規(guī)格等信息，通過NX/OPEN二次開發(fā)工具的編程接口直接建立所需零件的三維模型。簡而言之就是借助計算機進(jìn)行程序運算來輔助設(shè)計者的思維決策，從而避免不必要的重復(fù)勞動，實現(xiàn)設(shè)計效率提升[7]。

2 注塑模架設(shè)計分析

注塑模零件主要可以分為兩大類，即標(biāo)準(zhǔn)件和非標(biāo)準(zhǔn)件，標(biāo)準(zhǔn)件是國家或行業(yè)已經(jīng)做出明確規(guī)定的零件，市場上可以隨時購買得到。我們只需要將標(biāo)準(zhǔn)件編入專用設(shè)計系統(tǒng)庫中，設(shè)計時對其規(guī)格進(jìn)行選擇并直接調(diào)用即可，省略重復(fù)繪圖步驟；非標(biāo)準(zhǔn)件則是設(shè)計者綜合基本信息、工藝任務(wù)要求和設(shè)計經(jīng)驗通過相應(yīng)的設(shè)計理論和邏輯步驟創(chuàng)建出來的零部件。

非標(biāo)準(zhǔn)件又具體分為成型零件和非成型零件（圖1），成型零件主要通過提取產(chǎn)品制件的形狀特征設(shè)計而來；非成型零件則由于結(jié)構(gòu)、尺寸、企業(yè)內(nèi)部規(guī)范等諸多因素的要求和限制，無法形成完全統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但如果針對常用的典型部件開發(fā)示范重用庫，那么就可以在示范部件的基礎(chǔ)上快速修改得到所需部件，提升了設(shè)計效率。該理論也成為各種專用設(shè)計系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)效率提升的重要理論依據(jù)。

圖1 注塑模零件分類

2.1 模架結(jié)構(gòu)與型號設(shè)計

根據(jù)由內(nèi)及外、從主到次的設(shè)計順序，設(shè)計人員一般會將模仁等成型零件設(shè)計好后，再通過相對參數(shù)概念計算模板長、寬的尺寸參數(shù)，并對模架進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計模架時設(shè)計人員的邏輯步驟：首先確定模架標(biāo)準(zhǔn)、模架型號、模架尺寸規(guī)格等主體信息；隨后再確定各模板厚度、導(dǎo)柱位置、AB板間隙等其他次要參數(shù)。所以本文在設(shè)計系統(tǒng)人機交互界面時著重考慮上述設(shè)計思維和經(jīng)驗開發(fā)合適的專用設(shè)計系統(tǒng)。

目前世界注塑模的標(biāo)準(zhǔn)主要分為四類，分別是美國的DME標(biāo)準(zhǔn)、日本的MISUMI標(biāo)準(zhǔn)、德國的HASCO標(biāo)準(zhǔn)和中國的LKM標(biāo)準(zhǔn)。龍記（LKM）模架根據(jù)澆注方式的不同可分為大水口、細(xì)水口和簡化細(xì)水口三大類，每大類又根據(jù)不同結(jié)構(gòu)形式分為多種型號如無水口板的ECI、ECH，有水口推板的FCI、FCH等常用型號（圖2），且同一結(jié)構(gòu)型號中包含1515—5055眾多尺寸規(guī)格不同的模架。雖然規(guī)格眾多但仔細(xì)分析這些模架特點不難發(fā)現(xiàn)：

圖2 注塑模架分類

1）水口板或推板的有無可以通過程序的編寫快速實現(xiàn)，而不論哪種型號的模架，其首要的特征區(qū)別就是工字型與直身型兩類結(jié)構(gòu)區(qū)別。

分析圖3可以發(fā)現(xiàn)，工字模在結(jié)構(gòu)特征以及板類零件順序上與直身模相同，但是在板類零件的尺寸上卻不相同。工字模的面板與底板的長、寬相等，但水口板的長、寬尺寸只與A板、B板的長寬相等；反觀直身模，面板、底板的長、寬尺寸與水口板、A板、B板的長、寬尺寸相同。所以在編程時，為了能夠充分體現(xiàn)兩者區(qū)別應(yīng)該考慮使用IF條件語句對于以上兩種類型模架進(jìn)行詳細(xì)區(qū)分，同時對兩種類型模架的數(shù)據(jù)模板分別編程以確保生成三維模型的精準(zhǔn)性。

圖3 龍記標(biāo)準(zhǔn)模架類型

2）同種類型號的模架即使擁有眾多的尺寸規(guī)格，但其本質(zhì)的結(jié)構(gòu)形式是相同的，只是尺寸上做了些調(diào)整。一般只需要提取模架主要模板的長、寬數(shù)值就能精準(zhǔn)地確定該模架。所以在編程時，利用參數(shù)化思想只需要提取零件的主要參數(shù)并對其進(jìn)行編程就能通過界面的修改和選擇得到自己所需要的模架，無需將所有尺寸規(guī)格都表示出來，這為編程節(jié)省了很大的工作量。

3）模架的整體結(jié)構(gòu)特征相同，都主要由板類零件（面板、A板、B板、方鐵、底板），導(dǎo)向元件（導(dǎo)柱、導(dǎo)套），螺絲等部分組成；而且各類零件的相對位置關(guān)系及次序都較為固定，這些為編程時的設(shè)計方法和板類零件建模順序提供了重要參考依據(jù)。

4）當(dāng)模架的相對參數(shù)確定后，各模板基本信息和空間位置也可以通過坐標(biāo)計算隨之確定。程序法建立模板時主要依靠坐標(biāo)運算方法，注塑模架中所有實體的三維模型創(chuàng)建和空間位置關(guān)系都要以坐標(biāo)計算作為基礎(chǔ)；同時選擇可靠的計算基點是坐標(biāo)計算的重中之重，本文選擇以坐標(biāo)原點為基準(zhǔn)。因為在注塑模設(shè)計中不管產(chǎn)品和模具發(fā)生拉伸、旋轉(zhuǎn)、偏置等何種變換其在模具中的位置都始終固定不變，十分可靠。

如圖4所示，當(dāng)巧妙利用坐標(biāo)原點作為基準(zhǔn)點時，模板長度方向坐標(biāo)和寬度方向坐標(biāo)就可以利用相對參數(shù)計算出的數(shù)值直接表示：長度坐標(biāo)= -模架長度數(shù)值（L）/2；寬度坐標(biāo)=-模架寬度數(shù)值（W）/2；高度坐標(biāo)為各板類零件厚度數(shù)值相加，如：

圖4 二維截面圖

帶水口板類的模架面板高度坐標(biāo)=原點坐標(biāo)＋A板厚度值＋水口板厚度值；

水口板高度坐標(biāo)值=原點坐標(biāo)＋A板厚度值；

A板高度坐標(biāo)=原點坐標(biāo)0；

B板高度坐標(biāo)=原點坐標(biāo)-B板厚度值；

承板高度坐標(biāo)=原點坐標(biāo)-B板厚度值-承板厚度值；

方鐵高度坐標(biāo)=原點坐標(biāo)-B板厚度值-承板厚度值-方鐵厚度值；

頂針面板高度坐標(biāo)=原點坐標(biāo)-B板厚度值-承板厚度值-方鐵厚度值＋頂針底板厚度值＋垃圾釘高度值；

頂針底板高度坐標(biāo)=原點坐標(biāo)-B板厚度值-方鐵厚度值-承板厚度值＋垃圾釘高度值；

底板高度坐標(biāo)=原點坐標(biāo)-B板厚度值-方鐵厚度值-承板厚度值-底板厚度值。

2.2 模架主要參數(shù)選擇

除了極少數(shù)需要定制的特殊情況，目前在使用中的大部分常用模架都已經(jīng)實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)模架優(yōu)點在于不但可以縮短生產(chǎn)周期，降低成本，而且買來即用，互換性強；同時訂購便捷，只需向廠家提供少數(shù)幾個重要參數(shù)即可得到所需模架。其訂購方式如下：龍記模架，F(xiàn)CI-3535-A70- B100-C100。

FCI表示模架型號為簡化細(xì)水口，帶水口板的工字型模架；3535表示模架長度和寬度各為 350 mm；A70則表示模架A板厚度為70 mm；B100表示B板厚度為100 mm；C100表示C板的厚度為100 mm。

當(dāng)以上參數(shù)明確時，雖然可以使用這些信息搭建起模架的主體框架，但是在專用設(shè)計系統(tǒng)中僅憑以上幾組參數(shù)并不能夠精確生成我們所需要的三維模型，其他參數(shù)信息也求設(shè)計者給出具體數(shù)值后計算機才能生成正確的三維模型。其他參數(shù)包括：

1）AB板間距。AB板之間留有間隙，一是為了方便成型時排氣；二為了能夠更好封膠防止跑邊，當(dāng)AB板有間距時，合模的壓力才能全部作用于內(nèi)模仁上，使得模具承受巨大注塑壓力的同時不出現(xiàn)漏膠跑膠問題；三是為了更好地保護(hù)模仁。在設(shè)計中常會出現(xiàn)模仁低于模板的情況，AB板間留有間距就可以防止頻繁的開模、合模過程對模具零件造成異常磨損；此外AB板間隙的大小還會影響模板的厚度參數(shù)。

2）垃圾釘高度。垃圾釘?shù)淖饔弥饕菫榱藴p少頂針底板和下底板之間的接觸面積，避免因為垃圾和灰塵的存在而導(dǎo)致兩板之間合模不到位造成成型產(chǎn)品的精度誤差；同時垃圾釘?shù)拇嬖谶€可以為頂針板增加支點，防止模具變形；此外由坐標(biāo)計算法可知，頂針面板、頂針底板、底板的高度坐標(biāo)會受到垃圾釘高度值的影響，空間位置也會隨著垃圾釘高度的變化而變化，故在主要參數(shù)中必須標(biāo)明該參數(shù)數(shù)值。

3）導(dǎo)柱位置。導(dǎo)向機構(gòu)的作用就是保證前后模在滑動開閉時能夠始終保持在正確的位置上，防止模架發(fā)生偏移。而導(dǎo)柱在前后模的位置需要設(shè)計人員根據(jù)產(chǎn)品和設(shè)計等信息來最終確定，并非一成不變的。

4）是否需要中托司。中托司可以為頂針板的頂出與退回提供導(dǎo)向作用，同時能夠保護(hù)頂針減少磨損。中托司的有無受很多其他因素的影響，設(shè)計人員還是要綜合實際設(shè)計需要、企業(yè)內(nèi)部執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、任務(wù)書要求以及模具成本等變量因素的綜合考慮。

2.3 其他細(xì)節(jié)參數(shù)設(shè)置

上述主要參數(shù)在構(gòu)成整個模架主體的同時保證了生成模架的準(zhǔn)確性，滿足了設(shè)計需求。可是經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，目前所有模架快速設(shè)計系統(tǒng)的關(guān)注點都只局限在主要參數(shù)上，對其他一些細(xì)節(jié)參數(shù)充耳不聞。這些細(xì)節(jié)參數(shù)不僅是專家多年設(shè)計經(jīng)驗的總結(jié)和升華，同時也能在一定程度上提升模具設(shè)計的效率。

在模具設(shè)計過程中，模架生成后，有經(jīng)驗的設(shè)計人員會立刻將模具的零件分別設(shè)置成不同的顏色以便區(qū)分，還會將不同零件按照個人習(xí)慣或公司統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)歸類到相應(yīng)的圖層中。圖層與顏色的設(shè)置極大地幫助了我們區(qū)分和設(shè)置模具零件，尤其是在對單個零件做修改的情況，如果不使用圖層分類，就要對每個零件重復(fù)使用隱藏和顯示命令，操作繁瑣效率低下；而且常常會出現(xiàn)零件多改、漏改等操作，影響了模具設(shè)計的質(zhì)量。

在設(shè)計結(jié)束時，有些設(shè)計人員會對模架進(jìn)行一些細(xì)節(jié)處理，如：設(shè)置撬模角、模坯倒角等。這些細(xì)節(jié)雖然不會影響模具的生產(chǎn)與使用，但是能讓模具更加美觀，為模具在加工和生產(chǎn)帶來便捷，更是一名優(yōu)秀設(shè)計人員工作素養(yǎng)和豐富經(jīng)驗的體現(xiàn)。所以本文在總結(jié)設(shè)計知識和經(jīng)驗的同時創(chuàng)新性地添加了相應(yīng)的細(xì)節(jié)參數(shù)，以降低設(shè)計人員對設(shè)計經(jīng)驗的依賴。

3 模架設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)

3.1 應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)流程

本文首先運用NX/Open Menu Script模塊編譯個人所需的菜單文件；隨后通過選用VB語言和Visual Studio2019編輯軟件根據(jù)上文分析編譯自定義對話框界面以及模架程序文件，同時經(jīng)過與NX平臺連接對代碼不斷進(jìn)行修改、調(diào)試，并最終生成符合條件的動態(tài)鏈接庫文件（Dynamic Link Library, DLL）文件；最后將DLL文件與NX平臺集成就能在建模環(huán)境中生成自己所需要的模架設(shè)計系統(tǒng)。流程圖如圖5所示。

圖5 應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)流程

3.2 菜單設(shè)計

菜單的設(shè)計可以根據(jù)用戶自己的個性化需求來創(chuàng)建，并在工程目錄文件夾Start up下建立一個.men格式的文本文件。文件主要代碼如下所示：

當(dāng)菜單設(shè)計文件編程完，此時的NX平臺并不能識別此文件，需要對平臺進(jìn)行路徑設(shè)置后（即環(huán)境變量的設(shè)置）NX平臺的菜單欄中才能夠顯示我們所設(shè)計的菜單系統(tǒng)。環(huán)境變量的設(shè)置有兩種方法：文件配置法和創(chuàng)建環(huán)境變量法。

文件配置法就是在NX安裝目錄下的custom_ dirs.dat文件中添加用戶路徑，如添加D:caidan，并點擊保存即可。但是由于空格或標(biāo)點符號的存在方法一時常會存在報錯的情況，所以本文采用創(chuàng)建環(huán)境變量法來實現(xiàn)路徑的設(shè)置。創(chuàng)建環(huán)境變量法具體步驟是點擊個人電腦的屬性→高級設(shè)置→環(huán)境變量設(shè)置中新建變量名與變量值即可，如圖6所示。

圖6 創(chuàng)建環(huán)境變量法

3.3 對話框設(shè)計

對話框的設(shè)計可以通過內(nèi)外兩種方法實現(xiàn)。方法一：通過內(nèi)部NX/Open UlStyler模塊直接創(chuàng)建界面設(shè)計（User Interface Design, UI）對話框。該方法的優(yōu)點在于能借助NX的可視化UI界面編輯器創(chuàng)建出與平臺本身風(fēng)格環(huán)境一致的對話框，不僅與NX平臺的融合度高同時還能自動生成對話框文件（.dlx）、頭文件（.hpp）和源文件（.cpp）減輕了編程人員的工作量，用戶只需要在函數(shù)固定格式中添加相應(yīng)的代碼即可。但內(nèi)部法存在客戶自定義化、個性化不足的缺點，尤其是遇到類似注塑模架這種涉及尺寸規(guī)格、分類標(biāo)準(zhǔn)較多的情況時，UI界面所對應(yīng)的標(biāo)簽、控件、參數(shù)文本框等內(nèi)容也會相應(yīng)增加，造成其界面操作繁瑣同時會給人帶來界面繁雜凌亂的映像。為了保證系統(tǒng)操作的簡便性，同時為了能夠在有限界面中集成所有需要的參數(shù)文本框，本文采用方法二。

方法二是選用其他合適的編程語言完成對話框設(shè)計后再由NX平臺運行，本文就是通過VB語言以及Visual Studio2019編程軟件建立一個滿足客戶自己需求的對話框。與其他設(shè)計系統(tǒng)使用的C語言相比，VB語言更加簡單易學(xué)、好理解，是推廣最早的一種語言[8]。作為一種強大的設(shè)計語言，它的普適性非常廣，基本能夠完成所有編程任務(wù)；其采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法使得設(shè)計過程能夠看見界面的實際效果，使得系統(tǒng)設(shè)計變得更加可控；同時該語言采用事件驅(qū)動編程機制，可以將工程設(shè)計過程中的長串代碼分解成主程序加子程序的執(zhí)行順序，這樣對于模架的分類編程和資源文件的集中管理都十分便利、清晰。

對話框的編輯要能夠陳列出常用模架的各種類型，以及各型號中的所有尺寸規(guī)格和零件關(guān)鍵參數(shù)，在開發(fā)人機交互界面前需要先收集好模架關(guān)鍵參數(shù)，并將上述總結(jié)分析在界面中體現(xiàn)[9]。對話框部分編程代碼和人機交互界面如圖7所示。

圖7 對話框界面圖

3.4 模架程序設(shè)計

雖然注塑模的模架部分從整體上看是一個綜合性的裝配體，但是在NX建模環(huán)境中可以將其看作是一個個不同類型零件通過布爾運算組合而成的[10]。同樣在程序法建模時也可以將模架看成是程序創(chuàng)建的模板，按照坐標(biāo)計算得出的空間位置組合而成的裝配模型。

在創(chuàng)建模架編程文件時除了上述分析外還要注意，為保證位置的準(zhǔn)確性、降低出錯概率，建議選用同一個坐標(biāo)系作為基準(zhǔn)；巧妙利用各種求差、求和、求交、IF等函數(shù)工具。對函數(shù)工具的合理使用，不但可以得到準(zhǔn)確的模架，還能減少對參數(shù)的變更和開發(fā)人員編程的工作量。部分代碼如下：

3.5 模架程序法設(shè)計效果

以某次模架設(shè)計為例，在模架設(shè)計系統(tǒng)的會話框中先選擇模架型號及尺寸，如簡化細(xì)水口-FCI-3535，隨后在模板參數(shù)中確定或修改文本對話框中各模板參數(shù)，以及在復(fù)選框中勾選是否需要撬模角、模坯倒角等內(nèi)容參數(shù)，在位圖中確認(rèn)是否為自己所需要的模架類型后，點擊確定按鈕即可在1 min內(nèi)生成模架，如圖8所示。

圖8 簡化細(xì)水口FCI模架效果圖

4 結(jié)語

本文以知識工程技術(shù)為基礎(chǔ)提出專用設(shè)計系統(tǒng)的研發(fā)思路，以模具零件分類為理論依據(jù)確定哪類零件可以通過設(shè)計重用來實現(xiàn)效率提升；隨后通過對常用注塑模架特征分析和設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)，在NX平臺基礎(chǔ)上使用程序建模法開發(fā)出了注塑模架專用設(shè)計系統(tǒng)。

該注塑模架專用設(shè)計系統(tǒng)與NX平臺能有機融合，操作界面符合當(dāng)下設(shè)計人員的使用習(xí)慣，操作簡單易上手；將所有模架類型編入系統(tǒng)中以 供用戶隨時調(diào)用，避免了重復(fù)性建模工作，將原先60 min的設(shè)計工作壓縮至5 min以內(nèi)完成，顯著縮短了模具設(shè)計周期；其次將提取的專家知識經(jīng)驗融入系統(tǒng)中，使得模具的設(shè)計質(zhì)量得到有效提升，并降低了用戶對經(jīng)驗的依賴程度，使得知識得到有效繼承；最后，該注塑模架專用設(shè)計系統(tǒng)的研發(fā)為其他零件快速設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)提供了參考和依據(jù)。