注射模軟體的三個發展階段

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注射模軟體的三個發展階段簡介
摘要:重點論述了注射模軟體三個發展階段的工作特點、存在的問題及發展趨勢,並介紹了華中理工大學模具技術重點實驗室在這方面的成就。   關鍵詞:注射模 模擬 軟體集成 三維實體模型 Ope……
注射模軟體的三個發展階段正文
摘要:重點論述了注射模軟體三個發展階段的工作特點、存在的問題及發展趨勢,並介紹了華中理工大學模具技術重點實驗室在這方面的成就。

關鍵詞:注射模 模擬 軟體集成 三維實體模型 OpenGL CAD/CAM/CAE


1引言

  塑料模CAD/CAE/CAM技術的重要性正逐漸被模具界所認識,其中塑料注射模應用軟體的發展十分引人注目,在工業界形成了一花獨放的局面。注射模軟體的發展可劃分為三個階段,第1階段為開發獨立運行的注射過程模擬軟體,第2階段為二維模具設計軟體與模擬軟體的集成,第3階段為三維模具設計與製造軟體及模擬軟體的集成。本文重點論述各個發展階段的工作內容、特點、存在的問題及發展趨向。

  澳大利亞Moldflow公司在1978年推出的基於有限差分方法的一維商品化流動分析軟體MF1.0,以及美國AC_Tech公司在1986年推出的基於有限元方法的二維商品化流動分析軟體C_Flow1.0是這一階段注射模軟體發展的兩個里程碑。在隨後的10年裡,MF和C_Flow軟體不斷地得以改進和完善,現已形成包括流動模擬、保壓分析、冷卻分析、內應力分析、分子定向和翹曲變形預測等系列分析軟體,在國內外模具界享有盛譽。華中理工大學模具技術國家重點實驗室目前推出的注射過程模擬軟體HS_CAE97具有自主版權。HS_CAE97系統在Windeow95/NT環境下運行,在OpeGL/GUI軟體的支持下,採用了面向對象的程序設計方法和曲面造型方法。該系統在軟體結構設計上,制訂了一個能在多個軟、硬體平台上運行的通用用戶管理系統UIMS,能將應用軟體和系統開發資源完全屏蔽,保證了良好的可移植性和可維護性。HS_CAE97的主要功能與特點為:(1)先進的三維曲面造型系統。(2)三角形網格的自動劃分和優化。(3)統一的窗口界面風格。(4)注射流動、保壓和冷卻過程分析軟體的集成。(5)計算結果與實驗實測相吻合。圖1HS_CAE97系統的組織結構這一階段開發的軟體由於數學模型和演算法的局限性,無論是國外的MF和C_Flow,還是國內的HS_CAE97都存在著以下缺點和問題:

  (1)儘管所有軟體都採用了三維可視化技術,但這些軟體所基於的數學模型在實質上都是二維模型。由於數學模型過於簡化,導致分析結果不精確,在許多情況下所獲得的分析結果只能定性,不能定量,翹曲分析軟體便成為無源之水。

  (2)由於演算法的局限性,流動、保壓及冷卻軟體均需採用中性面來分析。所謂中性面是假想的位於模具型腔和型芯中間的層面,用戶直接由塑料製品來構造中性面已深感困難,若依據型腔和型芯圖形來生成中性面則更是難上加難。長期以來,中性面的生成一直是運行注射過程分析軟體的攔路虎。

 (3)運行流動和冷卻分析軟體時,必須事先知道模具澆注系統和冷卻系統的布置方案和注射工藝條件,在缺少這些初始數據的情況下,分析軟體的使用價值和效率便大打折扣,單純依靠嘗試法即使是反覆運行這些分析軟體也不一定能獲得合適的技術方案和工藝條件。

 (4)這些獨立開發的分析軟體的曲面造型和編輯功能具有相當的局限性,其造型的方便程度和應用的覆蓋面遠不能和著名的商品化CAD/CAM系統(如Pro_E、CADDS5、UGⅡ)相比。

 (5)由商品化CAD/CAM軟體生成的塑料製品幾何模型或型腔與型芯的幾何模型一般都不能自動生成中性面,二次輸入不可避免,為此常要耗費用戶大量的精力和時間。


3二維模具設計軟體與分析軟體的集成

  近10年來,計算機繪圖和自動編程技術在模具界的普及程度越來越高,在CAD/CAM技術日新月異的90年代,人們已不滿足僅將計算機作為繪圖和編程的工具,而迫切希望在同一軟體環境下,既要有繪圖功能,又要有設計、計算、分析和加工的功能,模具CAD/CAM/CAE的集成系統便應運而生。華中理工大學模具技術國家重點

 

實驗室在成功開發注射過程分析模擬軟體的基礎上,採用在塑料模具界應用最為廣泛的商品化二維軟體AutoCAD,實現了二維模具設計軟體與模擬軟體的集成。HSCAD 2.0的全部程序均是在AutoCAD提供的ADS開發平台上採用C語言編寫的,為用戶提供了統一的人機界面,除了AutoCAD本身的功能外, HSCAD 2.0包括了模具結構設計子系統、結構及工藝參數計算校核子系統、塑料注射流動、保壓與冷卻模擬子系統、數控線切割編程子系統、建庫工具和設計進程管理等模塊,所以程序均能在AutoCAD的環境下集成運行。圖2所示為HSCAD 2.0的結構框圖。



HSCAD 2.0主要功能表現在以下5個方面:

  (1) 方便實用的圖形輸入方式。系統提供了一種基於圖形尺寸的輸入法,藉助尺寸疊加,可實現製品至型腔圖或型芯圖的自動轉換。
 (2)靈活多樣的參數化設計過程。在HSCAD 2.0中參數化方法貫穿於模具結構設計的始終。
  (3)構思新穎的建庫工具。用戶能方便地建立和修改符合本廠特點的材料庫、模架庫和圖庫,新穎性的兩大標誌是模架結構的參數化和模架零件的關聯性。
  (4)理論與實踐相結合的計算校核功能。HSCAD 2.0在採用有關理論計算公式的同時,又充分考慮到實踐中被證明為行之有效的經驗公式和實踐原則,開發出別具一格的模具剛度校核、模具成本計算、推出系統計算、注射機校核、型腔數目計算、冷卻系統和澆注系統計算等軟體,供用戶在設計過程中隨時調用。
 (5)與模具結構CAD集成的塑料注射成型過程模擬。


第二階段的HSCAE 2.0軟體在以下方面獨樹一幟:

  (1)運行HSCAE 2.0能獲得澆注系統、冷卻系統、模具結構方案、注射工藝條件等初始數據,為成功地實施注射過程模擬創造了良好的條件。
  (2)根據HSCAE 2.0生成的型腔圖和型芯圖,可方便地產生運行模擬軟體所需的三角形網格,避免了幾何模型的二次輸入。
 (3)擴大了軟體功能,由單純的過程模擬發展到模具結構設計、線切割加工和注射過程模擬的集成。


但是,第二階段開發的HSCAE 2.0軟體仍有以下不足:

 (1)採用型腔面和型芯面來進行網格劃分,雖然避免了構造中性面的難題,但是影響了分析精度,採用這種簡化方法來確立模具的澆注系統和冷卻系統是合適的,但不能用來進行翹曲分析。
 (2)流動過程模擬數學模型依然是二維模型。
  (3)由於AutoCAD曲面造型的能力較弱,限制了HSCAE 2.0的應用範圍。
  (4)三維建模、二維設計的模式無法適應新一代注射模擬軟體發展的需要。


4 三維模具設計和製造軟體與模擬軟體的集成

  所謂新一代注射模軟體,是利用計算機集成製造技術(CIM)建立的注射模集成製造系統(CIMS),這種高度集成的系統應能支持模具設計與製造的全過程,因此三維幾何建模和三維模具設計與製造的應用至關重要。在90年代,西方先進工業國已將商品化CAD/CAM系統與注射過程模擬軟體進行了初步集成,並取得了顯著成效。但是,無論是CADDS5、UGⅡ,還是Pro_E,在開發之初都是作為通用機械設計與製造工具來構思的,並不針對塑料模具,因此在使用這些通用CAD軟體設計塑料模具時會感到效率低下、操作繁瑣、功能短缺。為此,近年來發展的趨勢是開發新一代的注射模CAD/CAM專用系統,或者是在CAD/CAM通用系統的基礎上進行有針對性的二次開發。例如Technocal公司開發的專用系統CAMold軟體,能使注射模設計的許多常規工作自動化, CAMold軟體建立了注射模各部件之間的關係模型,能自動裝配和修改注射模的結構和尺寸。再如ParametricTech公司在Pro_E軟體的基礎上開發了用於注射模設計的專用軟體Pro/Moldesign,初步實現了模具結構設計、注射流動過程模擬和注射模開合動作模擬的集成。鑒於我

 

國的國情和我校在機械CAD方面的雄厚實力,在注射模軟體開發的第三階段,選擇了在我校自主開發的三維參數化特徵造型CAD/CAM系統InteSolid 1.0上研製新一代注射模集成化製造系統。


新系統的主要功能和特點如下:

  (1)三維實體造型能力。在二維草圖設計基礎上,可交互生成三維實體並能方便地提取實體的表面信息,以便網格的自動剖分。
 (2)三維參數化功能。三維實體與二維視圖互相關聯,在設計過程中可隨意更改三維實體或任一視圖的尺寸,該尺寸的更改會導致三維實體和所有視圖的自動變化。
 (3)可視化功能。可隨時對三維圖形進行著色和渲染,並能進行消隱處理和零部件的干涉檢查。
 (4)採用特徵造型的方法。可隨時定義實體的特徵,為進一步實現智能化的集成系統創造良好的條件。
 (5)三維真實感流動模擬。無需用戶定義中性面,直接在三維實體模型上進行流動過程模擬。
  (6)三維參數化模具結構設計與模擬。新的設計方法將從根本上改變二維視圖的手工設計傳統,使模具設計過程更直觀、方便,已裝配的模具零件隨時可進行開合、抽芯、頂推動作的動態模擬。
 (7)3~5軸銑削加工指令生成及銑削過程模擬。

 


摘要:重點論述了注射模軟體三個發展階段的工作特點、存在的問題及發展趨勢,並介紹了華中理工大學模具技術重點實驗室在這方面的成就。

關鍵詞:注射模 模擬 軟體集成 三維實體模型 OpenGL CAD/CAM/CAE


1引言

  塑料模CAD/CAE/CAM技術的重要性正逐漸被模具界所認識,其中塑料注射模應用軟體的發展十分引人注目,在工業界形成了一花獨放的局面。注射模軟體的發展可劃分為三個階段,第1階段為開發獨立運行的注射過程模擬軟體,第2階段為二維模具設計軟體與模擬軟體的集成,第3階段為三維模具設計與製造軟體及模擬軟體的集成。本文重點論述各個發展階段的工作內容、特點、存在的問題及發展趨向。

  澳大利亞Moldflow公司在1978年推出的基於有限差分方法的一維商品化流動分析軟體MF1.0,以及美國AC_Tech公司在1986年推出的基於有限元方法的二維商品化流動分析軟體C_Flow1.0是這一階段注射模軟體發展的兩個里程碑。在隨後的10年裡,MF和C_Flow軟體不斷地得以改進和完善,現已形成包括流動模擬、保壓分析、冷卻分析、內應力分析、分子定向和翹曲變形預測等系列分析軟體,在國內外模具界享有盛譽。華中理工大學模具技術國家重點實驗室目前推出的注射過程模擬軟體HS_CAE97具有自主版權。HS_CAE97系統在Windeow95/NT環境下運行,在OpeGL/GUI軟體的支持下,採用了面向對象的程序設計方法和曲面造型方法。該系統在軟體結構設計上,制訂了一個能在多個軟、硬體平台上運行的通用用戶管理系統UIMS,能將應用軟體和系統開發資源完全屏蔽,保證了良好的可移植性和可維護性。HS_CAE97的主要功能與特點為:(1)先進的三維曲面造型系統。(2)三角形網格的自動劃分和優化。(3)統一的窗口界面風格。(4)注射流動、保壓和冷卻過程分析軟體的集成。(5)計算結果與實驗實測相吻合。圖1HS_CAE97系統的組織結構這一階段開發的軟體由於數學模型和演算法的局限性,無論是國外的MF和C_Flow,還是國內的HS_CAE97都存在著以下缺點和問題:

  (1)儘管所有軟體都採用了三維可視化技術,但這些軟體所基於的數學模型在實質上都是二維模型。由於數學模型過於簡化,導致分析結果不精確,在許多情況下所獲得的分析結果只能定性,不能定量,翹曲分析軟體便成為無源之水。

  (2)由於演算法的局限性,流動、保壓及冷卻軟體均需採用中性面來分析。所謂中性面是假想的位於模具型腔和型芯中間的層面,用戶直接由塑料製品來構造中性面已深感困難,若依據型腔和型芯圖形來生成中性面則更是難上加難。長期以來,中性面的生成一直是運行注射過程分析軟體的攔路虎。

 (3)運行流動和冷卻分析軟體時,必須事先知道模具澆注系統和冷卻系統的布置方案和注射工藝條件,在缺少這些初始數據的情況下,分析軟體的使用價值和效率便大打折扣,單純依靠嘗試法即使是反覆運行這些分析軟體也不一定能獲得合適的技術方案和工藝條件。

 (4)這些獨立開發的分析軟體的曲面造型和編輯功能具有相當的局限性,其造型的方便程度和應用的覆蓋面遠不能和著名的商品化CAD/CAM系統(如Pro_E、CADDS5、UGⅡ)相比。

 (5)由商品化CAD/CAM軟體生成的塑料製品幾何模型或型腔與型芯的幾何模型一般都不能自動生成中性面,二次輸入不可避免,為此常要耗費用戶大量的精力和時間。


3二維模具設計軟體與分析軟體的集成

  近10年來,計算機繪圖和自動編程技術在模具界的普及程度越來越高,在CAD/CAM技術日新月異的90年代,人們已不滿足僅將計算機作為繪圖和編程的工具,而迫切希望在同一軟體環境下,既要有繪圖功能,又要有設計、計算、分析和加工的功能,模具CAD/CAM/CAE的集成系統便應運而生。華中理工大學模具技術國家重點實驗室在成功開發注射過程分析模擬軟體的基礎上,採用在塑料模具界應用最為廣泛的商品化二維軟體AutoCAD,實現了二維模具設計軟體與模擬軟體的集成。HSCAD 2.0的全部程序均是在AutoCAD提供的ADS開發平台上採用C語言編寫的,為用戶提供了統一的人機界面,除了AutoCAD本身的功能外, HSCAD 2.0包括了模具結構設計子系統、結構及工藝參數計算校核子系統、塑料注射流動、保壓與冷卻模擬子系統、數控線切割編程子系統、建庫工具和設計進程管理等模塊,所以程序均能在AutoCAD的環境下集成運行。圖2所示為HSCAD 2.0的結構框圖。



HSCAD 2.0主要功能表現在以下5個方面:

  (1) 方便實用的圖形輸入方式。系統提供了一種基於圖形尺寸的輸入法,藉助尺寸疊加,可實現製品至型腔圖或型芯圖的自動轉換。
 (2)靈活多樣的參數化設計過程。在HSCAD 2.0中參數化方法貫穿於模具結構設計的始終。
  (3)構思新穎的建庫工具。用戶能方便地建立和修改符合本廠特點的材料庫、模架庫和圖庫,新穎性的兩大標誌是模架結構的參數化和模架零件的關聯性。
  (4)理論與實踐相結合的計算校核功能。HSCAD 2.0在採用有關理論計算公式的同時,又充分考慮到實踐中被證明為行之有效的經驗公式和實踐原則,開發出別具一格的模具剛度校核、模具成本計算、推出系統計算、注射機校核、型腔數目計算、冷卻系統和澆注系統計算等軟體,供用戶在設計過程中隨時調用。
 (5)與模具結構CAD集成的塑料注射成型過程模擬。


第二階段的HSCAE 2.0軟體在以下方面獨樹一幟:

  (1)運行HSCAE 2.0能獲得澆注系統、冷卻系統、模具結構方案、注射工藝條件等初始數據,為成功地實施注射過程模擬創造了良好的條件。
  (2)根據HSCAE 2.0生成的型腔圖和型芯圖,可方便地產生運行模擬軟體所需的三角形網格,避免了幾何模型的二次輸入。
 (3)擴大了軟體功能,由單純的過程模擬發展到模具結構設計、線切割加工和注射過程模擬的集成。


但是,第二階段開發的HSCAE 2.0軟體仍有以下不足:

 (1)採用型腔面和型芯面來進行網格劃分,雖然避免了構造中性面的難題,但是影響了分析精度,採用這種簡化方法來確立模具的澆注系統和冷卻系統是合適的,但不能用來進行翹曲分析。
 (2)流動過程模擬數學模型依然是二維模型。
  (3)由於AutoCAD曲面造型的能力較弱,限制了HSCAE 2.0的應用範圍。
  (4)三維建模、二維設計的模式無法適應新一代注射模擬軟體發展的需要。


4 三維模具設計和製造軟體與模擬軟體的集成

  所謂新一代注射模軟體,是利用計算機集成製造技術(CIM)建立的注射模集成製造系統(CIMS),這種高度集成的系統應能支持模具設計與製造的全過程,因此三維幾何建模和三維模具設計與製造的應用至關重要。在90年代,西方先進工業國已將商品化CAD/CAM系統與注射過程模擬軟體進行了初步集成,並取得了顯著成效。但是,無論是CADDS5、UGⅡ,還是Pro_E,在開發之初都是作為通用機械設計與製造工具來構思的,並不針對塑料模具,因此在使用這些通用CAD軟體設計塑料模具時會感到效率低下、操作繁瑣、功能短缺。為此,近年來發展的趨勢是開發新一代的注射模CAD/CAM專用系統,或者是在CAD/CAM通用系統的基礎上進行有針對性的二次開發。例如Technocal公司開發的專用系統CAMold軟體,能使注射模設計的許多常規工作自動化, CAMold軟體建立了注射模各部件之間的關係模型,能自動裝配和修改注射模的結構和尺寸。再如ParametricTech公司在Pro_E軟體的基礎上開發了用於注射模設計的專用軟體Pro/Moldesign,初步實現了模具結構設計、注射流動過程模擬和注射模開合動作模擬的集成。鑒於我國的國情和我校在機械CAD方面的雄厚實力,在注射模軟體開發的第三階段,選擇了在我校自主開發的三維參數化特徵造型CAD/CAM系統InteSolid 1.0上研製新一代注射模集成化製造系統。


新系統的主要功能和特點如下:

  (1)三維實體造型能力。在二維草圖設計基礎上,可交互生成三維實體並能方便地提取實體的表面信息,以便網格的自動剖分。
 (2)三維參數化功能。三維實體與二維視圖互相關聯,在設計過程中可隨意更改三維實體或任一視圖的尺寸,該尺寸的更改會導致三維實體和所有視圖的自動變化。
 (3)可視化功能。可隨時對三維圖形進行著色和渲染,並能進行消隱處理和零部件的干涉檢查。
 (4)採用特徵造型的方法。可隨時定義實體的特徵,為進一步實現智能化的集成系統創造良好的條件。
 (5)三維真實感流動模擬。無需用戶定義中性面,直接在三維實體模型上進行流動過程模擬。
  (6)三維參數化模具結構設計與模擬。新的設計方法將從根本上改變二維視圖的手工設計傳統,使模具設計過程更直觀、方便,已裝配的模具零件隨時可進行開合、抽芯、頂推動作的動態模擬。
 (7)3~5軸銑削加工指令生成及銑削過程模擬。

 

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