針對塑料注塑模具的自動裝配建模

譯 文學(xué) 院： 南徐學(xué)院 專 業(yè)： 材料成型與控制工程 學(xué) 號： 姓 名： 萬超 指導(dǎo)教師： 施一豐、葉思珍 江 蘇 科 技 大 學(xué)年 月 日對于塑料注塑模具的自動裝配建模X. G. Ye, J. Y. H. Fuh and K. S. LeeDepartment of Mechanical and Production Engineering, National University of Singapore, Singapore注塑模具是依賴零部件和產(chǎn)品的獨(dú)立部件裝配構(gòu)成的機(jī)械產(chǎn)品。本文討論兩個問題上面的注塑模具裝配建模：即在電腦中描繪注塑模具的裝配；決定獨(dú)立生產(chǎn)零件的位置和設(shè)計方向。一個基于特征和以目的為導(dǎo)向的陳述以表現(xiàn)注塑模具的分級組裝。這篇文章也許需要設(shè)計者思考一些超出文章以外的東西，明確地知道哪部分最重要并且知道為何重要。因此，文章為設(shè)計者提供了一個裝置設(shè)計（DFA）的機(jī)會。一個簡化的符號幾何學(xué)的途徑也被提出，意味著根據(jù)吻合的條件裝配物體的外型?；诿枋龊秃喕姆枎缀螌W(xué)的途徑，自動裝配將進(jìn)一步討論。關(guān)鍵詞：模具裝配 基于特征 注塑模具 目的為導(dǎo)向1、 介紹注塑模具是生產(chǎn)塑料模具產(chǎn)品最重要的環(huán)節(jié)，最基本的設(shè)備包含兩個元素：澆注模具機(jī)器和模型?，F(xiàn)今使用的澆注模具機(jī)器是一體的，在明確的范圍內(nèi)機(jī)器可以制造許多不同的部分，并且根據(jù)產(chǎn)品來設(shè)計模具。模具因外型而異，注塑模具首要任務(wù)是對塑料產(chǎn)品的溶質(zhì)最后形狀定型。這個任務(wù)主要通過腔系統(tǒng)（內(nèi)模、腔、鑲件、滑塊/斜頂）完成。塑料模具產(chǎn)品直接決定了腔系統(tǒng)的形狀和尺寸，因此我們稱這些部分為依存性產(chǎn)品。除了首要任務(wù)，注塑模具必須完成一系列的任務(wù)，分配融化、冷卻、灌注、傳送、疏導(dǎo)、結(jié)合，每個部分完成各自的任務(wù)通常都是相似的。塑料模具產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和幾何形狀是獨(dú)立的，但是尺寸可以改變。所以我們可以知道，注塑模具事實上是機(jī)械裝配過程，包括獨(dú)立和非獨(dú)立環(huán)節(jié)。見示意圖。非獨(dú)立部分取決于塑料產(chǎn)品的幾何形狀，近些年CAD/CAM技術(shù)成功地運(yùn)用在了模具設(shè)計上面。塑料產(chǎn)品相關(guān)部分的自動化成產(chǎn)也引起了一些科學(xué)家的興趣。然而，注塑模具裝配建模根本不起作用，縱使它是最重要的部分。模具制造業(yè)在運(yùn)用CAD系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)零部件和澆注模具時，面臨著兩個困難，一、一百個零部件合成一個模型集，這些零部件因不同的制約因素而互相關(guān)聯(lián)，這讓設(shè)計人員消耗長時間定位；二、模具設(shè)計者通?？紤]實物的水品，如螺絲釘、別針等，而CAD卻是完全不同的概念。因而，高水準(zhǔn)的理念不得不被CAD的局限而降低水準(zhǔn)，轉(zhuǎn)化成線條，平面、立體。因此，有必要發(fā)明自動注塑模具建模系統(tǒng)，來解決這兩個問題。在這片文章里面，闡述了兩個關(guān)鍵的問題，設(shè)計相關(guān)零部件和非相關(guān)零部件的集成系統(tǒng)以及根據(jù)零部件的位置和作用進(jìn)行配置。文章闡述了在模具建模方面的相關(guān)研究，以及澆鑄模具的完整過程。簡單幾何符號的方法是用來說明模具裝配中零件的位置，將會用一個具體例子來解釋說明。2、相關(guān)研究很多領(lǐng)域都將裝配建模作為一個課題研究，例如，運(yùn)動學(xué)，人工智能，幾何建模學(xué)。利巴爾迪編制了一份裝配建模的研究回顧，許多研究人員運(yùn)用圖型結(jié)構(gòu)來構(gòu)造裝配拓?fù)鋵W(xué)。研究主要是以節(jié)點(diǎn)和變形矩陣為組成部分，它們隸屬于弧線。而影響轉(zhuǎn)換程序的矩陣不是成對存在著的，如果一個組件改變，其他部分就不能相應(yīng)得運(yùn)行。Lee和Gossard發(fā)明了一種等級裝配數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含了關(guān)于裝配的基本信息，如兩個組建的交配特點(diǎn)。變換矩陣是從聯(lián)合的虛擬連接中自動導(dǎo)出，但是這個等級拓補(bǔ)模型代表只有部分的關(guān)系有效。在裝配中的自動推理配置組件意味著設(shè)計者能直接避免具體說明變化矩陣，組件的位置，無論在位置還是尺寸方面都會改變其參考組成部分。目前有三種技術(shù)來推測在裝配中某個組件的的位置和方向：交互式數(shù)字技術(shù)，符號代數(shù)技術(shù)，符號幾何技術(shù)。Lee和Gossard提出了一種交互式數(shù)字技術(shù)從空間關(guān)系來計算每個組成部分的位置和方向。方法分為三個步驟：約束方程式的每一代，減少方程式的數(shù)字，然后解出方程式。根據(jù)對立條件，有十六個方程式，適合的有十八個方程式。每個矩陣有六個屬性方程，并給可變部分增加兩個方程。通常，方程式的數(shù)目超過變量的數(shù)目，所以必須制定法則來消除多余的方程。運(yùn)用牛頓R交互式運(yùn)算法則來解方程。技術(shù)存在兩個缺陷，解決的辦法是在很大程度上依賴于初始解；交互式運(yùn)算法則不能區(qū)分布不同根的解集。因此盡可能是在一個純粹的空間關(guān)系問題，在數(shù)學(xué)上是有效的，而肢體不可行的，可以解出答案。Ambler和 Popplestone建議計算出每一個部件的輪換和移動來滿足裝配過程中的空間關(guān)系。每個部件已算出的六個可變量與空間關(guān)系一致。這種方法需要大量編程和計算來改寫一個可解格式的方程。此外，它并不保證每次能解決問題，尤其是當(dāng)方程不能被改寫成解形式時。Kramer開發(fā)了具有象征意義的幾何方法，來確定剛性機(jī)構(gòu)位置和方向，滿足一系列的幾何約束。推理有關(guān)幾何機(jī)構(gòu)，是象征性的表現(xiàn)在減少該對象的可用度自由（自由度）所產(chǎn)生的行動順序，以滿足每個約束逐步結(jié)果。Kramer運(yùn)用的是一個點(diǎn)和兩個正交數(shù)軸，所謂標(biāo)記的方法。標(biāo)志物之間的界定有七個約束因子。對于一個涉及單個物體和制約之間的問題，其中有不變的屬性，動作分析，是一個用來獲取答案的辦法。在每一個解決對象配置的過程中，在合理的范圍內(nèi)對自由度的分析，決定了將采取什么行動來滿足物體而不滿足制約因素。最后一個步驟，一個合適的行動，是為了比喻裝配計劃。根據(jù)Shah 和 Rogers. Kramer的工作代表著裝配建模的巨大發(fā)展。這一具有象征意義的幾何方法，可以找到所有解決辦法，以約束條件，并在計算比較有吸引力的一個迭代技術(shù)，但實施這種方法，需要大量的程序。雖然許多研究人員一直積極參與裝配建模，很少有基于為注塑模具設(shè)計裝配建模的文獻(xiàn)報道。Kruth為注塑模具制定了一個設(shè)計支持系統(tǒng)。他們的系統(tǒng)支持裝配設(shè)計，通過高層次的功能模擬物體注塑模具。因為他們的系統(tǒng)是基于AutoCAD，它只能容納線框和簡單的立體模型。3、 具有代表性的注塑模具裝配注塑模具的自動裝配模具的兩個關(guān)鍵問題在于，在電腦中設(shè)置模具裝配，以及決定獨(dú)立零部件的位置和方向。在本節(jié)中，我們提出一個面向?qū)ο蟛⒒谔卣鞯拇硇援a(chǎn)品。電腦中的產(chǎn)品裝配涉及到個體的結(jié)構(gòu)及空間關(guān)系，例如典型部件的裝配必須支持其他的部分，相對定位零件的改變，也能使操縱過程形成一個整體。此外，裝配過程必須符合以下準(zhǔn)則。1、 它必須具有較高的水平，能反映模具設(shè)計人員對于真實世界的想法。2、 代表性的組件應(yīng)當(dāng)概括自動化例行程序的功能，例如包裝和抽樣檢查。為了滿足這些需求，提出了以注塑模具為代表的基于特征和面向?qū)ο蟮膶哟文Ｐ?。一個裝配可以分為幾個分組合件，包括構(gòu)成組件和/或個別組件，層級模型是組成部分之間結(jié)構(gòu)關(guān)系中最具代表性的模型。等級以為著明確的裝配順序，此外，一個層次模型可以提供一個更明確的部件獨(dú)立性?；谔卣鞯脑O(shè)計，讓設(shè)計者能有更高層次的抽象，使直接使用固體模式的開發(fā)成為可能。使用者明確規(guī)定參數(shù)和細(xì)節(jié)能較快確定幾何特征。此外，較容易改變設(shè)計，因為特征建模的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)維持了幾何實體之間的聯(lián)系。沒有實物，設(shè)計師要關(guān)注原模型幾何開發(fā)過程中的所有細(xì)節(jié)，程序的設(shè)計必須完全與因為改變而受影響的單個實體吻合。此外，基于特征的實體將會提供高層次的裝配對象為設(shè)計師使用。例如，當(dāng)模型設(shè)計師對先對一級真實世界思考，再將其設(shè)計進(jìn)電腦。面向?qū)ο蠼?11,12 ，是一種新的思維方式，運(yùn)用濃縮真實世界的概念。基本實體是單獨(dú)實體（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和行為）的對象，面向?qū)ο竽Ｐ驮诶斫夂驮O(shè)計程序、數(shù)據(jù)庫方面能派上用場。此外，面向?qū)ο蟮拇硇詫嵗屝畔⒌南蛳聜鬟f變得簡易。圖2展示的是某個基于特征和面向?qū)ο?，具有代表性注塑模具的層次結(jié)構(gòu)：從低層次的幾何實體（形狀特征） ，到高層次的組件的多層次結(jié)構(gòu)的抽象。方框內(nèi)文字代表“裝配物體”(SUBFAs, PARTs 和 FFs)；實線表示“部分的”關(guān)系；虛線表示其他關(guān)系；組件（subfa）包含每個部分（PARTs），每個部分是裝配的過程之一，實例結(jié)合了基于幾何特征的模型和面向?qū)ο蟮哪Ｐ?，不僅包括了每個實體的關(guān)系和中間的子關(guān)系，還包含了裝配運(yùn)行過程中的機(jī)構(gòu)關(guān)系。3.1章節(jié)，將進(jìn)一步討論單個部件的裝配含義，3.2章節(jié)陳述各部件之間的關(guān)系。3.1裝配部件的定義我們將某個唯一、可識別的實體記為O，則有：O = (Oid, A, M, R) (1)這里：Oid 是一個唯一可識別的對象；（o）A 是三元組的集合 （t.a.v）；a屬于o，M是一套元組(m, tc1, tc2, %, tcn, tc)；M是一個函數(shù)來確定不同的方法。m代表方法名稱；每個方法對對象起作用；tci (i= 1, 2, %, n)明確變量的類型，和反饋值；R是一系列的關(guān)系。這里有裝配的六種基本關(guān)系：Part-of, SR, SC, DOF,Lts, 和 Fit.圖1顯示注塑模具的裝配，如噴射器。在圖一中，噴射器被正式定義為：(ejector-pin_1, (string, purpose, ejecting moulding),(string, material, nitride steel), (string, catalog_no,THX),(check_interference(), boolean), (pocket_plate(), boolean),(part-of ejection_sys), (SR Align EB_plate), (DOF Tx,Ty).在這個例子中，假設(shè) 材料和catalogFno是一系列數(shù)據(jù)，checkFinterference 和pocketFplate 是變量函數(shù)；Part-of, SR和 DOF 是關(guān)系。3.2 裝配關(guān)系這里有六種裝配中的基本關(guān)系：Part-of, SR, SC, DOF, Lts, Fit.Part-of 裝配中連個相關(guān)聯(lián)的部分Sr 明確規(guī)定位置和方向Sc 空間限制Dof 自由度，有限度的允許裝配后平行移動或轉(zhuǎn)動Lts 運(yùn)動限制，因為障礙物或者干擾因素自由度被限制Fit 尺寸約束，適用于尺寸，以保持配合一定的階級。在裝配物體的所有元素中，關(guān)系在裝配設(shè)計相當(dāng)重要，它不僅決定了位置還保持裝配對象之間的關(guān)聯(lián)性。在以下幾小節(jié)，我們將會解釋同一等級之間的關(guān)系對于裝配的影響。3.2.1關(guān)系的形式特征模具設(shè)計，在本質(zhì)上是一個心理過程，模具設(shè)計師時間是在考慮真實的物體，像板，螺釘，槽，倒角等。因此，有必要建立獨(dú)立零件形狀的幾何模型。模具設(shè)計者可以輕易改變一部份的大小和形狀，因為它們各自獨(dú)立。圖3a中，包含木板和擴(kuò)孔鉆洞，根據(jù)木板(FF1).來確定洞(FF2)的位置。等式(2)(5)表示洞和木板之間的空間關(guān)系，因為它們之間沒有約束關(guān)系，所以設(shè)計師可以直接定義，具體關(guān)系如下：F2k = F1k (4)r2F = r1F + b22*F1j + AF1*F1i (5)DOF:Obj_has_1FRDOF(FF2, F2j)The counter-bore feature can rotate about axis F2j.LTs(FF2, FF1):AF1 , b11 - 0.5*b21 (6)Fit (FF2, FF1):b22 = b12 (7)這里F和r是物體的方向和位置向量F1 = (F1i, F1j, F1k), F2 = (F2i, F2j, F2k).bi是維度，下標(biāo)i是特征數(shù)，j是維數(shù) AF1是二維形式的物體方程(2)(7)表示FF1和 FF2的關(guān)系，這些連鎖關(guān)系，從而確定物體某部分的位置和方向。整體裝配可以理解為各部分的裝配。對于特定部件的選則是基于關(guān)聯(lián)部件的形狀特征的。UG的CAD/CAM系統(tǒng)提供的既定圖形，能夠滿足注塑模具對零件的形狀要求，并且與空間關(guān)系相吻合，我們因此選擇這個系統(tǒng)。但我們必須記錄LTs,它是更新的關(guān)鍵。3.2.2 各部分之間的關(guān)系裝配中，各部分緊密相連，圖3b中，木板(PP1)和螺絲釘(PP2).螺絲釘?shù)南鄬ξ恢檬苣０宓奈恢玫募s束，它們之間的關(guān)系如下：SR(PP2, PP1):P2 = MpP1 (8)r2 = Mrr1 (9)SC(PP2, PP1):mate(f1,f2) axis_align(axis_1, axis_2)DOF:Obj_has_1_RDOF(PP2, P2j)The screw can rotate about P2j of the plate.LTs(PP2, PP1):A22 , A12 (10)Fits(PP2, PP1):A13 = A21 + cc (11)這里P1 和 P2 是板和螺絲釘?shù)姆较蛳蛄?；P1 = (P1i, P1j, P1k), P2 = (P2i, P2j, P2k). Mp 和 Mr是變量是控制器mate and axis_align 是約束因素r是一個位置向量Aij是維度，下標(biāo)i是產(chǎn)品編號,j是維數(shù)。等式8-9可以得出變量Mp和 Mr，決定位置和方向Mp and Mr是空間限制因素(SC)，這個推導(dǎo)需要每個步驟都進(jìn)行，將在下章詳細(xì)討論。我們在電腦中已經(jīng)有了一個模型，裝配反映了每部分的情況，這種等級制度移位著上下級之間傳達(dá)命令，所以不再是單個零件的設(shè)計，而是作為一個整體還擴(kuò)展功能范式到裝配建模，因為當(dāng)中某個零件的變化會導(dǎo)致整個模型的改變。面向?qū)ο蟮拇硇钥梢越Y(jié)合一個對象雙方的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和運(yùn)作。4、各部分的裝配從等式8-9可以知道，裝配中部件位置和方向的選擇是一個變幻的矩陣。為方便起見空間關(guān)系通常指定由高級別決定，例如“mate”, “align” and “parallel”.因此，這是矩陣各部分之間由隱約束關(guān)系至關(guān)重要的推導(dǎo)。有三種方法來推斷該配置的零件，已經(jīng)在上文有所提及。因為象征幾何方法可以找到所有解決方案，以約束方程與多項式時間的復(fù)雜度，我們利用這個方針來確定裝配的位置和方向部分。在裝配建模軟件里，需要很多程序為實施這一做法。因此，一種簡化的幾何方法，是建議確定裝配的位置和方向。在簡單幾何方法中，決定裝配部件位置和方向取決于滿足一系列約束因素的行為，而滿足約束因素的信息存儲在分計劃的列表中。單個計劃也應(yīng)該滿足每個部件的運(yùn)動行為。計劃程序紀(jì)錄對象的新自由度和相關(guān)的幾何不變量。概念上，Kramer的計劃是一個三維調(diào)度表。我們使用TDOF代表自由度的平移，RDOF表示自由度的轉(zhuǎn)動。計劃程序的實體因此被描述為：plan_fragment: kTDOF, RDOF, constraint_typelTDOF = 0, 1, 2, 3RDOF = 0, 1, 2, 3constraint_type = coincident, in-line, in-plane,parallel_z, offset_z, offset_x and helical該計劃片斷表程序詳盡的列舉了所有搜索空間的部分，滿足設(shè)計者在制定運(yùn)動物體定位框架時的約束因子。列舉上述三個不同參數(shù)的值，得出82個實體，研究實體空間的問題將減少實體的數(shù)目和計劃程序列表。如一個明確的約束形式中，列舉TDOF的值從0,1,2,3 to 0,3,研究空間即可減少。對于注塑磨具構(gòu)成部分之間的限制的謹(jǐn)慎研究，引入四個基本原始因素，in-line, parallel_z, parallel_z1 and parallel_offset，其定義和代數(shù)方程分列如下：in-line(M1, M2): M1 lies on the line through M2 parallel to the Z-axis of M2.|gmp(M1) - gmp(M2)| gmz(M2)| = 0 (12)Parallel_z(M1, M2): the Z-axes of markers M1 and M2 are parallel and have the same direction.gmz(M1) gmz(M2) = 1 (13)parallelFz1(M1, M2): the Z-axes of markers M1 and M2 are parallel and have the opposite direction.gmz(M1) gmz(M2) = -1 (14)paralleFoffset(M1, M2, d): Applicable only in conjunction with parallelFz or parallelFz1, specifies the distance between M1 position and M2 position.gmp(M1) - gmp(M2) = d (15)這里M1 and M2 代表制作者gmp(M) 是空間位置gmz(M) 是Z軸gmx(M) 是X軸d 是 M1 and M2.之間的距離在簡單幾何符號方法中，列舉約束類型：inFline, parallelFz, parrelFz1,paralleFoffset.同KARMER的方法比較，約束類型從7個減為4個，也簡化了實體程序計劃的個數(shù)。在四個原始基本因素中，三個高層次限制被合成，大大方便了使用者。分別是 mate (M1, M2, d),planeFalign(M1, M2, d), and axisFalign(M1, M2). 定義如下：mate(M1, M2, d):parallel_z1(M1, M2) parallel_offset(M1, M2, d)plane_align(M1, M2, d):parallel_z(M1, M2) parallel_offset(M1, M2, d)axis_align(M1, M2):parallel_z(M1, M2) in_line(M1, M2) 注塑模具的裝配受這三個因素的制約，兩個和三個合成的限制，進(jìn)一步限制約束順序。其順序如下 ：mate(M1, M2, d) plane_align(M3, M4, d2)mate(M1, M2, d1) axis_align(M3, M4)plane_align(M1, M2, d) axis_align(M3, M4)mate(M1, M2, d1) axis_align(M3, M4, d2) axis_align(M5, M6).由于這些對約束序列的限制，計劃實體的程序編制將減少。有九個實體時，才能解決其中部分問題。裝配程序中個部分的互動，約束類型和自由順序增加了使用的靈活性。預(yù)先確定空間關(guān)系，順序?qū)ψ⑺苣＞叩淖詣踊b配不起作用。根據(jù)上述描寫，組成部分的結(jié)構(gòu)關(guān)系可以在數(shù)據(jù)庫中指定出來。在模具裝配中增加部件系統(tǒng)將首先分解合成限制條件成為原始限制條件，然后產(chǎn)生一組未完成計劃來面向裝配中的組成部分。5、 注塑模具的自動裝配任何注塑模具都包括獨(dú)立部件和非獨(dú)立部件，通常費(fèi)獨(dú)立性部件的生產(chǎn)取決于塑料模具的幾何樣式，它們和高層次裝配有相同的目的，并且設(shè)計者直接指定它們的位置。傳統(tǒng)意義上對獨(dú)立產(chǎn)品的部分的設(shè)計來說，設(shè)計者從目錄中選擇結(jié)構(gòu)，為選擇的非獨(dú)立行部分建立幾何模型再加入獨(dú)立的部件。在系統(tǒng)中，根據(jù)裝配需求和定義為非獨(dú)立性部件建立數(shù)據(jù)庫，詳見第三部分。數(shù)據(jù)庫不僅包括非獨(dú)立性部件的幾何形狀和尺寸，此外包括在它們之間的空間限制條件。而且，一些常規(guī)象干擾那樣的功能檢查被密封在數(shù)據(jù)庫內(nèi)。因此，模具設(shè)計者必須選擇來自用戶的獨(dú)立產(chǎn)品的部分的結(jié)構(gòu)類型接口，軟件將自動計算這些部分的定向和位置矩陣，并且給裝配增加它們。5、1模架的裝配由圖一可知，獨(dú)立產(chǎn)品的部分能被歸類為模架和標(biāo)準(zhǔn)件，模架是一組木板、釘子的裝配過程除形成以外這種產(chǎn)品，模具必須履行許多功能并且調(diào)整好，大多數(shù)模具必須合并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)增長的相同功能， 一些在模具建設(shè)過程中的標(biāo)準(zhǔn)化的形式已經(jīng)被采用。一個模架是這標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)果。根據(jù)基于特征和面向?qū)ο蟮难b配代表，零部件的建造基于特征的固態(tài)模型是基礎(chǔ)第一位的；裝配物體，通過在被定義零部件和零部件里密封功能之間建立關(guān)系；利用裝配對象建立基礎(chǔ)。這模架對象可以被群數(shù)據(jù)用具體事例說明目錄數(shù)據(jù)庫。圖4 顯示例示模型基礎(chǔ)物體產(chǎn)生被指定的模型基礎(chǔ)。指定的模架實例可以被自動增加進(jìn)結(jié)晶器裝置。在模具之間的結(jié)構(gòu)的關(guān)系基礎(chǔ)分段裝配和最高的裝配可以用方程8-9表示。5、2 標(biāo)準(zhǔn)件的自動增加一個標(biāo)準(zhǔn)件是一個裝配物體被定義為方程1，具體參見第三節(jié)第一部分，在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，空間限制調(diào)節(jié)被定義為mate, plane_align and axis_align,跟數(shù)據(jù)庫有所不同定位與定向矩陣一個標(biāo)準(zhǔn)件中未知。在例示期間，在使用簡化象征幾何學(xué)時軟件自動推斷明確結(jié)構(gòu)關(guān)系，具體參見第四部分。53 組裝自動裝配設(shè)計的重要的問題之一是個部件組裝的過程的自動化。組裝是在相應(yīng)組成部分里做空的空間的一次行動來適應(yīng)