專業(yè)論文

注塑模具自動裝配造型 X. G. Ye, J. Y. H. Fuh and K. S. Lee機械和生產(chǎn)工程部，新加坡國立大學(xué)，新加坡注射模是一種由與塑料制品有關(guān)的和與制品無關(guān)的零部件兩大部分組成的機械裝置。本文提出了（有關(guān)）注射模裝配造型的兩個主要觀點，即描述了在計算機上進行注射模裝配以及確定裝配中與制品無關(guān)的零部件的方向和位置的方法，提出了一個基于特征和面向?qū)ο蟮谋磉_(dá)式以描述注射模等級裝配關(guān)系，該論述要求并允許設(shè)計者除了考慮零部件的外觀形狀和位置外，還要明確知道什么部份最重要和為什么。因此，它為設(shè)計者進行裝配設(shè)計（DFA）提供了一個機會。同樣地，為了根據(jù)裝配狀態(tài)推斷出裝配體中裝配對象的結(jié)構(gòu)，一種簡化的特征幾何學(xué)方法也誕生了。在提出的表達(dá)式和簡化特征幾何學(xué)的基礎(chǔ)上，進一步深入探討了自動裝配造型的方法。關(guān)鍵字：裝配造型；基于特征；注射模；面向?qū)ο蟆?、簡介注射成型是生產(chǎn)塑料模具產(chǎn)品最重要的工藝。需要用到的兩種裝備是：注射成型機和注射?！，F(xiàn)在常用的注射成型機即所謂的通用機，在一定尺寸范圍內(nèi)，可以用于不同形狀的各種塑料模型中，但注射模的設(shè)計就必須隨塑料制品的變化而變化。模型的幾何因素不同，它們的構(gòu)造也就不同。注射模的主要任務(wù)是把塑料熔體制成塑料制品的最終形狀，這個過程是由型芯、型腔、鑲件、滑塊等與塑料制品有關(guān)的零部件完成的，它們是直接構(gòu)成塑料件形狀及尺寸的各種零件，因此，這些零件稱為成型零件。（在下文，制品指塑料模具制品，部件指注射模的零部件。）除了注射成型外，注射模還必須完成分配熔體、冷卻，開模，傳輸、引導(dǎo)運動等任務(wù)，而完成這些任務(wù)的注射模組件在結(jié)構(gòu)和形狀上往往都是相似的，它們的結(jié)構(gòu)和形狀并不取決于塑料模具，而是取決于塑料制品。圖1顯示了注射模的結(jié)構(gòu)組成。 圖1 注射模的結(jié)構(gòu)成型零件的設(shè)計從塑料制品中分離了出來。近幾年，CAD/CAM技術(shù)已經(jīng)成功的應(yīng)用到成型零件的設(shè)計上。成型零件的形狀的自動化生成也引起了很多研究者的興趣，不過很少有人在其上付諸實踐，雖然它也象結(jié)構(gòu)零件一樣重要。現(xiàn)在，模具工業(yè)在應(yīng)用計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計成型零件和注射成型機時，遇到了兩個主要困難。第一，在一個模具裝置中，通常都包括有一百多個成型零部件，而這些零部件又相互聯(lián)系，相互限制。對于設(shè)計者來說，確定好這些零部件的正確位置是很費時間的。第二，在很多時候，模具設(shè)計者已想象出工件的真實形狀，例如螺絲，轉(zhuǎn)盤和銷釘，但是CAD系統(tǒng)只能用于另一種信息的操作。這就需要設(shè)計者將他們的想法轉(zhuǎn)化成CAD系統(tǒng)能接受的信息(例如線，面或者實體等)。因此，為了解決這兩個問題，很有必要發(fā)展一種用于注射模的自動裝配成型系統(tǒng)。在此篇文章里，主要講述了兩個觀點：即成型零部件和模具在計算機上的防真裝配以及確定零部件在模具中的結(jié)構(gòu)和位置。這篇文章概括了關(guān)于注塑成型的相關(guān)研究，并對注射成型機有一個完整的闡述。通過舉例一個注射模的自動裝配造型，提出一種簡化的幾何學(xué)符號法，用于確定注射模具零部件的結(jié)構(gòu)和位置。2.相關(guān)研究在各種領(lǐng)域的研究中，裝配造型已成為一門學(xué)科，就像運動學(xué)、人工智能學(xué)、模擬幾何學(xué)一樣。Libardi作了一個關(guān)于裝配造型的調(diào)查。據(jù)稱，很多研究人員已經(jīng)開始用圖表分析模型會議拓?fù)洹Ｔ谶@個圖里，各個元件由節(jié)點組成的，再將這些點依次連接成線段。然而這些變化矩陣并沒有緊緊的連在一起，這將嚴(yán)重影響整體的結(jié)構(gòu)，即，當(dāng)其中某一部分移動了，其他部分并不能做出相應(yīng)的移動。Lee and Gossard開發(fā)了一種新的系統(tǒng)，支持包含更多的關(guān)于零部件的基本信息的一種分級的裝配數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就像在各元件間的“裝配特征”。變化矩陣自動從實際的線段間的聯(lián)系得到，但是這個分級的拓?fù)淠Ｐ椭荒苡行У卮怼安糠帧钡年P(guān)系。自動判別裝配組件的結(jié)構(gòu)意味著設(shè)計者可避免直接指定變化的矩陣，而且，當(dāng)它的參考零部件的尺寸和位置被修改的時候，它的位置也將隨之改變。現(xiàn)在有三種技術(shù)可以推斷組件在模具中的位置和結(jié)構(gòu)：反復(fù)數(shù)值技術(shù),象征代數(shù)學(xué)技術(shù)，以及象征幾何學(xué)技術(shù)。Lee and Gossard提出一項從空間關(guān)系計算每個組成元件的位置和方向的反復(fù)數(shù)值技術(shù)。他們的理論由三步組成：產(chǎn)生條件方程式，降低方程式數(shù)量，解答方程式。方程式有：16個滿足未知條件的方程式，18個滿足已知條件的方程式，6個滿足各個矩陣的方程式以及另外的兩個滿足旋轉(zhuǎn)元件的方程式。通常方程式的數(shù)量超過變量的數(shù)量時，應(yīng)該想辦法去除多余的方程式。牛頓迭代法常用來解決這種方程式。不過這種方法存在兩種缺點：第一，它太依賴初始解；第二：反復(fù)的數(shù)值技術(shù)在解決空間內(nèi)不能分清不同的根。因此，在一個完全的空間關(guān)系問題上，有可能解出來的結(jié)果在數(shù)學(xué)理論上有效，但實際上卻是行不通的。Ambler和Popplestone提議分別計算每個零部件的旋轉(zhuǎn)量和轉(zhuǎn)變量以確定它們之間的空間關(guān)系，而解出的每個零部件的6個變量(3個轉(zhuǎn)變量和3旋轉(zhuǎn)量)要和它們的空間關(guān)系一致。這種方法要求大量的編程和計算，才能用可解的形式重寫有關(guān)的方程式。此外，它不能保證每次都能求出結(jié)果，特別是當(dāng)方程式不能被以可解答的形式重寫時。為了能確定出滿足一套幾何學(xué)限制條件的剛體的位置與方向，Kramer開發(fā)了一種特征幾何學(xué)方法。通過產(chǎn)生一連串滿足逐漸增長的限制條件的動作推斷其幾何特征，這樣將減少物體的自由度數(shù)。Kramer使用的基本參考實體稱為一個標(biāo)識，由一個點和兩正交軸構(gòu)成。標(biāo)識間的7個限制條件（coincident, in-line, in-plane, parallelFz,offsetFz, offsetFx and helical)都被定了義。對于一個包括獨立元件、相互約束的標(biāo)識和不變的標(biāo)識的問題來說，可以用動作分析法來解決問題，它將一步一步地最后求出物體的最終的幾何構(gòu)造。在確定物體構(gòu)造的每一個階段，自由度分析將決定什么動作能提供滿足限制物體未加限制部位的自由度。然后計算該動作怎樣能進一步降低物體的自由度數(shù)。在每個階段的最后，給隱喻的裝配計劃加上合適的一步。根據(jù)Shah和Rogers的分析，Kramer的理論代表了注射模具最顯著的發(fā)展，他的特征幾何學(xué)方法能解出全部的限制條件。和反復(fù)的數(shù)值技術(shù)相比，他的這種方法更具吸引力。不過要實行這種方法，需要大量的編程?，F(xiàn)在雖然已有很多研究者開始研究注射成型機，但仍很少有學(xué)者將注意力放在注射模設(shè)計上。Kruth開發(fā)了一個注射模的設(shè)計支援系統(tǒng)。這個系統(tǒng)通過高級的模具對象(零部件和特征)支持注射模的成型設(shè)計。因為系統(tǒng)是在AUTOCAD的基礎(chǔ)上設(shè)計的，因此它只適于線和簡單的實體模型操作。3.注射模裝配概述主要講述了關(guān)于注射模自動裝配造型的兩個方面：注射模在電腦上的防真裝配和確定結(jié)構(gòu)零件在裝配中的位置和方向。在這個部分，我們基于特征和面向?qū)ο笳撌隽俗⑸淠Ｑb配。注射模在電腦上的防真裝配包含著注射模零部件在結(jié)構(gòu)上和空間上的聯(lián)系。這種防真必須支持所有給定零部件的裝配、在相互關(guān)聯(lián)的零部件間進行變動以及整體上的操作。而且防真裝配也必須滿足設(shè)計者的下列要求：1 支持能表達(dá)出模具設(shè)計者實體造型想象的高級對象。2 成型防真應(yīng)該有象現(xiàn)實一樣的操作功能，就如裝入和干擾檢查。為了滿足這些要求，可用一個基于特征和面向?qū)ο蟮姆旨壞Ｐ蛠泶孀⑸淠?。這樣便將模型分成許多部分，反過來由多段模型和獨立部分組成。因此，一個分級的模型最適合于描述各組成部分之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。一級表明一個裝配順序，另外，一個分級的模型還能說明一個部分相對于另一個部分的確定位置。與直觀的固體模型操作相比，面向特征設(shè)計允許設(shè)計者在抽象上進行操作。它可以通過一最小套參數(shù)快速列出模型的特征、尺寸以及其方位。此外，由于特征模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在幾何實體上的聯(lián)系，設(shè)計者更容易更改設(shè)計。如果沒有這些特征，設(shè)計者在構(gòu)造固體模型幾何特征時就必須考慮到所有需要的細(xì)節(jié)。而且面向特征的防真為設(shè)計者提供了