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基于Pro/E的注射模模架智能设计系统的开发
2017-06-22 20:53:42  作者:张璐 俞翔 牛强 柳伟 周雄辉   来源:互联网
  •   1 引言   模架是注射模的主要组成部分,是注射模的骨架和基体,模具的每个部分都要寄生在其中,通过它将模具的各个部分有机地联系在一起。模架一般由定模座板、定模板、动模板、导柱、导套、支承板、垫块 ...

  1 引言

  模架是注射模的主要组成部分,是注射模的骨架和基体,模具的每个部分都要寄生在其中,通过它将模具的各个部分有机地联系在一起。模架一般由定模座板、定模板、动模板、导柱、导套、支承板、垫块、推杆固定板、推板、动模座板等组成(见图1)。另外根据需要,还有特殊结构的模架等。

  

注射模模架组成

  图1 注射模模架组成

  1.螺钉2.螺钉3.垫块4.支承板5.动模板6.推件板7.定模板8.螺钉9.定模座板

  10.导套11.导套12.导柱13.推杆14.推杆固定板15.推板16.动模座板

  模具行业竞争激烈,要想在行业内存活势必要缩短模具设计时间,降低模具制造成本、提高模具质量。计算机辅助设计(computer-aided design,CAD)技术己成为当今产品设计中不可缺少的重要手段。对于绝大多数年轻的设计师来说,注射模设计涉及大量工艺知识,要想独立设计出一副合格的注射模,往往需要多年的设计经验积累。在传统的设计中,每一副注射模设计都要对模架进行一次实体造型。同时,设计人员需要进行大量查找工程数据和数值计算,并绘制和设计模架零件图及装配图,而这些重复劳动要占据注射模设计工作量的40%。对企业的人力、时间、成本都造成了很大的浪费。因此,基于知识库的智能注射模设计系统的研究成了一个非常活跃的领域。

  LEE和CHEN早期提出了一种能够提高模具质量、降低成本、缩短设计周期的计算机辅助模具设计框架。它通过知识库辅助注射模设计,能使模具开发流程更合理,更适应生产加工需要。YE和FUH提出了一种基于特征和面向对象的表示方法来代表注射模的分层组件,以此实现注射模模架的自动装配。CHIN和JOHN设计了一个基于知识库的注射模设计系统Ikmould,它集成了计算模块、图形模块以及知识库。KONG在Windows平台上基于SolidWorks开发了一套3D注射模设计系统,缩短了设计流程,实现了标准化。CHANI51开发了一套被称作IKB-MOULD的注射模设计系统,该系统实现了很多实用的功能,包括模架设计、2D图显示、零件表生成、生成加工代码等等。LOU和JIANG基于Pro/E设计了一个模具设计系统,但是功能还比较单一。LIN通过对注射模模架的分类,设计了一套模架参数化设计系统,大大缩短了重复设计的时间。YAN CA018]设计了一种结合MFC技术、Pro/E二次开发、Access的模具标准件数据库,能够进行分类调用和参数化。张杰、杨丰分析了如何提取注射模标准模架的特征共性及标准模架库的层次结构,并建立了三维注射模标准模架库。设计示例表明该标准模架库具有很好的实用性。

  在参考欧阳乐在普通标准件的Pro/E二次开发基础上,开发了智能注射模设计软件的关键技术,实现了模架质量计算、模架装配树浏览、模架参数化、模架智能装配等功能。通过在企业的实际测试,开发的智能注射模设计软件可提高注射模设计效率30%~40%。

  2 系统架构

  为了便于系统在不同CAD平台上实现,将模架标准件数据库、型号选择、规格参数选择与约束处理以及历史记录、收藏夹、零件表或订单操作等与CAD平台无关的通用功能独立出来,采用COM组件形成独立的系统,使之可以单独运行,也便于在各CAD平台上的链接。而仅将与各CAD平台(API)相关的功能在各CAD平台中实现,以尽量减少将标准件库嵌入各CAD平台的开发工作量。系统的基本架构如图2所示,整个模架标准件库系统以Pro/ToolKit应用程序的形式,通过动态链接库集成嵌入Pro/E平台。其中,界面系统部分基于Visual Studio 2008平台,利用VC++的MFC开发,采用COM组件,以静态链接的方式与Pro/E插件相结合,并提供了多个函数接口,用以传递用户选择的型号、规格参数、追加加工等信息,实现与用户的交流。而Pro/E插件系统则以参数的形式传递给界面系统Pro/E建模的信息,从而实现两者之间的通信。

  

系统的基本架构

  图2 系统的基本架构

  

参数化后模架

  3.2 模架配套零件自动装配技术

  当模架成功导入后,需要进行剩余零件导入及装配。自动装配,即程序自动进行3个约束的查找和匹配,通过匹配待装配体和零件自身的参照位置,自动地完成装配所需要的约束。

  所谓完全约束就是指零件装配完毕之后没有自由度,既不能移动也不可转动,因此,基本上完全约束都可以简化或者转化为组件3个互相垂直的平面与元件3个相应平面的对齐配合约束,以下称3个互相垂直的基准平面为一组平面。

  当模架已经完成导入并参数化时,如果需要将其他模架子零件导入并自动装配,就需要完成上述的3个面的互相对应装配,也就是需要在程序里自动建立以上3个约束信息。

  智能装配核心思想是为了程序化的给装配定义3个constraint。而一个完整的constraint需要定义如下信息:

  (1)需要设置它的类型,如对齐、匹配、插入等。

  (2)需要设置它的偏置,即约束以参照平面为起点的偏离参数。

  (3)需要设置它的装配参照:代表装配方向,在Pro/E里面的关键字可以为PRO_DATUM_SIDE_YELLOW(正向)、PRO_DATUM_SIDE_RED(反向)、PRO_DATUM_SIDE_NONE(不区分)。

  当完成以上定义后,只需要把这3个constraint打包传入一个数组即能实现自动装配。

  图6是一个精定位组件与模架的装配情况,为了方便地显示装配的情况,将定模做了隐藏。

  

精定位组件与模架的装配情况

  图6 精定位组件与模架的装配情况

  3.3 模架质量计算

  在实际的模具设计中,模架质量往往是一个未知量,不同的参数以及不同的子零件装配,甚至个别地方装配孔的选择都会改变模架的质量。计算模架的质量可以通过计算模架的实际体积,然后乘以密度获得。如何通过Pro/E中相关信息的获取计算出模架的实际体积成为了一个需要解决的问题。在Pro/E中如果通过二次开发的方法获取不规则实体的体积,需要通过遍历实体曲面,然后调用公式计算,公式如下:

  Volume= pro_compute_volume

  (Face0,Face1….,Facen-1,Facen)

  Mass=Volume*Density

  模架体积计算,主要涉及到曲面的遍历和零件的遍历,其中曲面的遍历及零件的遍历的相关代码可以参考\protoolkit\protk_appls\pt_examples\目录下的UtilCollect.c等源文件。当所有曲面收集完成以后,只需调pro_compute_volume即可完成体积计算。以图5所示模架为例进行体积和质量计算。经计算模架体积Volume=18.42546dm3,而铁的密度为7.850kg/dm3,质量Mass=7.850×18.42546=147.91kg,通过比较实际的注射模模架参数,发现此结果比较准确。

  3.4 模架装配树浏览及零件表功能

  虽然在Pro/E软件中也有装配树的功能(见图7所示左侧画圈处),但对于各节点的信息的浏览是不直观的,仍然需要额外的操作。从基于模具企业设计人员实际需求的角度出发,设计了模架装配树浏览功能,能方便地看到各零件的从属关系,并能方便地看到每一个子零件的基本信息,如型号、参数、材质等等。

  

Pro/E自带装配树功能

  图7 Pro/E自带装配树功能

  根据图8所示模架装配树浏览及零件表流程,模架装配树浏览功能主要思路是按照深度优先的遍历顺序对零件装配树进行遍历,在遍历的过程中顺便记录零件的基本信息,这些信息包括装配树所需要的父节点(唯一,如果是顶层装配体则为空)、子节点(可能没有,也可能有若干个)以及零件表所需零件本身的型号、类型、交货期等信息。生成的零件表能够方便直接转换成Excel格式(见图9、图10),方便打印的需求。同时,生成的装配树当用户点击某节点时,能高亮对应零件,并能修改相关基本信息。

  

模架装配树浏览及零件表流程

  图8 模架装配树浏览及零件表流程

  

零件一览表界面

  图9 零件一览表界面

  

生成的Excel文档界面

  图10 生成的Excel文档界面

  具体过程是:从顶层父结点出发(即Pro/E的顶层装配文件asm),然后遍历每一个分支。在遍历的过程中需要记录装配树结点的一些信息,如以下程序所定义的结构体Nodelnfo,里面存贮了每一个装配子零件的信息,这些信息在界面显示的时候会被使用。

  

代码

  对于装配树浏览功能里面树状结构的生成,主要通过结构体Nodelnfo里面的记录信息fatherID和vectorSonID(代表某结点的子结点数组)来实现的。即在遍历每一个子零件结点的时候,记录子结点的父结点信息(采取的方法是记录父节点在整个结点数组的位置),然后在子结点的父节点SonID数组里面添加一项子结点的信息。当所有遍历结束,每一个结点Nodelnfo的结构体里面都有一个自己的子数组SonID(如果是子结点,则该数组为空),只需要从顶层结点(没有父结点)开始访问,即可生成图11所示的MFC界面中的树状浏览控件。当点击每一个结点的时候,可以显示每一个结点的信息以及在Pro/E里面进行高亮显示。

  

MFC界面

  图11 MFC界面

  4 相关开发细节及说明

  4.1 Pro/E开发版本选择

  基于软件开发中自底向上和逐步兼容的思想,一般成熟的二次开发都是在Pro/E2.0下完成然后往上兼容的,经测试,在Pro/E2.0+VC6.0环境下开发的插件能够兼容几乎所有的高版本,即Pro/E2.0~5.0、Cre01.0~2.0。但随着计算机技术的发展,64位的计算机用户使用者越来越普及,前面提到的Pro/E2.0+VC6.0的传统方案已经不能完全满足需求(适合32位计算机用户使用)。为了兼容64位的计算机环境,必须通过Pro/E5.O+vs2008进行64位环境的配置。通过同时采用以上2种开发环境,设计出的插件能够兼容绝大多数软硬件环境。开发环境详细信息如表1所示。

  表1 开发环境详细信息

  

开发环境详细信息

  4.2 Pro/E开发环境配置

  一般刚接触Pro/E二次开发都会遇到开发环境配置的问题,很难能够一次开发成功。Pro/E二次开发配置信息如表2所示。

  表2 Pro/E二次开发配置信息

  

Pro/E二次开发配置信息

  4.3 界面设计选择

  虽然Pro/E提供了自己的界面设计功能,但是设计繁琐、控件单一,所以另外选择了MFC(microsoft foundation classes)技术来设计通用功能界面。它设计简单,可供选择的控件类型多,对外部数据库的连接较方便。

  5 新旧设计流程效率对比

  注射模智能设计系统将注射模设计的前中后环节连为一体,设计师能节约设计时间20%~30%,资深设计师能节约设计时间10%~20%。核查模架型号时间设计师能节约时间50%~60%,资深设计师能节约时间30%~40%,原因如下:

  (1)三维零件建模。以往企业里设计模具往往是通过人工进行三维建模,这些模型由于没有进行特征参数化以及特征抑制,一旦零件尺寸发生微小的改变都不得不废弃原来的模型。注射模设计的零件众多,特征也众多,给设计师带来了繁重的劳动负担。

  改进后:用户不再需要自己手工建模,所有模架型号以及各类标准件都已经参数化建模存放在数据库里。用户只需要根据自己的需求在数据库里选择型号、参数,点击确定,软件就会将对应的参数赋值给相应零件模板,使其参数化,并最终生成用户所要的零件。

  (2)模架标准件及后续孔加工设计装配。在模架设计完成以后,模具还远没有设计完成,还需要在模架的基础上进行后续标准件的建立及装配和一些工艺孔的加工。传统的设计需要用户自己通过CAD软件里面的移动以及约束命令进行装配,不能保证设计的准确性,特别是对于工艺经验欠缺的新设计师,局限性更加突出。

  改进后:将模架标准件和后续工艺孔加工安装知识库里面的预先设置自动装配,省去了繁琐的手工装配。

  (3)模型管理及维护。注射模设计完成以后,由于零件众多,很难对其管理,传统企业一般需要将零件明细表手工填制到专门制成的表格里,耗时耗力,重复劳动。

  改进后:系统通过Pro/E里的零件遍历接口对总装配体进行搜索,并记录其拓扑关系,最后生成装配结构及订单表,订单表为Excel格式,可直接打印,效率大大提高。

  注射模设计效果图如图12所示。

  

注射模设计效果图

  图12 注射模设计效果图

  6 结束语

  通过对当前注射模设计流程的分析,根据注射模的设计特点和实际情况,在通用CAD平台上,开发了智能注射模模架设计系统,主要工作归纳如下:

  (1)完成了智能模架库系统的总体设计。实现了参数化模架参数的智能导入,大幅缩短模具设计时间,提高工作效率。

  (2)实现了Pro/E软件与MFC、数据库软件之间的链接,克服了Pro/E在二次开发上存在的技术难题,同时解决了Pro/E操作系统的兼容问题,为软件的通用性打下基础。

  (3)介绍了注射模模架库的系统构成,论述了开发过程中模架质量计算、模架装配树浏览、模架参数化、模架智能装配等技术的几个关键问题。

  要想设计出一副性能良好的注射模,需要许多其他学科的知识辅助,注射模模架智能设计系统还没有将CAE分析和优化考虑进来。如浇注系统和冷却系统的尺寸位置、材料都还需要进行优化探讨。

  开发的注射模智能设计系统可扩充性好,外部程序是基于C++编程语言的,方便未来扩充CAE分析、优化等功能。



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