塑料注塑模具的自动化模型装配

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塑料注塑模具的自动化模型装配

机械与生产工程部门，新加坡国立大学，新加坡

注射模具是由标准零部件和非标准零部件组成的机械集合体。这篇文章论述了关于

注射模具模型装配的两个关键论题,即描绘注射模具在计算机上的装配，以及决定它的位

置和非标准零部件定位的装配。提议用基本特征和物体导向表示法来表示注射模具的分

等级装配。这种表示法要求和允许设计者能够思索简单零件的外型和有关明确规定的零

件部分的重要性以及原因以外的东西。因此，它提供了一个让设计者去设计装配(DFA)的

机会。根据特有的条件，一种简化几何符号的方法也在推断装配的装配结构中出现。基

于所提议的表示法和简化符号几何的方法，自动装配模型得到进一步的解决。

关键字: 模型装配; 基本特征;注射模具；导向物体等。

1. 说明

注射模具是制造塑料模具产品的最重要的方法。所需的仪器由注塑机和注射模具两

大主要部分组成。现今所用的注塑机是所谓的通用机器,在特定的尺寸极限内能够适合安

装于各种不同几何参数塑料零件的模具，但是注射模具设计必须以塑料的产品而改变。

对于不同的模具几何参数, 不同的模具结构通常是必不可少的。注塑模具的主要工作是

将熔融塑料塑化为具有固定外型的塑料产品。这一工作由腔系统实现,腔系统由型芯、型

腔、嵌件和滑块/顶出机构组成。腔系统的几何形状和尺寸由塑料模具产品所决定，因此

所有组成型腔系统的成份称为标准零部件部份。(在下文中，有关注射模具组成部件产品

指塑料模具产品)。除成型产品的主要工作之外，注射模具也要有若干的工作需要完成，

如熔化分布状态,熔料冷却，模具材料产品顶出,运动的传递、导向,以及合模的准确定位

等。完成这些任务的功能部件在不同的注射模具中的结构和几何参数通常是相似的。他

们的结构和几何形状与塑料模具产品无关,但是他们的型号能依照塑料产品而改变。因此,

可以得出一个结论，注射模具实际上是一个由标准零部件和非标准零部件所组成的机械

集合体。图 1 显示了注射模具的装配结构。

标准零部件的设计根据塑料产品的几何参数确定。近几年来,CAD/CAM 技术已经成功

地用来帮助模具设计者设计标准零部件。自动产生与塑料产品分离的标准零部件几何外

型也同时引起了许多研究的关注。然而,注射模具的模型装配工作并不能完成，尽管它和

标准零部件部分的设计一样重要。在使用 CAD 系统软件设计非标准零部件部份和整个注

射模具的装配时，模具行业目前正面临下面两种困难。首先,通常在一套模具中大约有一

百多个非标准零部件，而且这些零件由于各种约束使彼此相关。作为一个设计者而言，

在装配中确定方向和位置的组成是相当耗时的；其次,当模具设计者将大部份时间花费在

思考这类实体上，如螺钉，垫板和大头针等时,CAD 系统在几何实体上的运用会产生完全

不同的水平。结果,高级的导向机构观念将不得不转变为低级的 CAD 实体,像直线,表面,

或固体。因此,需要发展注射模具的自动装配模型系统来解决这两个问题。在这里，我们

论述关于自动装配模型的以下两个关键论题：描绘了注射模具在计算机上的装配以及决

定它的位置和非标准零部件定位的装配。

本文对模型装配相关研究上给出了简要的回顾,并对注射模具装配做出了综合性的介

绍。提议以一种简化的几何符号方法确定模具装配中零件的位置和方向。注射模具的自

动化模型装配举例见插图。

2. 相关研究

模型装配已经是不同领域研究的主题,如运动学，人工智能和几何模型等。Libardi

等人编译了一本有关模型装配的调查回顾。这里论述了许多研究员已经用曲线图结构来

作模型装配布局。在此曲线图方案中,成份通过节和点表示，而矩阵也引用到弧中来。然

而,变形矩阵如果不相互联系的话,会严重地影响变形程序，也就是说，一旦装配移动，

那么它所有的构成部份都不能相对地移动。Lee 和Gossard 发展了支持分等级装配数据构

成的系统，包含较多的有关装配的基本数据，如在成分中的“配合尺寸”。变形矩阵源

自虚拟链接的联合,但是这种分等级的布局模型只表现为“部份”关系有效。

自动地推论出装配中成份的结构意味着设计者能避免直接的叙述变形矩阵。而且,每

当它的大小和位置的叁考成份被修正，其位置将会改变。这里存在三种技术推论装配位

置和方向: 复合式数字技术、象征代数技术和象征几何学技术。Lee 和Gossard 计划用复

合式数字技术计算每个成份的位置和方向在所处空间的关系。他们的方法由三个步骤组

成:建立平衡约束方程式、化简相等的方程式和解决方程式。有 16个方程式作为“相

对”条件，18个方程式作为“适宜”条件,6个特征方程对应每个相应的距阵,附加的 2个

方程为可作替换使用的部分。通常方程数量超过变量数量,所以设计方法须除去多余的方

程等式。牛顿的重复运算法则常用于解决这些方程。此技术有两个缺点:首先，解决方案

深深地依赖于初始方程解；第二，复合式数字技术不能够区别解集中的不同根。因此,它

只在纯粹的空间关系问题中可能在计算上是有效的,但实际上不能实行,虽然解决方法可

以获得。

Ambler 和Popplestone 建议的方法，就是用计算机处理每个成份所需的旋转和平移，

以满足装配中各成份之间的空间关系。六个变量(三个平移和三个旋转)中的每个成份都

需要解决，空间关系要一致。在一个可以解的方程式中，这种方法需要巨大的数量规划

和计算来重写相关方程。同时,它不保证每一次都会解决,尤其当方程不可能以可以解的

形式重写的时候。

Kramer 发展了象征几何方法决定刚体的位置和方向，从而满足一系列几何限制。有

关几何体的论证已经通过有序增加的象征性的动作满足了运行，这样的结果可以减少物

体的可用自由度(DOF)。Kramer 所用的基本叁考实体叫做“坐标系”,即一个点和两个相

交轴。在每两个坐标系之间定义了七种约束(重合度,同轴度,平面度，Fz 平行度, Fz 偏

移量，Fx 偏移量和螺旋度)。对于一个包括单一物体和限制在该物体上的坐标而言,特定

属性坐标的动作分析问题已经获得解决。动作分析逐步决定几何物体的最后结构。在解

决物体结构方面的每个步骤中,自由度将分析物体会满足什么动作和到目前为止不能满足

的约束,给出可用的自由度。然后计算怎样的过程能更进一步减少物体的自由度。在每个

步骤之后,适用的动作会增加到装配计划中。根据 Shah 和Rogers,Kramer 的成果标志着模

具的重要进展。这种象征几何方法能查找所有的解决拘束条件情况的地方,而且比复合式

技术计算吸引人,但是实现这一方法,需要很多的规划。

虽然有许多研究员积极参与模型的装配,却很少在注射模具设计的模型装配的基本特

征上以著作进行报道。Kruth 等人为注射模具发展了设计支持体系。他们的体系支持通过

高级功能模具物体(成份和特征)注射模具装配设计。因为他们的体系基于 AutoCAD,它只

能适应线框式和简单的实体模型。

3. 注射模具装配的表示法

注射模具自动化模型装配的两个关键论题是,在计算机上表示模具装配和决定非标准

零部件部分的位置和方向。在本章节中,我们提出物体定向和以特征为基础的注射模具装

配的表示法。

在计算机上的装配表示法包括在某个零部件之间结构和空间的关系。这种表示法必

须支持所有给定部件的装配结构,改变部件的相对布局,并且把装配做整体处理。此外，

装配的表示法必须满足设计者的下列需求:

1. 当模具设计者在简单标准件水平上想问题时应该能使高级实体投入使用。

2. 装配的表示法应该有自动化压缩操作程序过程功能如材料和干涉检查。

为了符合这些需求,提议以基础特征和导向实体的分等级模型表示注射模具。一次装

配可以分为多个部件,依次由部件及[或]个体的成份组成。因此,分等级模型最适合表示

各成份之间的结构关系。等级意味着装配次序。除此之外,等级模型还能提供在另外一个

部份的位置所表示的从属关系。

基础特征的设计允许设计者可以在比立体模型直接使用略微高的水平上工作。几何

学的特征是引例,按规定尺寸制作, 而且当模型特征细节计算出来时，使用者通过描述一

最小组的叁数能很快地定位。同时,由于模型特征的数据结构几何实体之间维持相互的联

系，使设计变化很容易。在没有特征的情况下,设计者必须与几何学所必需的结构程序的

模型实体所有细节相联系。因为设计会受每个实体影响，所以变化必须严格指定。同时,

基本特征的表示法将提供高水平装配实体为设计者使用。举一个例子,当模具设计者在现

实实体的水平上思考时,比如一个孔洞,一个带有特征物体的孔洞将会在计算机上准备使

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附录A塑料注塑模具的自动化模型装配机械与生产工程部门，新加坡国立大学，新加坡注射模具是由标准零部件和非标准零部件组成的机械集合体。这篇文章论述了关于注射模具模型装配的两个关键论题,即描绘注射模具在计算机上的装配，以及决定它的位置和非标准零部件定位的装配。提议用基本特征和物体导向表示法来表示注射模具的分等级装配。这种表示法要求和允许设计者能够思索简单零件的外型和有关明确规定的零件部分的重要性以及原因以外的东西。因此，它提供了一个让设计者去设计装配(DFA)的机会。根据特有的条件，一种简化几何符号的方法也在推断装配的装配结构中出现。基于所提议的表示法和简化符号几何的方法，自动装配模型得到进一步的解...

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