面向注塑行業的網絡化模具快速設計系統開發

彭觀明，邊炳傳

PENG Guan-ming, BIAN Bing-chuan

（泰山學院 建筑與機械工程系，泰安 271021）

0 引言

由于塑料工業的發展，塑料在各個領域得到了廣泛的應用，加快了塑料模具產業的發展步伐。我國塑料模具近年來發展相當快，2003年已增到176億元左右[1]。當前國內塑料模具市場以注塑模具需求量最大。隨著多品種、小批量注塑產品時代的逐步來臨和企業對模具能保證新產品快速上市的要求，注塑模具快速設計與制造技術也得到了廣泛的重視。我國約擁有2萬家模具生產企業，大多數企業特別是注塑模具生產企業屬于小型企業，他們靈活、專業的生產方式對促進我國的塑料工業乃至國民經濟發展有較大的貢獻，但其開發能力受到了技術水平、技術裝備的限制，快速開發設計模具的能力較弱，存在模具設計的周期長、質量低等缺陷。

本文針對注塑模具開發過程特點，結合目前塑料模具行業企業的特點和需求，構建了基于網絡的注塑模具快速設計系統，并研究了系統實現的相關技術。

1 模具快速設計系統的基本結構及軟硬件資源

模具快速設計系統應視為集工業設計、計算機三維CAD技術、反求工程、結構分析與優化設計、工藝仿真、快速原型制造、快速模具制造和快速產品制造等的一個集成制造系統。從當前基于快速成形技術的產品設計角度來看，一般有兩種產品快速設計方法，即從概念到產品或從樣品到產品，其步驟為：概念或樣品、三維CAD造型或反求、快速原型、結構分析與優化、工藝分析、快速模具和快速產品。因此，無論初始已知條件是一個概念、一個樣品還是一張圖紙，都可借助于計算機三維設計、快速成形技術和快速模具制造技術進行產品的快速設計與制造。對于產品設計，除了幾何形狀設計以外，還應當進行結構的優化設計，通過對構件在實際工作環境下的工作過程仿真和在仿真基礎上的優化設計，達到產品的最佳設計目的。

根據上述模具快速設計系統應具備的功能，該系統應配備的軟硬件資源如下：

1）造型軟件

產品的現代設計已基本甩脫傳統的圖紙描述方式而直接在三維造型軟件平臺上進行。目前，幾乎盡善盡美的商品化CAD/CAM一體化軟件為產品造型提供了強大的空間，使設計者的概念設計能夠隨心所欲。目前，應用較多的具有三維造型功能的CAD/CAM軟件主要有：UGII、Pro/E、Catia、Cimatro、Delcam、Solidedge、MDT等。

2）結構分析與工藝仿真軟件

產品的結構設計既要滿足產品的外觀及加工制造等要求，更要滿足產品的使用要求。產品設計經外觀及加工可行性評估后，能否滿足在給定工況下的使用要求，需要進行結構分析。結構分析的主要內容有結構件的強度、剛度、穩定性及疲勞壽命等。結構分析的目的主要是進行安全性評估，進而實現結構的優化。目前，應用較多的結構分析軟件有ANSYS、NASTRAN、MARC、ADINA、SAP系列等。

批量產品的生產一般都依賴工模具。在給定的工藝條件下，使用給定結構的模具，能否生產出滿足設計要求的產品，傳統的試錯方法在生產過程中需反復地修改模具結構和工藝方案。這樣，不可避免地會提高產品的生產成本和延長產品的生產周期。基于工藝仿真的CAE技術的發展，大大降低了從CAD到CAM的風險，使設計、仿真與制造并行，以確保產品開發的一次性成功。

3）反求系統與數據擬合軟件

新產品開發過程中的另一條重要路線就是樣件的反求。反求工程主要用于已有零件的復制、損壞或磨損零件的還原、模型精度的提高及數字化模型檢測等。反求工程中較大的工作量是離散數據的處理。一般來說，反求系統中應攜帶具有一定功能的數據擬合軟件，或借用常規的CAD/CAM軟件UGII、Pro/E等，也有獨立的曲面擬合與修補軟件如SURFACER等。

4）快速原型制造設備

快速原型制造設備相當于一臺三維打印機，能夠快速、便捷地將產品的三維設計“打印”成特定材料的物理模型，用于產品設計檢驗與評估及裝配與功能校核等。依據使用的原材料及構建技術的不同，快速原型制造設備主要有光固化成型設備、疊層實體制造設備、熔融沉積制造設備及選擇性激光燒結設備等。

5）快速模具制造設備

由于快速原型制造技術受成型材料的限制，要想獲得所需材料的單件或小批量產品，還需要通過模具進行翻制，由此，基于快速原型的經濟型快速模具技術得到迅速發展。根據不同的制造工藝，快速模具制造過程中常用的設備主要有真空注型設備、低壓灌注設備、電加工成型設備、金屬噴涂設備等。

6）計算機工作站

產品三維造型的CAD/CAM軟件平臺需要性能優越的計算機圖形工作站支持，產品結構分析及成形工藝仿真同樣需要高速的計算機工作站。目前，計算機工作站的發展速度也同微機一樣日新月異。許多品牌產品得到SUN工作站、HP工作站及國內的海信工作站等。上述品牌工作站完全可以滿足三維造型軟件及結構分析與工程仿真軟件對圖形處理及運算速度的要求。

2 注塑模具設計過程

典型注塑模具的設計過程如圖1所示。現代模具設計從塑件信息開始，確定可以注塑生產后，進行塑件的三維造型，然后進行注塑成型工藝性分析，其間要輔以模塑模擬以優化、確定合理的塑件結構、注塑工藝參數等，基于以上結果，進行模具方案分析，進行詳細的模具結構設計、模具零部件設計選取，最終的輸出為模具裝配信息、模具零件制造信息（根據不同需要輸出兩維圖紙和三維數模）和標準零部件清單。

圖1 注塑模具設計過程

注塑模具生產是典型的單件生產，對于不同模塑產品的模具設計，盡管有很多計算機輔助軟件可以利用，但需要大量的人機交互工作，特別是模具設計過程中涉及計算內容很多，大多CAD軟件的計算功能不夠強。因此，需要設計人員的技術水平較高，而且有大量的輸入、查詢、計算工作要做。

3 系統功能模塊

面向注塑行業的網絡化模具快速設計系統有六大模塊，每一模塊中又包含不同的功能，如圖2所示。

圖2 注塑模具快速設計系統功能模塊

用戶通過客戶端瀏覽器輸入用戶名和登錄密碼，系統自動檢索用戶信息數據庫，根據角色不同分配在特定時間段內不同的權限。

支持軟件采用現成商業軟件進行CAD建模和CAE分析，軟件掛在服務器上，權限用戶可以下載安裝。有的軟件只能在服務器上運行，用戶可以提請任務給管理員，借助協同工具，在服務器上運行軟件。

輔助設計模塊集成了自主開發的設計支持功能，包括標準件庫、零件計算、實例查詢、數據輸出。標準件庫使設計工作量大大減少；零件計算功能包括了常用注射模設計過程中所需的計算數據、計算公式，根據提示輸入或選取，系統自動完成計算，本系統提供包括按平均收縮率計算注射模成型尺寸、按公差帶計算注射模成型尺寸、按模塑收縮率計算塑件脫模力、斜導柱分型抽芯機構設計、注射模脫模機構設計等20個計算程序（圖3）；設計過程中可以利用實例查詢，調出實例庫預先輸入或完成過的設計實例作為當前任務的參考。

圖3 零件輔助設計界面

圖4 基于協同瀏覽器的協同設計

基于開發的協同工具，可以實現設計過程中處于不同地方的不同人員，可以在同一時間內、共同參與某一活動，完成協同工作。圖4所示應用圖像瀏覽器實現對同一對象的實時瀏覽、批注、修改。

4 系統實現

4.1 系統軟件環境

操作系統：MicroSoft Windows 2000 server或者MicroSoft Windows 2003 server，

數據庫：SQL SERVER 2000 和 MicroSoft Access 2000，

WEB服務器：IIS5.0和.NET Framework，

WEB開發工具：Macromedia Dreamweaver MX和Microsoft Visual Studio .NET。

4.2 系統總體結構

整個系統的建設采用Browser/Server（B/S）結構，選用先進的三層架構來搭建網站，即采用邏輯上的WEB服務層、應用程序層、數據庫服務層相分離的架構。B/S結構極大地簡化了客戶機的工作[2]，客戶機上只是普通瀏覽器和少量開發的或下載安裝的程序，服務器將擔負更多的工作，對數據庫的訪問和應用程序的執行將在服務器上完成。

4.3 WEB與數據庫互連

WEB服務器上接收的信息是以頁面的形式保存的，它一般是HTML語言所組成的一種靜態文件，不適合在WEB上進行數據的實時動態更新[3,4]。

采用了ADO（ActiveX Data Object）與ASP（Active Server Pages）結合，數據庫采用Access的建設方法。ADO技術可以與ASP結合以建立提供數據信息的網頁內容，只需在網頁面中執行Structured Query Language（SQL）指令，讓用戶在瀏覽器界面中輸入、更新和刪除WEB服務器上的數據資料。當用戶端的瀏覽器填好表單所要求輸入的資料，確定后，經過internet/intranet傳送HTTP請求到WEB服務器，該請求在WEB服務器執行一個表單所指定的ASP程序（后綴名為.ASP的文檔）。一個.ASP文檔是一個純文字文檔，包括：HTML標記（tags）、VBScript或JScript語言的程序代碼、ASP語法、和結構化查詢語言SQL指令。IIS3.0 / 4.0 WEB服務器執行.ASP文檔，通過ODBC(開放數據庫互連)驅動程式，連接到支持ODBC的數據庫上，執行ASP文檔所指定的SQL指令，最后將執行的結果以HTML的格式傳送給用戶瀏覽器。由此，完成了數據庫信息再WEB上的動態發布。ADO具有容易使用、開發執行快速、消耗系統資源較少，和占用磁盤空間小等優點。ASP 程序是以擴展名為 .asp 的純文本形式存在于 WEB 服務器上的，你可以用任何文本編輯器打開它， ASP 程序中可以包含純文本、HTML 標記以及腳本命令。

5 結論

面向注塑模具生產企業服務而開發的網絡化注塑模快速設計系統，數據管理、功能配置滿足模具設計實際流程需要。系統基于WEB技術開發，輔以開發的輔助設計工具、協同工具，可使分布在不同地域的人員、企業通過互聯網實現模具設計資源、信息的共享，提高注塑模的設計效率，縮短開發周期。特別是對于中、小模具企業的塑模設計提供快速、優質的服務。

[1]周永泰.我國塑料模具近幾年的發展概況[J].現代塑料，2005,(1):56.

[2]高軍,趙國群.基于B/S模式和V/V技術的模具設計制造[J].鍛壓技術,2002,(4):60-62.

[3]劉躍軍,瞿金平,任鴻烈.基于Internet的產品設計與制造及其關鍵技術[J].機械設計與研究,2001,17(1):63-65.

[4]李健.基于web服務器與數據庫的互連技術[J].湖南理工學院學報(自然科學版),2003,16(4):81-84.