塑料注射模的自动化装置
摘 要
注塑模是一种机械装置，由产品两部分组成。本文档在注射模装配模型方面主要阐述两个观点，也就是描述通过计算机确定动模和定模的定位和导向。基于特征装置和导向对象的出现被提议用在注射模的多级装配上，这代表要求并且允许一个设计者在某部分成型表面以外认为并且明确说明这个部分的什么部分是重要的和原因。因此，它对DFA的设计为设计者提供一个机会。一种简化的象征的几何学方法也同样出现在推断模型的结构有没有依照匹配的要求，基于被提议的意见和被简化的符号几何方法，注射模自动化装置被更进一步讨论。
关键词：装配 模型 特征装置 注射模 导向对象
1 绪论
注塑成型是生产塑料制品最重要的工艺方法，它由注射机和模具两重要部分组成，当今使用的注射机普遍都可以安装各种塑料模具零件的不同形状，由于某些方面的限制使注塑模具设计必须随塑料制品的改变而改变。用不同的浇注方法通常必须要有不同的模具结构。所谓注塑成型就是把熔融的材料制造成塑料制品的最后的形状。这个工作由系统腔完成，它是由型芯、型腔、镶件，以及滑块/顶出杆组成。系统腔的几何形状和大小由这个塑料制品直接决定，因此一个系统腔的全部组成部分被叫作定模。（在下文，产品是指一个塑料制品，一部分指注塑机的组成部分）除形成这种产品的主任务外，注射机也必须履行许多其他任务例如分配融化、冷却熔融物质，产品的脱模，脱模运动，导向，并且还有凹凸模的位置调整。履行这些任务的功能零件通常有相似的结构和几何形状不同的注塑模具。它们的结构和几何形状并不依赖塑料本身，但是它的尺寸可以根据塑料制品改变。因此，可以断定注塑模具实际上是由定模和动模组成的一个机械装置图1显示注塑模具的装配结构
设计一个产品的依赖性一部分是基于提取几何形状的塑料产品，近年来，计算机辅助设计/计算机辅助制造技术已经被成功用于帮助模具设计者在设计产品的依赖部分。自动机械的产生对产品依靠部分的几何形状的发展引起了越来越多的关注和研究。然而，虽然它象依靠产品的部分的设计一样重要，但是很少的研究已经给了注射模型装置的研究上。模具行业也面临着什么时候使用计算机辅助设计系统设计产品独立部分和整个注射模具装置这两个难点。第一，他们是通常一百多个产品独立部分在模具装置，这些部分的关系是相互联系密不可分的。对于设计者来说在装配时定位这些组件是费时间的。其次，在设计模具时更多的时间去用于考虑塑件本身。比如螺丝钉，板和顶针。CAD系统采用了完全不同层次的几何对象，由于高层次的面向对象的思想要转化为低层次的CAD实体，如线，面或立体。因此，有必要制定一个自动装置模拟系统为注塑模解决这两个问题。本文档中，我们解决了以下两个关键问题的自动装置建模：代表产品独立的部分以及模具装配一个电脑和确定方位的一个组成部分
图1 注塑模具的装配结构
本文简要回顾了在装配模型方面的相关研究，并给出了一个综合陈述注塑模的方案。一种简化的几何符号法，提出了确定模具装配方向和位置部分。还有注塑模具自动装配模型的实例。
2 相关研究
装配建模一直在不同的领域进行研究，例如：运动学、人工智能和几何模型。利巴尔迪[3]编译和研究装配建模。他们报告说许多研究者已经用图形结构来模拟装配布局。这些图表的设计主要是由描绘点和变换矩阵曲线组成。然而，变换矩阵不耦合在一起，严重影响了程序改造，即如果一个组件被移动，其它所有组成部分相应的不发生移动。李戈萨德[4]开发了一个系统，支持含有很多基本资料组合的分层装配数据结构，如“配合特征关系”的组成部分。变换矩阵可以在虚拟通道网中自动导出，但这种分级布局模型只是“部分”有效。
自动推理配置让设计师们能够避免直接使用变化矩阵。此外，位置的构成必须可以随时改变大小和位置在参考组件的改装上。装配时有三种办法可以推断位置和方向：数值迭代法、符号代数方法、符号几何法。李戈萨德[5]提出了迭代计算方法计算装置的位置和方向从空间关系上。分三个步骤：约束方程的产生，减少方程的数目和求解方程。有16个方程背离约束条件，有18个方程符合约束条件，对每个矩阵有6个参数方程，对旋转部分有两个附加方程。通常方程的数目超出了变量的数目，这样必须清除多余的方程。用牛顿迭代算法来解决这个问题。但这种方法有两个弊端：首先，该方法很大程度上依赖于初始解；其次，数值迭代法不能区分解空间中的不同根。因此，有可能在一个纯粹的空间关系问题上，数学方法有效，但实际是行不通的，解可以得到。
ambler和popplestone[6]建议的计算方法需要每个部分旋转和平移以满足装配的空间关系。六变数(三平移和三个转动)，每部分都得到解决以符合空间关系。这种方法需要大量的编程和计算，改写了相关方程的解的格式。同时也不能保证能解决一切的空间关系，特别是当方程不能重写解的形式。
雷克莫[7]发明了一个象征性的几何方法来确定目标位置和方向可以满足刚性机构的几何约束。推理几何机构产生象征性的序列以满足每个约束增量，然后再载减对象的可用自由度(DOF)。实体的基本参考克雷默习惯用所谓的“标志”，这是一个点和两个正交轴。七个约束条件(一致性、在线上、在面上、平行Fz、偏移量Fz、偏移量Fx和螺旋性)标记之间的界定。这个问题涉及到一个单一的目标和约束之间的标记在该机构中，标记根据特定属性、动作分析[7]来解决。动作分析逐步的决定几何物体的最后构造。在每一个步骤中解决配置对象，自由度分析决定什么方法可以找出主要部分的不满意约束，找出可用的自由度。在每一步骤的最后，选一个最有效的方法描述装配图。依照沙阿和罗杰斯[8]和克雷默的研究让装配建模有了重大发展。这是象征性的几何方法，可以找到全部解的约束条件，并借用比较有效的迭代方法，但实施这一方法需要大量的编程。
虽然很多研究人员都积极参与了装配建模，但很少有关于基于特征的装配建模的注塑模具设计的文献被报道。Kruth等人[9]开发了支持注塑模具的系统。通过高级别功能可以支持注塑模具的装配设计(部件和功能)。因为他们的设计在AutoCAD上，它只能容纳线框和简单的立体模型。
3 注塑模具装配方法
在注塑模自动装配上有两个关键问题，即需要装配电脑并确定独立装配的位置和方向。在这一节中，我们提出了导向装置和基本特征在注塑模装配上。
可以在电脑中演示装配的结构和空间关系之间的单个动作。这种方法必须建立在支持装配各个特定部位、相对变化的定位的零件和操控这个装配。此外，装配的演示过程必须符合下面设计者的要求：
1. 它应该有可能进行复杂装配演示，体现模具设计师的要求装配对实体。
2. 这个软件还应该具备自动化装配的执行程序，例如行程和干涉检查
为满足这些要求，特征和物体导向分等级的模具被提议在注塑模具上，装配可分成组件，而后又分为组件和个别组件。因此，一个层次模型是最适合代表结构关系的组成部分。它的等级决定它的装配顺序。此外一个等级的模型可以提供一个更明确的表现其他部分的位置。
基于特征设计[10]允许设计师们致力于一些更高水平的抽象概念比直接使用立体建模更有可能。几何特征是要求大小和快速定位通过一套最低限度的参数，而特征建模工程进行细化。另外，很容易进行设计更改，因为该结合之间几何实体保持数据结构特征建模。无特点，设计师关注所有细节几何建模程序所需的立体建模。而更改设计，要严格规定每一个实体转变的影响。此外，基于特征的代表将提供高级装配对象设计者使用。举例来说，虽然模具设计师思考的一个真实对象。例如一个扩孔，一个扩孔的对象特征将随时在电脑中使用。
面向对象建模[11，12]是以新的方式来思考问题利用模具创建空间概念。基本实体是对象，它将数据结构和行为在实体上。面向对象的模型是认识问题和设计程序和数据库。此外，面向对象装配制造很容易让子对象从它的本体得到信息。
图2显示了基本特征和面向对象的层次代表的注塑模具。这种表现是层次结构的多层次的抽象，由低层次的几何实体(形式特征)到高层次的组件。它不仅包含部分关系面向总体和局部的对象，也包含了丰富的结构关系。在3.1节有进一步讨论装配对象的定义，详细装配关系列在3.2中。
3.1 定义装配对象
我们在工作中的一个装配对象，O是定义为一种独特的可识别的实体，具有下列形式：
O=(Oid,A,M,R)(1)
如：Oid 是物体装配唯一符号(O)。A是装置的三个变量，(t,a,v)。每个A都是O的一个特征，每个特征的都连在一起就是一个类型t和一个值v。
M是装置的一个变量，(m,tc1,tc2,…，tcn,tc)。每一个M都有独特的识别方法。符号m的意思是：物体操作方法名称。Tci(i=1,2,…，n)具体的论据类型和tc指明返回值类型。
R是一套之间的关系O和装配其他零件。装配对象六种类型之间的基本关系，即局部，SR，SC，DOF，Lts，和Tit。
在这个例子中，用途，材料和编号是一个数据类型的字符串；checkFinterference and
pocketFplate 元函数；和 Part-of, SR 和 DOF是彼此关联的。
图 2 注塑模具的基本特征和面向对象
3.2 装配关系
这是装配对象六个基本要素彼此关联，Part-of, SR, SC, DOF, Lts, and Fit.
Part-of 最初的装配对象
SR 空间关系：在装配中明确对象物体的位置和方向，这个部分的空间关系来源于空间限制(SC)
SC 空间限制：从一个组成部分确定其他部分。
DOF 自由度：允许平移/转动的运动方向在装配之后，或无限制。
Lts 运动分析：如果有障碍物或干涉，自由度可能有单侧或双侧的限制。
Fit 尺寸限制：为了满足精度要求选择合适的尺寸
表1 定义一个装配对象——顶杆
各要素的装配对象，配合关系是最重要的装配设计。不但关系到装配对象的位置，也关系到装配对象之间的相关性。在以下的几个小结，我们会说明他们的关系，在同一级的装配补救的例子。
3.2.1 关系的形式特征
模具设计本质上就是一个联想的过程：模具设计师大部分时间去思考各个零件的结构，如钢板，螺钉，开槽，倒角，与反孔。因此，所有产品独立部分从形式特征有必要建立几何模型。模具设计者可以很容易改变形状和大小的一部分，因为关系的形式特征保留部分特征。如图3(a)推板的埋头孔，这部分由两个特征决定，即板和孔。埋头孔(FF2)是为(FF1)定位，利用(2)-(5)方程表述了他们之间的空间关系。从形状特征上看他们没有空间限制，直接由设计者决定。详细的装配关系如下：
图3 装配关系
(4)
(5)
DOF：
ObjFhasF1FRDOF( 
,
)
埋头孔相对轴可以转动 
LTs( 
,
):
(6)
Fit( 
,
):
(7)
其中
F和r的方向和位置向量的特点。
，
。
是尺寸形式特征，下标i代表特征数j代表尺寸
是个零件之间的形状特征
方程(2)-(7)表达了 
和
之间的形状特征。这些关系可以确定形状特征的一部分方向和位置
选择成型是基于注塑成型的方式。由于形状特征提供了CAD/CAM系统[13]能满足所需形状的零件注射成型即空间关系的形式特征也保持不变，在我们选择注射机型号时我们必须检查它们之间形式特征的关系是否有效，然后更新CAD系统模型。
3.2.2 零件关系
装配的位置和方向是相互影响的。如图3(b)推板 
和螺钉
，螺钉的安放被限于底钢板，螺钉和钢板的定义如下：
我们已经提出了在注塑模具上配置电脑。眼下它是值得研究的。装配是表示各组件的关系，又可以分为组件或部件的一个组成部分，和进一步考虑它们的特征。这种关系决定着组装顺序和连接方式。特征的表现方式不仅允许设计师从事高级别抽象设计个别零件，而且扩展了装配建模的特征范例，因为这些表现允许一个组件改变它的参数从而改变其他元件。这些导向对象可以能把两者的数据结构和操作对象结合到装配对象上，实现自动化，比如凹槽和干涉冲突零件。
