面向注塑行业的网络化模具快速设计系统开发

彭观明，边炳传

PENG Guan-ming, BIAN Bing-chuan

（泰山学院 建筑与机械工程系，泰安 271021）

0 引言

由于塑料工业的发展，塑料在各个领域得到了广泛的应用，加快了塑料模具产业的发展步伐。我国塑料模具近年来发展相当快，2003年已增到176亿元左右[1]。当前国内塑料模具市场以注塑模具需求量最大。随着多品种、小批量注塑产品时代的逐步来临和企业对模具能保证新产品快速上市的要求，注塑模具快速设计与制造技术也得到了广泛的重视。我国约拥有2万家模具生产企业，大多数企业特别是注塑模具生产企业属于小型企业，他们灵活、专业的生产方式对促进我国的塑料工业乃至国民经济发展有较大的贡献，但其开发能力受到了技术水平、技术装备的限制，快速开发设计模具的能力较弱，存在模具设计的周期长、质量低等缺陷。

本文针对注塑模具开发过程特点，结合目前塑料模具行业企业的特点和需求，构建了基于网络的注塑模具快速设计系统，并研究了系统实现的相关技术。

1 模具快速设计系统的基本结构及软硬件资源

模具快速设计系统应视为集工业设计、计算机三维CAD技术、反求工程、结构分析与优化设计、工艺仿真、快速原型制造、快速模具制造和快速产品制造等的一个集成制造系统。从当前基于快速成形技术的产品设计角度来看，一般有两种产品快速设计方法，即从概念到产品或从样品到产品，其步骤为：概念或样品、三维CAD造型或反求、快速原型、结构分析与优化、工艺分析、快速模具和快速产品。因此，无论初始已知条件是一个概念、一个样品还是一张图纸，都可借助于计算机三维设计、快速成形技术和快速模具制造技术进行产品的快速设计与制造。对于产品设计，除了几何形状设计以外，还应当进行结构的优化设计，通过对构件在实际工作环境下的工作过程仿真和在仿真基础上的优化设计，达到产品的最佳设计目的。

根据上述模具快速设计系统应具备的功能，该系统应配备的软硬件资源如下：

1）造型软件

产品的现代设计已基本甩脱传统的图纸描述方式而直接在三维造型软件平台上进行。目前，几乎尽善尽美的商品化CAD/CAM一体化软件为产品造型提供了强大的空间，使设计者的概念设计能够随心所欲。目前，应用较多的具有三维造型功能的CAD/CAM软件主要有：UGII、Pro/E、Catia、Cimatro、Delcam、Solidedge、MDT等。

2）结构分析与工艺仿真软件

产品的结构设计既要满足产品的外观及加工制造等要求，更要满足产品的使用要求。产品设计经外观及加工可行性评估后，能否满足在给定工况下的使用要求，需要进行结构分析。结构分析的主要内容有结构件的强度、刚度、稳定性及疲劳寿命等。结构分析的目的主要是进行安全性评估，进而实现结构的优化。目前，应用较多的结构分析软件有ANSYS、NASTRAN、MARC、ADINA、SAP系列等。

批量产品的生产一般都依赖工模具。在给定的工艺条件下，使用给定结构的模具，能否生产出满足设计要求的产品，传统的试错方法在生产过程中需反复地修改模具结构和工艺方案。这样，不可避免地会提高产品的生产成本和延长产品的生产周期。基于工艺仿真的CAE技术的发展，大大降低了从CAD到CAM的风险，使设计、仿真与制造并行，以确保产品开发的一次性成功。

3）反求系统与数据拟合软件

新产品开发过程中的另一条重要路线就是样件的反求。反求工程主要用于已有零件的复制、损坏或磨损零件的还原、模型精度的提高及数字化模型检测等。反求工程中较大的工作量是离散数据的处理。一般来说，反求系统中应携带具有一定功能的数据拟合软件，或借用常规的CAD/CAM软件UGII、Pro/E等，也有独立的曲面拟合与修补软件如SURFACER等。

4）快速原型制造设备

快速原型制造设备相当于一台三维打印机，能够快速、便捷地将产品的三维设计“打印”成特定材料的物理模型，用于产品设计检验与评估及装配与功能校核等。依据使用的原材料及构建技术的不同，快速原型制造设备主要有光固化成型设备、叠层实体制造设备、熔融沉积制造设备及选择性激光烧结设备等。

5）快速模具制造设备

由于快速原型制造技术受成型材料的限制，要想获得所需材料的单件或小批量产品，还需要通过模具进行翻制，由此，基于快速原型的经济型快速模具技术得到迅速发展。根据不同的制造工艺，快速模具制造过程中常用的设备主要有真空注型设备、低压灌注设备、电加工成型设备、金属喷涂设备等。

6）计算机工作站

产品三维造型的CAD/CAM软件平台需要性能优越的计算机图形工作站支持，产品结构分析及成形工艺仿真同样需要高速的计算机工作站。目前，计算机工作站的发展速度也同微机一样日新月异。许多品牌产品得到SUN工作站、HP工作站及国内的海信工作站等。上述品牌工作站完全可以满足三维造型软件及结构分析与工程仿真软件对图形处理及运算速度的要求。

2 注塑模具设计过程

典型注塑模具的设计过程如图1所示。现代模具设计从塑件信息开始，确定可以注塑生产后，进行塑件的三维造型，然后进行注塑成型工艺性分析，其间要辅以模塑模拟以优化、确定合理的塑件结构、注塑工艺参数等，基于以上结果，进行模具方案分析，进行详细的模具结构设计、模具零部件设计选取，最终的输出为模具装配信息、模具零件制造信息（根据不同需要输出两维图纸和三维数模）和标准零部件清单。

图1 注塑模具设计过程

注塑模具生产是典型的单件生产，对于不同模塑产品的模具设计，尽管有很多计算机辅助软件可以利用，但需要大量的人机交互工作，特别是模具设计过程中涉及计算内容很多，大多CAD软件的计算功能不够强。因此，需要设计人员的技术水平较高，而且有大量的输入、查询、计算工作要做。

3 系统功能模块

面向注塑行业的网络化模具快速设计系统有六大模块，每一模块中又包含不同的功能，如图2所示。

图2 注塑模具快速设计系统功能模块

用户通过客户端浏览器输入用户名和登录密码，系统自动检索用户信息数据库，根据角色不同分配在特定时间段内不同的权限。

支持软件采用现成商业软件进行CAD建模和CAE分析，软件挂在服务器上，权限用户可以下载安装。有的软件只能在服务器上运行，用户可以提请任务给管理员，借助协同工具，在服务器上运行软件。

辅助设计模块集成了自主开发的设计支持功能，包括标准件库、零件计算、实例查询、数据输出。标准件库使设计工作量大大减少；零件计算功能包括了常用注射模设计过程中所需的计算数据、计算公式，根据提示输入或选取，系统自动完成计算，本系统提供包括按平均收缩率计算注射模成型尺寸、按公差带计算注射模成型尺寸、按模塑收缩率计算塑件脱模力、斜导柱分型抽芯机构设计、注射模脱模机构设计等20个计算程序（图3）；设计过程中可以利用实例查询，调出实例库预先输入或完成过的设计实例作为当前任务的参考。

图3 零件辅助设计界面

图4 基于协同浏览器的协同设计

基于开发的协同工具，可以实现设计过程中处于不同地方的不同人员，可以在同一时间内、共同参与某一活动，完成协同工作。图4所示应用图像浏览器实现对同一对象的实时浏览、批注、修改。

4 系统实现

4.1 系统软件环境

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

数据库：SQL SERVER 2000 和 MicroSoft Access 2000，

WEB服务器：IIS5.0和.NET Framework，

WEB开发工具：Macromedia Dreamweaver MX和Microsoft Visual Studio .NET。

4.2 系统总体结构

整个系统的建设采用Browser/Server（B/S）结构，选用先进的三层架构来搭建网站，即采用逻辑上的WEB服务层、应用程序层、数据库服务层相分离的架构。B/S结构极大地简化了客户机的工作[2]，客户机上只是普通浏览器和少量开发的或下载安装的程序，服务器将担负更多的工作，对数据库的访问和应用程序的执行将在服务器上完成。

4.3 WEB与数据库互连

WEB服务器上接收的信息是以页面的形式保存的，它一般是HTML语言所组成的一种静态文件，不适合在WEB上进行数据的实时动态更新[3,4]。

采用了ADO（ActiveX Data Object）与ASP（Active Server Pages）结合，数据库采用Access的建设方法。ADO技术可以与ASP结合以建立提供数据信息的网页内容，只需在网页面中执行Structured Query Language（SQL）指令，让用户在浏览器界面中输入、更新和删除WEB服务器上的数据资料。当用户端的浏览器填好表单所要求输入的资料，确定后，经过internet/intranet传送HTTP请求到WEB服务器，该请求在WEB服务器执行一个表单所指定的ASP程序（后缀名为.ASP的文档）。一个.ASP文档是一个纯文字文档，包括：HTML标记（tags）、VBScript或JScript语言的程序代码、ASP语法、和结构化查询语言SQL指令。IIS3.0 / 4.0 WEB服务器执行.ASP文档，通过ODBC(开放数据库互连)驱动程式，连接到支持ODBC的数据库上，执行ASP文档所指定的SQL指令，最后将执行的结果以HTML的格式传送给用户浏览器。由此，完成了数据库信息再WEB上的动态发布。ADO具有容易使用、开发执行快速、消耗系统资源较少，和占用磁盘空间小等优点。ASP 程序是以扩展名为 .asp 的纯文本形式存在于 WEB 服务器上的，你可以用任何文本编辑器打开它， ASP 程序中可以包含纯文本、HTML 标记以及脚本命令。

5 结论

面向注塑模具生产企业服务而开发的网络化注塑模快速设计系统，数据管理、功能配置满足模具设计实际流程需要。系统基于WEB技术开发，辅以开发的辅助设计工具、协同工具，可使分布在不同地域的人员、企业通过互联网实现模具设计资源、信息的共享，提高注塑模的设计效率，缩短开发周期。特别是对于中、小模具企业的塑模设计提供快速、优质的服务。

[1]周永泰.我国塑料模具近几年的发展概况[J].现代塑料，2005,(1):56.

[2]高军,赵国群.基于B/S模式和V/V技术的模具设计制造[J].锻压技术,2002,(4):60-62.

[3]刘跃军,瞿金平,任鸿烈.基于Internet的产品设计与制造及其关键技术[J].机械设计与研究,2001,17(1):63-65.

[4]李健.基于web服务器与数据库的互连技术[J].湖南理工学院学报(自然科学版),2003,16(4):81-84.