注射模具CAD的相关技术优化方案

注射模具CAD是计算机技术发展的结果。下面首先介绍与注射模CAD有关的建模技术和基于约束的实体造型技术。

1.建模技术

CAD技术的核心是几何形体的构造，称为建模技术。几何建模采用一套合适的数据结构来描述三维物体的几何形状，形成供计算机识别和处理的信息数据模型。该模型包含了三维物体的几何信息和拓扑信息，用数学式加上边界条件描述几何实体的几何元素在欧氏空间中的位置和大小的信息。拓扑信息是几何实体中几何元素的数目和它们的连接关系。建模方法共有下述四种。

（1）线框模型 最早采用顶点和邻边来表示几何形状体。这种线框模型的建模方法简单易行，但一些CAD系统难以处理模型的剖切、消隐、渲染和干涉检查。

（2）表面模型 表面模型是用棱边的向量来定义形体的表面，再由这些面的集合来定义形体。它给予模型表面明确的定义，因而CAD系统能处理模型的剖切、消隐、渲染和干涉检查，但是对于形体存在于表面的哪一侧无法定义，只能用于物体的外形描述，很难进行物理性能计算。

（3）实体模型 在表面模型的基础上，对实体的存在给予明确的定义，因而能进行物理性能计算。

常用的几何形体生成和表示的方法有三种：构造几何实体（Constructive Solid Geom-etry，CSG）、边界表示（Boundary Representation，B-Rep）、CSG和B-Rep的混合表示。

构造几何实体（CSG）是将任何复杂形体通过对简单的体素形体，进行正侧集合运算并配以平移、旋转等几何变换来表示。这种方法的数据结构简单，数据量小，且容易管理。每个CSG模型是个有效实体，其形体可以修改；但产生和修改形体的功能有限，局部操作较为繁琐，绘制和显示形体的时间较长。

边界表示（B-Rep）详细记录了构成形体的所有几何元素的几何信息和拓扑信息，直接用面、环、边、点来定义形体的形状和位置。这种方法能较快地绘制几何形体，可以使用多种操作和运算；但是数据结构复杂，数据量大，而且修改形体的操作比较困难，有时B-Rep有可能表示一个无效的形体。

由于CSG和B-Rep混合表示方法可以优势互补，现行的CAD系统大多采用CSG和B-Rep的混合表示方法，以CSG作为外部模塑，而B-Rep作为内部模型。在计算机内将CSG表示转换成B-Rep，并同时保存两种数据。

（4）特征建模CAD系统除了满足自身的三维形体的几何信息和拓扑信息外，还必须为CAE、CAM和CAPP（计算机辅助工艺规程系统）等提供产品工程所需的形状、精度、材料和装配等信息。

1）特征是几何形体携带的各种工程意义的性能，不同的应用有不同的特征定义。

①形状特征：携带某些工程信息的几何形体，又分为体特征、过渡特征和分布特征。

②精度特征：在工程设计和加工中使用的几何公差、尺寸公差、表面粗糙度和检测等信息。

③材料特征：确定物体材料的种类、物理性能、力学性能、热处理方式与条件等的信息。

④装配特征：确定装配体中各零件的位置关系、公差配合、功能关系和动力学关系等。

⑤分析特征：有关工程分析方面的特征。例如：力学应力的有限元分析中，物体的梁、板、筒和盒等的分类特征。

基于特征的造型方式，通过具有特定应用含义的特征，为用户提供高层次的工程设计的信息，有效地提高了设计效率和质量，还可方便地进行设计特征的可行性和相关性检查，并进一步组织更复杂的特征。

2）基于特征的造型方式实施过程有以下三个步骤。

①建造一个特征库，库中的特征参量无具体数值。

②从库中挑选所需特征构造积木式的零件模型，同时输入非几何的特征信息，实现特征实例化。实例化后，特征的参量有了具体的参数。

③利用特征的CSG和B-Rep表示进行布尔运算，得到由特征组成的整体零件模型。

综上所述，在CAD几何建模系统的基础上，特征建模技术与基于约束的实体参数化造型技术相结合，构成了基于特征的三维参数化造型系统。

2.注射模CAD的特征建模

传统的CAD/CAM系统的本质是实体建模或基于表面的建模，已证明对注射模设计而言是有缺陷的。下面讨论基于特征的计算机辅助模具设计方法。这将解决基于几何体的注射模CAD系统所面对的问题。

（1）特征概念 从工程角度，特征意味着零件或装配体的形状或特性。工程师通过它，可以联系有用知识和属性来构思零件或装配体。因此，特征与零件或装配体的物理和几何方面有关。从一个或更多的工程观点来说，有效且清楚的实体才有意义。特征可以被定义为以下几点。

1）特征是零件的一个物理因素。

2）特征可以被变换成通用的形状。

3）特征具有重要的工程意义。

4）特征具有预定的性质。

（2）特征建模 特征建模是用零件或装配体特征组成的一组数据结合。特征模型中间的每个特征，都是确定实体的直接表述。特征的形状可以表述为一组尺寸参数和几何与拓扑实体及关联的数据。特征的工程意义，在于提供特征或特征生成的格式化的功能。

在简单的讨论了特征的基本概念之后，将转入讨论特征在解决低级实体、设计意图校核和几何体的表面模型等问题。特征的主要优点是基于特征的零件模型能用一些高级的基元，并定义成可分离和再生的形状。特征的开放和闭合的性能，使得它能正确应用在一些范畴。对于加工零件、槽、基座、孔等，能被定义成切削特征。对注射模而言，侧凹槽又能被定义为成型加工特征。随着高级实体的使用，设计师可以将精力集中到功能描述和动作设计上。所以实体设计可以将高级实体和它们的关联迅速综合起来。

设计由应用实体来描述。特征建模比几何建模更加清楚地向设计师提供了一个更好的记录。特征提供了模型和设计推理之间联系的基础，所以它支持变更修改。

基于特征的模型创建技术，可以分为两大类，即特征识别和根据特征的设计。特征识别技术的特点是从几何模型中，提取并识别特征。这种技术分成交互特征识别和自动特征识别。交互特征识别系统中，首先创建几何模型，接着由用户在零件的影像上拾取实体；而自动特征识别系统中，部分几何模型将与预设好的特征模式进行比较。

自动特征识别的次要任务如下：

1）装配来自几何学模型的附加的数据结构，促进特征的搜寻。

2）寻找几何学的模型和几何学的模型相配拓扑。

3）提取来自几何模型的识别特征。

在所有的基于特征的设计技术中，零部件创建时直接使用特征，而且几何模型从特征产生。需要CAD系统在特征库中给予特征定义专门的参数和位置参量，可参考特征的定位和各种其他属性。

3.基于约束的实体造型技术

传统的实体造型技术是属于无约束的自由造型。现代基于约束的实体造型技术有两种指导理论。一种是以PTC公司的Pro/ENGINEER软件为代表的参数化实体造型理论；另一种是以SDRC公司的Ⅰ-DEAS软件为代表的变量化造型理论。

（1）参数化造型技术 参数化设计是随着约束的概念引入CAD技术而出现的，又称为尺寸驱动。对零件上各种特征施加约束的形式，各个特征的几何形状与尺寸大小用变量的方式来表示。这个变量不仅可以是常数，也可是某个代数式。如果定义某个特征的变量发生了变化，则零件的这个特征的几何形状或尺寸大小将随着参数的变化而改变，又随之刷新该特征及其相关联的特征，而不需要再重新画图。参数化设计技术为初始设计、产品模型的修改、系列零件族的生成、多方案比较等提供强大的手段。

参数化造型技术的主要特征如下所述。

1）基于特征。将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征，并将其所有尺寸存储为可调参数，进而形成实体，并以此为基础进行更为复杂的几何形体的造型。

2）全尺寸约束。约束包括尺寸约束和几何约束。图形形状的大小、位置坐标、角度等均属于尺寸约束。几何约束包括平行、对称、垂直、相切、水平和铅直等非数值的几何关系的限制。全尺寸约束将图形的形状和尺寸联系起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制。造型时有完整的尺寸参数是全约束，漏注尺寸为欠约束，过多注尺寸是过约束。

3）尺寸驱动。对初始图形给予一定的约束，通过尺寸的修改，系统自动找出与该尺寸相关的方程组再重新求解，驱动几何图形形状的改变，最终生成新的模型。基于尺寸驱动的方法是较成熟的参数化造型方法。(www.xing528.com)

4）全数据相关。它彻底克服了自由建模的无约束状态。尺寸参数修改使相关模块中的相关尺寸得以全盘更新。几何形状均以尺寸的形式而被控制，要改变零件的形状，只需修改尺寸数值。

（2）变量化造型技术 变量化造型技术是在参数化造型技术基础上，针对参数化造型技术存在的问题进行改进后的设计方法。变量化造型技术保留参数化造型技术的基于特征、尺寸驱动和全数据相关的优点，又对全尺寸约束的缺点做了重大的改造。变量化造型技术有以下五个特点。

1）几何约束。在新产品开发的概念设计阶段，设计者首先考虑的是设计思想在几何形状中予以体现。至于各几何形状和各形体间的位置关系在概念设计阶段还很难完全准确确定。设计师希望在设计初始阶段允许不标注尺寸为欠约束。这样有利于发挥设计人员的想象力和创造力。因此，在变量化造型技术中，将参数化造型技术中的尺寸参数进一步区分为形状约束和尺寸约束，而不是参数化造型技术中只用尺寸来约束全部几何图形。

2）工程关系。在新产品设计时，除需确定几何形状外，还会涉及载荷等一些工程问题。变量化造型技术除了考虑几何约束外，把工程关系也作为约束条件，直接与几何方程联立求解。

3）超变量几何技术。超变量几何（Variation Geometry Extend，VGX）技术充分利用形状约束和尺寸约束分开处理而无需全约束的灵活性。设计者可以针对零件上的任意特征，以拖动方式直观又实时地进行图示化编辑修改。VGX技术有如下优点。

①在全尺寸约束及欠约束情况下均可顺利完成造型。

②模型修改可以在造型历史树上超越，可以在不同“树干”的特征上直接建立约束关系。

③可直接编辑3D实体特征，无需回到生成该特征的2D线框状态。

④可用拖动式修改实体模型，尺寸也随之自动更改，而不是只有尺寸驱动一种方式。

⑤拖动时显示多种方案，而不是只有一种方案。

⑥用拖动式修改3D实体模型时，可直观预测该特征与其他特征的关系。而以尺寸驱动一种方式修改实体模型时，很难预测尺寸修改后的结果。

⑦模型的修改允许形状及拓扑关系发生变化，而并非限于尺寸数值的变化。

4）动态导航技术。动态导航（Dynamic Navigator）技术是指光标处于某一特征位置时，系统自动显示有关信息，例如空间位置和特征类型等，并自动增加有利约束，预计下一步的操作。因此，动态导航技术是智能化的设计参谋。

5）主模型技术。它以变量化造型技术为基础，完整表达产品的信息。它包括有几何信息、形状特征、变量化尺寸、拓扑关系、几何约束、装配顺序、装配、设计历史树、工程方程、性能描述、尺寸及几何公差、表面粗糙度、应用知识、绘图、加工参数、运动关系、设计规则、仿真结果、数控加工、工艺信息描述等。主模型技术成功地将曲面和实体表达方式融合为一体，给产品的设计和制造的各阶段提供统一的产品模型。

（3）两种造型技术的主要区别 参数化造型技术与变量化造型技术的区别有以下三个方面。

1）对约束的处理方式不同

①参数化造型技术在设计的全过程中，将形状约束和尺寸约束联合在一起考虑，通过尺寸约束实现形状约束控制；变量化造型技术是将形状约束和尺寸约束分开处理。

②参数化造型技术在欠约束时，造型系统不允许执行后续操作；变量化造型技术允许欠约束和全约束状态，尺寸是否标注完整，不影响后续操作。

③参数化造型技术中工程关系不直接参与约束管理，而由单独的处理器处理工程关系；变量化造型技术中工程关系作为约束，与几何方程耦合，再通过约束解算器直接解算。

④参数化造型技术解决的是全约束下的几何图形问题，实现尺寸驱动几何形状的改变；变量化造型技术解决的是任意约束下的产品设计问题，可以尺寸驱动和约束驱动，即由工程关系驱动几何形状的改变。

2）应用领域不同

①参数化造型技术适用于技术比较成熟，产品种类相对固定的行业。其零件形状基本固定，标准化程度较高，常可以通过已有图样修改设计新产品。参数化造型技术常用于常规设计或革新设计。

②变量化造型技术的造型过程类似于开拓设计，把满足设计要求的几何形状放在第一位，然后再逐步确定尺寸。变量化造型技术比较适用于创新式设计。

3）特征管理方式不同

①参数化造型技术在整个造型过程中，将构造形体的所有特征按先后顺序进行串联式排列，并置于关系树中。每个特征与前面的特征存在明确的父子关系。当修改或删除某一特征时，子特征可能失去了存在的基础。这样很容易造成数据混乱，甚至使操作中断或失败。

②变量化造型技术构造形体的全部特征，不但与前面的特征存在关联，而且与全局的坐标系建立联系。用户对前面的特征修改时，后面的特征会自动更新。当删除某个特征时，与它有联系的特征会自动解除关联。系统对这些特征在全局坐标系中重新定位。变量化造型技术在修改或删除特征时，不会造成数据混乱。

4.CAD/CAM技术发展趋势

（1）集成化 最初，CAD/CAM系统的各单元技术几乎是单独发展的。为了充分发挥CAD技术和CAM技术的潜力，将它们融合在一起，最早实现CAD/CAM集成。

CAD/CAM系统的集成不是两种软件的单纯合并，而是在计算机集成制造理念下（Computer Integrated Manufacturing，CIM），采用多方面的计算机技术。CIM理念对企业的各种生产作统一的综合考虑，将与制造有关的产品设计、技术和管理的信息采集在一起，包括产品设计、零件制造及检验、零部件装配、原材料供应、零部件及产品的库存等，实现计算机全程控制。CAD/CAM系统的集成具有以下特征。

1）实现参数化造型和变量化造型特征，建立包括几何形体、工艺规程、制造过程和企业管理等完整信息的产品数据模型。

2）采用标准化的数据交换技术，实现异构环境下的信息集成，且能面向各种CAD/CAM系统。

3）采用标准化的计算机图形处理技术，能面向各种图形设备。

4）采用数据库技术，使所有功能模块的信息集中在统一的工程数据库下。

（2）智能化 产品设计过程需要大量知识、经验和技巧，是复杂又富有创造性的工作。设计过程不仅有数值计算，也会有推理型问题，例如方案的设计、选择、优化和决策等。随着人工智能技术、计算机的知识工程和专家系统的发展，非数据和非算法的信息处理日趋成熟。

将人工智能技术、知识工程和专家系统技术引入到CAD/CAM领域中，形成智能的CAD/CAM系统。专家系统实质上是一种“知识”加“推理”的程序，将知识和经验结合在一起，使它具有逻辑推理和决策判断能力。现在大型CAD/CAM系统都有软件智能化的开发。

近年来，注射模具自动化设计技术有较大的发展。有关智能化计算机辅助注射模具设计的研究工作有：注射模具的装配建模、定义注塑件的最佳脱模方向、通过分型自动创建型芯和型腔、多型腔的自动布局等。

（3）标准化 CAD/CAM标准体系是开发应用CAD/CAM软件的基础，也是促进CAD/CAM技术应用普及的手段。其中图形标准最为重要，CAD/CAM软件的标准化是指图形软件标准。

图形标准是一组由基本图案和图形属性构成的通用图形标准系统。图形标准按功能可分成三类。

1）面向用户的图形标准，例如图形核心系统CKS、程序员交互式图形标准PHIGS和基本图形系统CORE。

2）面向不同CAD系统的数据交换标准，例如初始图形交换规范IGES、产品数据交换规范PDEP和产品模型数据交换标准STEP。

3）面向图形设备的图形标准，例如虚拟设备接口标准VDI和计算机图形接口标准CGI。

近年来，注射模具的标准化有较大发展。注射模具的模架和许多附配件都已进入CAD软件的数据库。设计师能方便调用它们的二维或三维图形。

（4）网络化 网络技术是计算机技术与通信技术相互结合的产物。自20世纪90年代以来，计算机网络技术的发展推动了模具的异地设计和制造。将分散在不同地点的多台计算机连接起来，许多设计人员可以异地共享信息资源。一个项目可以由多家企业在不同地点共同完成。敏捷制造（Agile Manufacturing）模式的理念，就是利用Internet网络将各地的人力资源和设备资源组合起来，建立动态联盟以快速响应市场变化。

（5）最优化 传统设计制造的模具可靠性较差，产品设计和工艺过程的最优化始终是追求的目标。目前，大多数模具CAD/CAM系统中使用的设计方法与传统设计的方法基本相同。系统采用交互方式运行，当遇到复杂问题时，由设计人员进行判断和选择。因此，设计和制造的模具难以保证一次试模成功。

应用仿真技术和形成过程的计算机模拟技术是解决模具可靠性的重要途径。利用有限元和边界元方法模拟材料的流动，分析材料的成型过程，从而预测所设计模具是否可行；同时检验模具设计方案，获得较优的设计。在数控编程时，用仿真技术模拟加工过程。计算机分析加工状态，判断干涉和碰撞，有助于确定最佳路线，保证机械加工的效率和质量。