注塑模具顶针智能化设计系统开发

　　摘要：分析了当前模具顶针设计系统的缺陷及不足, 结合模具企业的工程实际, 利用参数化设计与关联设计思想, 运用基于规则推理和基于模糊推理相结合的方法对顶针类型、规格及顶出位置进行研究, 并基于NX开发了顶针智能化设计系统。该系统不但能够快速地自动生成顶针, 而且能够对典型塑件实现顶针位置的智能布点, 在一定程度上实现了顶针设计的智能化。经企业实践表明, 该系统实用性强, 能够显着提高模具设计效率。

　　关键词：规则推理; 模糊推理; 注塑模具; 参数化设计; 关联设计;

　　Abstract：The defects and shortcomings of the current mold pin design system are analyzed. The idea of parameterized design and association design is used in combination with the engineering practice of mould enterprises. Based on rule reasoning and fuzzy reasoning, the types, specifications and ejection positions of thimble are researched, and a intelligent design system for thimble based on NX is developed. The system can not only quickly and automatically generate thimble, but also achieve intelligent placement of thimble position for typical plastic parts; to a certain extent, realize the intellectualization of thimble design. The practice of the enterprise shows that the system is practical and can improve the efficiency of mould design.

　　Keyword：Rule reasoning; Fuzzy reasoning; Injection mould; Parametric design; Associated design;

　　顶针结构是注塑模具顶出系统设计过程中普遍采用的一种典型的顶出形式。实际工程中, 产品所对应的模具结构采用的顶针数量少则几根、十几根, 多则甚至可以达到几百根。对于顶针设计, 传统方法一般是设计师根据自己的经验确定顶针位置及规格, 然后一次次调用顶针标准件来逐个实现, 其操作过程繁琐, 设计效率低下。

　　国内外学者对注塑模具的顶针系统进行了相关研究, 其中对顶出力和脱模阻力进行了不同方法的测算, 以此来进行顶出系统的优化设计[1-2];通过实验的方法来确定顶杆的类型、顶针的数量和顶针位置[3]。这些方法取得了一定成效, 但相对来说操作较繁琐, 实用性不强。利用参数化设计与关联设计技术, 可开发出顶针自动化设计工具[4-5], 该工具虽在一定程度上提高了设计效率, 但顶针位置的确定依然严重依赖设计师的经验。针对顶针类型选择及顶出位置确定的问题引入人工智能技术, 采用基于规则和基于案例的方法来获得最佳设计方案[6], 但只能针对非常简单的塑件结构, 故其实际可操作性不强。

　　本文在深入研究模具企业实际顶针系统设计的基础上, 采用基于规则推理和基于模糊推理相结合的方法解决顶针类型、规格及位置选择这些关键性问题, 并贴合模具企业实际情况, 开发出顶针设计自动化系统。该系统在一定程度上实现了顶针设计的智能化, 经企业验证, 运行良好, 极具推广价值。

　　1、功能设计

　　通常情况下, 模具设计师采用顶针进行顶出系统设计时, 首先要明确采用何种形式的顶针, 然后确定其规格, 再选择顶出位置, 最后还需对顶针进行修改编辑 (包括顶针头部的修剪、顶针的防转处理、顶针的删除及移动等操作) 。因此顶针设计系统需具备以下功能:

　　(1) 顶针的自动生成。用户可选择顶针类型、规格, 如果是手工布点, 则选取顶针起始面、布点;如果是自动布点, 则需要选取顶针起始面, 设置偏置距离, 然后选择顶出区域轮廓曲线, 点击应用即可自动布点。在顶针布点时, 用圆圈表示点, 圆圈的大小应与所选顶针的杯头直径相同, 用户可借此检查顶针是否与其他构件发生干涉。布点完成后, 可根据需要对顶针坐标位置取整数, 亦可对其位置进行微调。

　　(2) 顶针避空孔的开设。为防止顶针在顶出过程中与模板直接发生摩擦, 需要开设顶针避空孔。避空孔所占体积为顶针体积加上顶针与模板的配合间隙。

　　(3) 顶针的修改编辑。顶针生成之后, 需要将高于后模仁表面的顶针部分修剪掉, 如果顶针顶在曲面上, 还需要对顶针进行止转, 止转的角度可自行输入。

　　根据功能定义, 系统的操作流程如图1所示。设计师只需进行简单的操作, 系统即可快速地自动生成顶针, 完成设计工作。

图1 顶针设计流程图

　　2、关键技术

　　2.1、参数化设计

　　根据模具企业顶针的设计标准, 采用参数化设计技术[7]创建顶针模型, 结果如图2所示。图2中实线部分为顶针实体模型, 虚线部分为开设顶针避空孔而做的顶针开腔假体。顶针模型建好后, 将其保存以作为顶针的图形模板文件, 如表1所示。然后建立与该模型相对应的电子表格来记录顶针的尺寸系列, 同时将建好的顶针模型特征尺寸与电子表格中的顶针系列尺寸相对应, 设计标准件的示意图, 便于用户浏览查看标准件信息[8]。

图2 顶针实体与顶针假体

表1 顶针配置表

　　2.2、关联设计技术

　　在注塑模具结构中, 顶针固定在顶出板上, 穿过后模板及后模仁, 顶在产品的内表面。为避免磨损, 需要在后模板上开设顶针的避空孔, 顶针实体与顶针避空孔的单边间隙一般为0.5 mm, 同时, 为防止跑胶, 在后模仁里面, 顶针实体与顶针避空孔需有一段封胶距离, 如图3所示。系统在加载所选择的顶针时, 以参数化驱动后装配到模具里的顶针模板零件作为父几何体, 分别将顶针穿过的需要开避空孔的模板设为工作部件, 通过关联设计技术[9-10]形成顶针和顶针避空孔特征之间的关联, 从而使顶针避空孔随着顶针的位置变动而变动。

图3 顶针开腔示意图

　　2.3、智能推理技术

　　在实际模具设计中, 顶针设计主要分为三部分:顶针类型的选择、顶针规格的选择、顶针位置的确定。一般情况下, 模具设计师是凭着以往所积累的经验知识来进行设计的, 经验知识越丰富则设计方案就会越合理。基于此, 系统引入智能推理技术, 由计算机来模仿模具设计专家设计时的思维过程推理出合理的设计结果, 这样不仅可以降低对设计者的要求, 也能有效提高设计的效率[6]。

　　其中顶针类型要根据具体塑件的内部结构来确定, 譬如筋位、骨位需要采用扁顶针, 而螺丝柱位则需要采用司筒顶出等等, 这类知识形式比较明确, 规则也较容易总结, 可采用基于规则推理 (RBR) 技术来进行顶针类型的选择。RBR技术的关键是知识表示, 其中最常用的是产生式规则的知识表示法, 例如, 在顶杆类型选择设计时, 有下列形式:

　　选取顶针规格时所用到的经验知识具有不确定性和模糊性, 例如产品较小时, 采用直径比较小的顶针;产品较大时, 则采用直径比较大的顶针等, 只运用RBR技术存在知识获取困难、设计规则难以总结的问题。模糊推理能够比较有效地解决不确定性和模糊性问题[11]。模糊规则采用下述表示方法:

　　其中, X、Y为模糊变量, A、B为模糊子集, τ为领域专家给出的规则阈值。模糊子集Ai隶属函数的计算如下:

　　(1) 当i=1时, Ai对应的参数为a1和a2, 其隶属函数为:

　　(2) 当i=n时, Ai对应的参数为a2n-3和a2n-2, 其隶属函数为:

　　(3) 当1<i<n时, Ai对应的参数为a2i-3、a2i-2、a2i-1和a2i, 其隶属函数为:

　　根据上述范式, 可以表示模糊变量“塑件大小”的定义为:

　　塑件大小:{很小, 小, 较小, 较大, 大, 很大 (40, 70, 120, 150, 220, 250, 320, 350, 420, 450, 500) }。模糊向量值 (40, 70, 120, 150, 220, 250, 320, 350, 420, 450, 500) 是由模具厂设计专家给出。

　　顶针大小的推理规则为:

　　IF塑件很小THEN采用Φ3的顶针;

　　IF塑件小THEN采用Φ4的顶针。

　　IF塑件较小THEN采用Φ5的顶针;

　　IF塑件较大THEN采用Φ6的顶针。

　　IF塑件大THEN采用Φ8的顶针;

　　IF塑件很大THEN采用Φ10的顶针。

　　3、系统实现

　　基于上述理论, 采用VS2010作为开发工具, 以NX为平台, 利用其相应的二次开发工具NX OPEN C++开发出一个智能化顶针设计系统, 该系统不但能够快速地在指定位置自动生成顶针, 而且顶针的编辑操作十分简单, 同时系统亦支持对典型塑件的顶针位置进行智能推理, 从而能够大幅度提高设计效率。

　　点击屏幕菜单里面的“顶出设计”, 将会启动顶出系统设计, 按照设计的顺序, 系统分为“参数输入”、“顶针布局”、“顶针编辑”三个模块, 如图4所示。

图4 启动顶针设计系统

　　在参数输入模块中可选择顶针类型及规格, 如图5所示。

图5 参数输入模块

　　顶针布局模块设计有两种不同的布点方式:一是手动布点, 可手动灵活选择布点位置, 如图6 (a) 所示;另一种是自动化布点, 如图6 (b) 所示, 可对一些典型的产品进行智能化布点, 输入偏置距离, 并选择偏置曲线, 即可自动生成顶针位置点, 并可对其进行加密和稀疏处理。布点之后, 点击“坐标取整”可对坐标值进行取整处理, 点击“移动位置”可对坐标位置进行微调。当顶针自动生成后, 还需要对其进行后处理, 包括顶针头部的修剪及顶针的止转, 如图7所示。

图6 顶针布局模块

图7 顶针编辑模块

　　4、应用实例

　　图8所示为某模具企业一个中等复杂程度的产品, 图9为利用顶针设计系统自动生成的顶针及相应避空孔的装配模型。在整个设计过程中, 用户只需进行简单的几步操作 (选择产品、顶针起始面、位置、类型和参数) , 系统即可自动生成顶针实体模型及其在模板上的避空孔, 如果需要, 亦可实现对顶针位置进行坐标圆整及微调。该模具含有60多根顶针, 如果按传统顶针设计方法来设计, 至少需要花费近2 h, 而采用本系统则可在不到20 min内完成设计工作, 设计效率可见一斑。实际上, 日常设计的模具顶针数量有时动辄上百根, 利用本系统进行设计可大幅度提高效率, 减轻设计师的工作负担。

图8 产品图

图9 顶针设计效果图

　　5、结语

　　本文结合注塑模具顶针设计知识, 利用参数化设计与关联设计技术, 运用基于规则推理和基于模糊推理相结合的方法对顶针位置的智能化布点进行了初步研究, 在此基础上开发出顶针智能化设计系统。该系统不但能够快速生成顶针及其避空孔, 同时后期编辑操作也十分简单方便, 对于典型塑件顶针的位置系统可进行智能化布点, 能有效避免新手经验不足的问题, 在一定程度上实现了智能化。本系统已应用于多家模具企业的实际工程设计, 取得了非常好的效果, 极大提高了设计效率。后期的研究工作将进一步对系统功能进行完善, 补充顶针自动出图及顶针孔表的功能, 同时将重点研究复杂塑件的顶针位置智能化布点问题。

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