注射模软件的三个发展阶段
关键词：注射模 模拟 软件集成 三维实体模型 OpenGL CAD/CAM/CAE
１引言
塑料模CAD/CAE/CAM技术的重要性正逐渐被模具界所认识，其中塑料注射模应用软件的发展十分引人注目，在工业界形成了一花独放的局面。注射模软件的发展可划分为三个阶段，第１阶段为开发独立运行的注射过程模拟软件，第２阶段为二维模具设计软件与模拟软件的集成，第３阶段为维模具设计与制造软件及模拟软件的集成。本文重点论述各个发展阶段的工作内容、特点、存在的问题及发展趋向。
澳大利亚Moldflow公司在1978年推出的基于有限差分方法的一维商品化流动分析软件MF1.0，以及美国AC_Tech公司在1986年推出的基于有限元方法的二商品化流动分析软件C_Flow1.0是这一阶段注射模软件发展的两个里程碑。在随后的１０年里，ＭＦ和C_Flow软件不断地得以改进和完善，现已形成包括流动模拟、保压分析、冷却分析、内应力分析、分子定向和翘曲变形预测等系列分析软件，在国内外模具界享有盛誉。华中理工大学模具技术国家重点实验室目前推出的注射过程模拟软件HS_CAE97具有自主版权。HS_CAE97系统在Windeow95/NT环境下运行，在OpeGL／GUI软件的支持下，采用了面向对象的程序设计方法和曲面造型方法。该系统在软件结构设计上，制订了一个能在多个软、硬件平台上运行的通用用户管理系统ＵＩ迹樱能将应用软件和系统开发资源完全屏蔽，保证了良好的可移植性和可维护性。HS_CAE97的主要功能与特点为:（１）先进的三维曲面造型系统。（２）三角形网格的自动划分和优化。（３）统一的窗口界面风格。（４）注射流动、保压和冷却过程分析软件的集成。（５）计算结果与实验实测相吻合。图１HS_CAE97系统的组织结构这一阶段开发的软件由于数学模型和算法的局限性，无论是国外的ＭＦ和C_Flow，还是国内的HS_CAE97都存在着以下缺点和问题：
（１）尽管所有软件都采用了三维可视化技术，但这些软件所基于的数学模型在实质上都是二维模型。橛谑学模型过于简化，导致分析结果不精确，在许多情况下所获得的分析结果只能定性，不能定量，翘曲分析软件便成为无源之水。
（２）由于算法的局限性，流动、保压及冷却软件均需采用中性面来分析。所谓中性面是假想的位于模具型腔和型芯中间的层面，用户榻佑伤芰现破防垂乖熘行悦嬉焉罡欣难，若依据型腔和型芯图形来生成中性面则更是难上加难。长期以来，中性面的生成一直是运行注射过程分析软件的拦路虎。
（３）运行流动和冷却分析软件时，必须事先知道模具浇注系统和冷却系统的布置方案和注射工艺条件，在缺少这些初始数据的情况下，分析软件的使用价值和效率便大打折扣，单纯依靠尝试法即使是反复运行这些分析软件也不一定能获得合适的技术方案和工艺条件。
（４）这些独立开发的分析软件的曲面造型和编辑功能具有相当的局限性，其造型的方便程度和应用的覆盖面远不能和著名的商品化CAD/CAM系统（如Pro_E、CADDS5、UGⅡ）相比。
（５）由商品化CAD/CAM软件生成的塑料制品几何模型或型腔与型芯的几何模型一般都不能自动生成中性面，二次输入不可避免，为此常要耗费用户大量的精力和时间。
３二维模具设计软件与分析软件的集成
近１０年来，计算机绘图和自动编程技术在模具界的普及程度越来越高，在CAD/CAM技术日新月异的９０年代，人们已不满足仅将计算机作为绘图和编程的工具，而迫切希望在同一软件环境下，既要有绘图功能，又要有设计、计算、分析和加工的功能，模具CAD/CAM/CAE的集成系统便应运而生。华中理工大学模具技术国家重点实验室在成功开发注射过程分析模拟软件的基础上，采用在塑料模具界应用最为广泛的商品化二维软件AutoCAD，实现了二维模具设计软件与模拟软件的集成。HSCAD 2.0的全部程序均是在AutoCAD提供的ＡＤＳ开发平台上采用Ｃ语言编写的，为用户提供了统一的人机界面，除了AutoCAD本身的功能外， HSCAD 2.0包括了模具结构设计子系统、结构及工艺参数计算校核子系统、塑料注射流动、保压与冷却模拟子系统、数控线切割编程子系统、建库工具和设计进程管理等模块，所以程序均能在AutoCAD的环较录成运行。图２所示为HSCAD 2.0的结构框图。
HSCAD 2.0主要功能表现在以下５个方面：
（１） 方便实用的图形输入方式。系统提供了一种基于图形尺寸的输入法，借助尺寸叠加，可实现制品至型腔图或型芯图的自动转换。
（２）灵活多样的参数化设计过程。在HSCAD 2.0中参数化方法贯穿于模具结构设计的始终。
（３）构思新颖的建库工具。用户能方便地建立和修改符合本厂特点的材料库、模架库和图库，新颖性的两大标志是模架结构的参数化和模架零件的关联性。
（４）理论与实践相结合的计算校核功能。HSCAD 2.0在采用有关理论计算公式的同时，又充分考虑到实践中被证明为行之有效的经验公式和实践原则，开发出别具一格的模具刚度校核、模具成本计算、推出系统计算、注射机校核、型腔数目计算、冷却系统和浇注系统计算等软件，供用户在设计过程中随时调用。
（５）与模具结构CAD集成的塑料注射成型过程模拟。
第二阶段的HSCAE 2.0软件在以下方面独树一帜:
（１）运行HSCAE 2.0能获得浇注系统、冷却系统、模具结构方案、注射工艺条件等初始数据，为成功地实施注射过程模拟创造了坪玫奶跫。
（２）根据HSCAE 2.0生成的型腔图和型芯图，可方便地产生运行模拟软件所需的三角形网格，避免了几何模型的二次输入。
（３）扩大了软件功能，由单纯的过程模拟发展到模具结构设计、线切割加工和注射过程模拟的集成。
但是，第二贫慰发的HSCAE 2.0软件仍有以下不足:
（１）采用型腔面和型芯面来进行网格划分，虽然避免了构造中性面的难题，但是影响了分析精度，采用这种简化方法来确立模具的浇注系统和冷却系统是合适的，但不能用来进行翘曲分析。
（２）流动过程模拟数学模型依然贫维模型。
（３）由于AutoCAD曲面造型的能力较弱，限制了HSCAE 2.0的应用范围。
（４）三维建模、二维设计的模式无法适应新一代注射模拟软件发展的需要。
４ 三维模具设计和制造软件与模拟软件的集成
所谓新一代注射迫砑，是利用计算机集成制造技术（CIM）建立的注射模集成制造系统（ＣＩＭＳ），这种高度集成的系统应能支持模具设计与制造的全过程，因此三维几何建模和三维模具设计与制造的应用至关重要。在９０年代，西方先进工业国已将商品化CAD/CAM系统与注射过程模拟软件进行了初步集疲并取得了显著成效。但是，无论是CADDS5、UGⅡ，还是Pro_E，在开发之初都是作为通用机械设计与制造工具来构思的，并不针对塑料模具，因此在使用这些通用ＣＡＤ软件设计塑料模具时会感到效率低下、操作繁琐、功能短缺。为此，近年来发展的趋势是开发新一代的注射模CAD/CAM专葡低常或者是在CAD/CAM通用系统的基础上进行有针对性的二次开发。例如Technocal公司开发的专用系统CAMold软件，能使注射模设计的许多常规工作自动化， CAMold软件建立了注射模各部件之间的关系模型，能自动装配和修改注射模的结构和尺寸。再如ParametricTech公司在Pro_E软件苹础上开发了用于注射模设计的专用软件Pro/Moldesign，初步实现了模具结构设计、注射流动过程模拟和注射模开合动作仿真的集成。鉴于我国的国情和我校在机械ＣＡＤ方面的雄厚实力，在注射模软件开发的第三阶段，选择了在我校自主开发的三维参数化特征造型CAD/CAM系统InteSolid 1.0上研制新一代注射模集成化制造系统。
新系统的主要功能和特点如下：
（１）三维实体造型能力。在二维草图设计基础上，可交互生成三维实体并能方便地提取实体的表面信息，以便网格的自动剖分。
（２）澄参数化功能。三维实体与二维视图互相关联，在设计过程中可随意更改三维实体或任一视图的尺寸，该尺寸的更改会导致三维实体和所有视图的自动变化。
（３）可视化功能。可随时对三维图形进行着色和渲染，并能进行消隐处理和零部件的干涉检查。
（４）采程卣髟煨偷姆椒ā？伤媸倍ㄒ迨堤宓奶卣鳎为进一步实现智能化的集成系统创造良好的条件。
（５）三维真实感流动模拟。无需用户定义中性面，直接在三维实体模型上进行流动过程仿真。
（６）三维参数化模具结构设计与仿真。新的设计方法将从根本上改变二维视图的手工设计传统，使模具设计过程更直观、方便，已装配的模具零件随时可进行开合、抽芯、顶推动作的动态仿真。
（７）３～５轴铣削加工指令生成及铣削过程仿真。
摘要：重点论述了注射模软件三个发展阶段的工作特点、存的问题及发展趋势，并介绍了华中理工大学模具技术重点实验室在这方面的成就。
关键词：注射模 模拟 软件集成 三维实体模型 OpenGL CAD/CAM/CAE
１引言
塑料模CAD/CAE/CAM技术的重要性正逐渐被模具界所认识，其中塑料注射模应用软件的发展十分引人注目，在工业界形成了一花独放的局面。注射模软件的发展可划分为三个阶段，第１阶段为开发独立运行的注射过程模拟软件，第２阶段为二维模具设计软件与模拟软件的集成，第３阶段为三维模具设计与制造软件及模拟软件的集成。本文重点论述各个发展阶段的工作内容、特点勾嬖诘奈侍饧胺⒄骨飨颉
澳大利亚Moldflow公司在1978年推出的基于有限差分方法的一维商品化流动分析软件MF1.0，以及美国AC_Tech公司在1986年推出的基于有限元方法的二维商品化流动分析软件C_Flow1.0是这一阶段注射模软件发展的两个里程碑。在随后的１０年里，ＭＦ和C_Flow软件不断地得以改进和完善，现已形成包括流动模拟、保压分析、冷却分析、内应力分析、分子定向和翘曲变形预测等系列分析软件，在国内外模具界享有盛誉。华中理工大学模具技术国家重点实验室目前推出的注射过程模拟软件HS_CAE97具有自主版权。HS_CAE97系统在Windeow95/NT环境下运行，在OpeGL／GUI软件的支持下，采用了面向对象的程序设计方法和曲面造型方法。该系统在软件结构设计上，制订了一个能在多个软、硬件平台上运行的通用用户管理系统ＵＩＭＳ，能将应用软件和系统开发资源完全屏蔽，保证了良好的可移植性和可维护性。HS_CAE97的主要功能与特点为:（１）先进的三维曲面造型系统。（２）三角形网格的自动划分和优化。（３）统一的窗口界面风格。（４）注射流动、保压和冷却过程分析软件的集成。（５）计算结果与实验实测相吻合。图１HS_CAE97系统的组织结构这一阶段开发的软件由于数学模型和算法的局限性，无论是国外的ＭＦ和C_Flow，还是国内的HS_CAE97都存在着以下缺点和问题：
（１）尽管所有软件都采用了三维可视化技术，但这些软件所基于的数学模型在实质上都是二维模型。由于数学模型过于简化，导致分析结果不精确，在许多情况下所获得的分析结果只能定性植荒芏量，翘曲分析软件便成为无源之水。
（２）由于算法的局限性，流动、保压及冷却软件均需采用中性面来分析。所谓中性面是假想的位于模具型腔和型芯中间的层面，用户直接由塑料制品来构造中性面已深感困难，若依据型腔和型芯图形来生成中性面则更是难旨幽选３て谝岳矗中性面的生成一直是运行注射过程分析软件的拦路虎。
（３）运行流动和冷却分析软件时，必须事先知道模具浇注系统和冷却系统的布置方案和注射工艺条件，在缺少这些初始数据的情况下，分析软件的使用价值和效率便大打折扣，单纯依靠尝试法即使是反复运行这些分析软件也不一定能获得合适的技术方案和工艺条件。
（４）这些独立开发的分析软件的曲面造型和编辑功能具有相当的局限性，其造型的方便程度和应用的覆盖面远不能和著名的商品化CAD/CAM系统（如Pro_E、CADDS5、UGⅡ）相比。
（５）由商椿疌AD/CAM软件生成的塑料制品几何模型或型腔与型芯的几何模型一般都不能自动生成中性面，二次输入不可避免，为此常要耗费用户大量的精力和时间。
３二维模具设计软件与分析软件的集成
近１０年来，计算机绘图和自动编程技术在模具界的普及程丛嚼丛礁撸在CAD/CAM技术日新月异的９０年代，人们已不满足仅将计算机作为绘图和编程的工具，而迫切希望在同一软件环境下，既要有绘图功能，又要有设计、计算、分析和加工的功能，模具CAD/CAM/CAE的集成系统便应运而生。华中理工大学模具技术国家重点实验室在成功开发注射过捶治瞿Ｄ馊砑的基础上，采用在塑料模具界应用最为广泛的商品化二维软件AutoCAD，实现了二维模具设计软件与模拟软件的集成。HSCAD 2.0的全部程序均是在AutoCAD提供的ＡＤＳ开发平台上采用Ｃ语言编写的，为用户提供了统一的人机界面，除了AutoCAD本身的功能外， HSCAD 2.0包括茨＞呓峁股杓谱酉低场⒔峁辜肮ひ詹问计算校核子系统、塑料注射流动、保压与冷却模拟子系统、数控线切割编程子系统、建库工具和设计进程管理等模块，所以程序均能在AutoCAD的环境下集成运行。图２所示为HSCAD 2.0的结构框图。
HSCAD 2.0主要功能表现在以下５个方面：
（１） 方便实用的图形输入方式。系统提供了一种基于图形尺寸的输入法，借助尺寸叠加，可实现制品至型腔图或型芯图的自动转换。
（２）灵活多样的参数化设计过程。在HSCAD 2.0中参数化方法贯穿于模具结构设计的始终。
（３）构思新颖的建库工具。用户能方便地建立和修改符合本厂特点的材料库、模架库和图库，新颖性的两大标志是模架结构的参数化和模架零件的关联性。
（４）理论与实践相结合的计算校核功能。HSCAD 2.0在采用有关理论计算公式的同时，又充分考虑到实践中被证明为行之有效的经验公式和实践原则，开发出别具一格的模具刚度校核、模具成本计算、推出系统计算、注射机校核、型腔数目计算、冷却系统和浇注系统计算等软件，供用户在设计过程中随时调用。
（５）与模具结构CAD集成的塑料注射成型过程模拟。
第二阶段的HSCAE 2.0软件在以下方面独树一帜:
（１）运行HSCAE 2.0能获得浇注系统、冷却系统、模具结构方案、注射工艺条件等初始数据，为成功地实施注射过程模拟创造了良好的条件。
（２）根据HSCAE 2.0生成的型腔图和型芯图，可方便地产生运行模拟软件所需的三角形网格.避免了几何模型的二次输入。
（３）扩大了软件功能，由单纯的过程模拟发展到模具结构设计、线切割加工和注射过程模拟的集成。
但是，第二阶段开发的HSCAE 2.0软件仍有以下不足:
（１）采用型腔面和型芯面来进行网格划分，虽然避免了构造中性.的难题，但是影响了分析精度，采用这种简化方法来确立模具的浇注系统和冷却系统是合适的，但不能用来进行翘曲分析。
（２）流动过程模拟数学模型依然是二维模型。
（３）由于AutoCAD曲面造型的能力较弱，限制了HSCAE 2.0的应用范围。
（４）三维建模、二维设计的模式无法适应新一代注射模拟软件发展的需要。
４ 三维模具设计和制造软件与模拟软件的集成
所谓新一代注射模软件，是利用计算机集成制造技术（CIM）建立的注射模集成制造系统（ＣＩＭＳ），这种高度集成的系统应能支持模具设计与制造的全过程，因此三维几何建模和三维模具设计与制造的应用至关重要。在９０年代，西方先进工业国已将商品化CAD/CAM系统与注射过程模拟软件进行了初步集成，并取得了显著成效。但是，无论是CADDS5、UGⅡ，还是Pro_E，在开发之初都是作为通用机械设计与制造工具来构５模并不针对塑料模具，因此在使用这些通用ＣＡＤ软件设计塑料模具时会感到效率低下、操作繁琐、功能短缺。为此，近年来发展的趋势是开发新一代的注射模CAD/CAM专用系统，或者是在CAD/CAM通用系统的基础上进行有针对性的二次开发。例如Technocal公司开发的专用系统CAMold软件，能使注射模设计的许多常规工作自动化， CAMold软件建立了注射模各部件之间的关系模型，能自动装配和修改注射模的结构和尺寸。再如ParametricTech公司在Pro_E软件的基础上开发了用于注射模设计的专用软件Pro/Moldesign，初步实现了模具结构设计、注射流动过程模拟和注射模开合动作仿真的集成。鉴于我国的国情和我校在机械ＣＡＤ方面的雄厚实力，在注射模软件开发的第三阶段，选择了在我校自主开发的三维参数化特征造型CAD/CAM系统InteSolid 1.0上研制新一代注射模集成化制造系统。
新系统的主要功能和特点如下：
（１）三维实体造型能力。在二维草图设计基础上，可交互生成三维实体并能方便地提取实体的表面信息，以便网格的自动剖分。
（２）三维参数化功能。三维实体与二维视图互相关联，在设计过程中可随意更改三维实体或任一视图的尺寸，该尺寸的更改会导致三维实体和所有视图的自动变化。
（３）可视化功能。可随时对三维图形进行着色和渲染，并能进行消隐处理和零部件的干涉检查。
（４）采用特征造型的方法。可随时定义实体的特征，为进一步实现智能化的集成系统创造良好的条件。
（５）三维真实感流动模拟。无需用户定义中性面，直接在三维实体模型上进行流动过程仿真。
（６）三维参数化模具结构设计与仿真。新的设计方法将从根本上改变二维视图的手工设计传统，使模具设计过程更直观、方便，已装配的模具零件随时可进行开合、抽芯、顶推动作的动态仿真。
（７）３～５轴铣削加工指令生成及铣削过程仿真。