基于NX的注塑模架設計系統

劉 皓，金 薇

（1.湖北汽車工業學院 機械工程學院，湖北 十堰 442000；2.江蘇省儀征中學，江蘇 儀征 211400）

注塑模的模架通常指由各類模板、導柱、回針等零件組成的裝配體，模架中一般集成有成型零件、頂出系統零件和冷卻系統零件。作為注塑模具三維實體設計中的關鍵一步，它是后續設計的重要前提和基礎，也是影響產品整體設計生產周期的重要因素[1]。

計算機輔助設計（Computer Aided Design, CAD）、NX等通用軟件平臺雖然能為使用者們提供強大的幾何造型功能，但是對于注塑模等專業領域的設計仍然需要設計人員花費大量時間和精力進行設計意圖的表達，造成了設計周期過長、對設計經驗過度依賴等問題，明顯不適應競爭激烈的市場環境[2]。本文通過對注塑模架建模設計過程進行分析，總結目前常用龍記標準模架結構特征，采取程序模板法直接建模，并通過NX二次開發技術和Visual Studio2019軟件工具成功開發了注塑模架自動設計系統，實現了模具三維模型的快速建模。

1 知識工程與程序法建模

1.1 知識工程

知識工程（Knowledge Based Engineering, KBE）就是以領域知識和經驗為基礎，借助現代科學技術建立具體行業或公司的專家知識庫系統，并在知識的驅動、繁衍下對設計方案或問題自動求解，以實現更高的設計效率[3]。簡單地說，KBE是領域專家智慧與經驗的提取與表達、繼承與應用及管理與創新，是CAX（CAD, CAE, CAM的統稱）技術與人工智能（Artificial Intelligence, AI）技術的集成[4]。

過去由于未能對已有知識經驗的管理和運用給予足夠重視，所以造成了企業重要資源的嚴重浪費，但在競爭日益激烈的今天情況正在逐漸轉變。運用知識工程有效管理企業在工程實踐中長期積累的寶貴經驗，進而開發能夠提升設計效率和產品質量的專用設計系統成了主流趨勢和有效方法。

1.2 程序建模法

在現有的注塑模架設計系統中常用的建模方法主要有圖形模板法和電子表格法兩種，這兩種方法不僅原理簡單，而且門檻低、容易開發[5-6]，但忽略了使用者實際工作中的習慣和體會：

1）對數據庫過度依賴且無法保證充分表達模型特征。注塑模架結構復雜、種類繁多，如果每種零件都要依靠從數據庫中調取圖形或表格模板，則勢必會造成數據庫的臃腫；其次螺絲釘的有無、導柱在前模或后模位置等細節信息不但不便于充分表達，還會給數據庫建模工作帶來巨大的工作量。

2）設計過程中需要大量反復“殺參”。由于約束關系的存在導致任何單個參數修改都會對其他部分產生影響，設計師們為了能夠及時對單個零件或整體結構進行調整，要進行大量去除參數的操作，尤其是在設計快結束的最后關頭，如果忘記“殺參”步驟，就可能會出現錯位等情況，導致整個方案前功盡棄。

本文新采用的程序建模方法不但可以按照實際設計思維對建模過程進行交互式輸入操作，精準表達設計師意圖和細節信息，還具備適用復雜形狀模型、系統穩定可靠等優點。

程序建模法是開發者利用編程程序指定建模零件的類型、結構、規格等信息，通過NX/OPEN二次開發工具的編程接口直接建立所需零件的三維模型。簡而言之就是借助計算機進行程序運算來輔助設計者的思維決策，從而避免不必要的重復勞動，實現設計效率提升[7]。

2 注塑模架設計分析

注塑模零件主要可以分為兩大類，即標準件和非標準件，標準件是國家或行業已經做出明確規定的零件，市場上可以隨時購買得到。我們只需要將標準件編入專用設計系統庫中，設計時對其規格進行選擇并直接調用即可，省略重復繪圖步驟；非標準件則是設計者綜合基本信息、工藝任務要求和設計經驗通過相應的設計理論和邏輯步驟創建出來的零部件。

非標準件又具體分為成型零件和非成型零件（圖1），成型零件主要通過提取產品制件的形狀特征設計而來；非成型零件則由于結構、尺寸、企業內部規范等諸多因素的要求和限制，無法形成完全統一的標準規范，但如果針對常用的典型部件開發示范重用庫，那么就可以在示范部件的基礎上快速修改得到所需部件，提升了設計效率。該理論也成為各種專用設計系統能夠實現效率提升的重要理論依據。

圖1 注塑模零件分類

2.1 模架結構與型號設計

根據由內及外、從主到次的設計順序，設計人員一般會將模仁等成型零件設計好后，再通過相對參數概念計算模板長、寬的尺寸參數，并對模架進行設計，設計模架時設計人員的邏輯步驟：首先確定模架標準、模架型號、模架尺寸規格等主體信息；隨后再確定各模板厚度、導柱位置、AB板間隙等其他次要參數。所以本文在設計系統人機交互界面時著重考慮上述設計思維和經驗開發合適的專用設計系統。

目前世界注塑模的標準主要分為四類，分別是美國的DME標準、日本的MISUMI標準、德國的HASCO標準和中國的LKM標準。龍記（LKM）模架根據澆注方式的不同可分為大水口、細水口和簡化細水口三大類，每大類又根據不同結構形式分為多種型號如無水口板的ECI、ECH，有水口推板的FCI、FCH等常用型號（圖2），且同一結構型號中包含1515—5055眾多尺寸規格不同的模架。雖然規格眾多但仔細分析這些模架特點不難發現：

圖2 注塑模架分類

1）水口板或推板的有無可以通過程序的編寫快速實現，而不論哪種型號的模架，其首要的特征區別就是工字型與直身型兩類結構區別。

分析圖3可以發現，工字模在結構特征以及板類零件順序上與直身模相同，但是在板類零件的尺寸上卻不相同。工字模的面板與底板的長、寬相等，但水口板的長、寬尺寸只與A板、B板的長寬相等；反觀直身模，面板、底板的長、寬尺寸與水口板、A板、B板的長、寬尺寸相同。所以在編程時，為了能夠充分體現兩者區別應該考慮使用IF條件語句對于以上兩種類型模架進行詳細區分，同時對兩種類型模架的數據模板分別編程以確保生成三維模型的精準性。

圖3 龍記標準模架類型

2）同種類型號的模架即使擁有眾多的尺寸規格，但其本質的結構形式是相同的，只是尺寸上做了些調整。一般只需要提取模架主要模板的長、寬數值就能精準地確定該模架。所以在編程時，利用參數化思想只需要提取零件的主要參數并對其進行編程就能通過界面的修改和選擇得到自己所需要的模架，無需將所有尺寸規格都表示出來，這為編程節省了很大的工作量。

3）模架的整體結構特征相同，都主要由板類零件（面板、A板、B板、方鐵、底板），導向元件（導柱、導套），螺絲等部分組成；而且各類零件的相對位置關系及次序都較為固定，這些為編程時的設計方法和板類零件建模順序提供了重要參考依據。

4）當模架的相對參數確定后，各模板基本信息和空間位置也可以通過坐標計算隨之確定。程序法建立模板時主要依靠坐標運算方法，注塑模架中所有實體的三維模型創建和空間位置關系都要以坐標計算作為基礎；同時選擇可靠的計算基點是坐標計算的重中之重，本文選擇以坐標原點為基準。因為在注塑模設計中不管產品和模具發生拉伸、旋轉、偏置等何種變換其在模具中的位置都始終固定不變，十分可靠。

如圖4所示，當巧妙利用坐標原點作為基準點時，模板長度方向坐標和寬度方向坐標就可以利用相對參數計算出的數值直接表示：長度坐標= -模架長度數值（L）/2；寬度坐標=-模架寬度數值（W）/2；高度坐標為各板類零件厚度數值相加，如：

圖4 二維截面圖

帶水口板類的模架面板高度坐標=原點坐標＋A板厚度值＋水口板厚度值；

水口板高度坐標值=原點坐標＋A板厚度值；

A板高度坐標=原點坐標0；

B板高度坐標=原點坐標-B板厚度值；

承板高度坐標=原點坐標-B板厚度值-承板厚度值；

方鐵高度坐標=原點坐標-B板厚度值-承板厚度值-方鐵厚度值；

頂針面板高度坐標=原點坐標-B板厚度值-承板厚度值-方鐵厚度值＋頂針底板厚度值＋垃圾釘高度值；

頂針底板高度坐標=原點坐標-B板厚度值-方鐵厚度值-承板厚度值＋垃圾釘高度值；

底板高度坐標=原點坐標-B板厚度值-方鐵厚度值-承板厚度值-底板厚度值。

2.2 模架主要參數選擇

除了極少數需要定制的特殊情況，目前在使用中的大部分常用模架都已經實現了標準化，標準模架優點在于不但可以縮短生產周期，降低成本，而且買來即用，互換性強；同時訂購便捷，只需向廠家提供少數幾個重要參數即可得到所需模架。其訂購方式如下：龍記模架，FCI-3535-A70- B100-C100。

FCI表示模架型號為簡化細水口，帶水口板的工字型模架；3535表示模架長度和寬度各為 350 mm；A70則表示模架A板厚度為70 mm；B100表示B板厚度為100 mm；C100表示C板的厚度為100 mm。

當以上參數明確時，雖然可以使用這些信息搭建起模架的主體框架，但是在專用設計系統中僅憑以上幾組參數并不能夠精確生成我們所需要的三維模型，其他參數信息也求設計者給出具體數值后計算機才能生成正確的三維模型。其他參數包括：

1）AB板間距。AB板之間留有間隙，一是為了方便成型時排氣；二為了能夠更好封膠防止跑邊，當AB板有間距時，合模的壓力才能全部作用于內模仁上，使得模具承受巨大注塑壓力的同時不出現漏膠跑膠問題；三是為了更好地保護模仁。在設計中常會出現模仁低于模板的情況，AB板間留有間距就可以防止頻繁的開模、合模過程對模具零件造成異常磨損；此外AB板間隙的大小還會影響模板的厚度參數。

2）垃圾釘高度。垃圾釘的作用主要是為了減少頂針底板和下底板之間的接觸面積，避免因為垃圾和灰塵的存在而導致兩板之間合模不到位造成成型產品的精度誤差；同時垃圾釘的存在還可以為頂針板增加支點，防止模具變形；此外由坐標計算法可知，頂針面板、頂針底板、底板的高度坐標會受到垃圾釘高度值的影響，空間位置也會隨著垃圾釘高度的變化而變化，故在主要參數中必須標明該參數數值。

3）導柱位置。導向機構的作用就是保證前后模在滑動開閉時能夠始終保持在正確的位置上，防止模架發生偏移。而導柱在前后模的位置需要設計人員根據產品和設計等信息來最終確定，并非一成不變的。

4）是否需要中托司。中托司可以為頂針板的頂出與退回提供導向作用，同時能夠保護頂針減少磨損。中托司的有無受很多其他因素的影響，設計人員還是要綜合實際設計需要、企業內部執行標準、任務書要求以及模具成本等變量因素的綜合考慮。

2.3 其他細節參數設置

上述主要參數在構成整個模架主體的同時保證了生成模架的準確性，滿足了設計需求。可是經過研究發現，目前所有模架快速設計系統的關注點都只局限在主要參數上，對其他一些細節參數充耳不聞。這些細節參數不僅是專家多年設計經驗的總結和升華，同時也能在一定程度上提升模具設計的效率。

在模具設計過程中，模架生成后，有經驗的設計人員會立刻將模具的零件分別設置成不同的顏色以便區分，還會將不同零件按照個人習慣或公司統一標準歸類到相應的圖層中。圖層與顏色的設置極大地幫助了我們區分和設置模具零件，尤其是在對單個零件做修改的情況，如果不使用圖層分類，就要對每個零件重復使用隱藏和顯示命令，操作繁瑣效率低下；而且常常會出現零件多改、漏改等操作，影響了模具設計的質量。

在設計結束時，有些設計人員會對模架進行一些細節處理，如：設置撬模角、模坯倒角等。這些細節雖然不會影響模具的生產與使用，但是能讓模具更加美觀，為模具在加工和生產帶來便捷，更是一名優秀設計人員工作素養和豐富經驗的體現。所以本文在總結設計知識和經驗的同時創新性地添加了相應的細節參數，以降低設計人員對設計經驗的依賴。

3 模架設計系統開發

3.1 應用系統開發流程

本文首先運用NX/Open Menu Script模塊編譯個人所需的菜單文件；隨后通過選用VB語言和Visual Studio2019編輯軟件根據上文分析編譯自定義對話框界面以及模架程序文件，同時經過與NX平臺連接對代碼不斷進行修改、調試，并最終生成符合條件的動態鏈接庫文件（Dynamic Link Library, DLL）文件；最后將DLL文件與NX平臺集成就能在建模環境中生成自己所需要的模架設計系統。流程圖如圖5所示。

圖5 應用系統開發流程

3.2 菜單設計

菜單的設計可以根據用戶自己的個性化需求來創建，并在工程目錄文件夾Start up下建立一個.men格式的文本文件。文件主要代碼如下所示：

當菜單設計文件編程完，此時的NX平臺并不能識別此文件，需要對平臺進行路徑設置后（即環境變量的設置）NX平臺的菜單欄中才能夠顯示我們所設計的菜單系統。環境變量的設置有兩種方法：文件配置法和創建環境變量法。

文件配置法就是在NX安裝目錄下的custom_ dirs.dat文件中添加用戶路徑，如添加D:caidan，并點擊保存即可。但是由于空格或標點符號的存在方法一時常會存在報錯的情況，所以本文采用創建環境變量法來實現路徑的設置。創建環境變量法具體步驟是點擊個人電腦的屬性→高級設置→環境變量設置中新建變量名與變量值即可，如圖6所示。

圖6 創建環境變量法

3.3 對話框設計

對話框的設計可以通過內外兩種方法實現。方法一：通過內部NX/Open UlStyler模塊直接創建界面設計（User Interface Design, UI）對話框。該方法的優點在于能借助NX的可視化UI界面編輯器創建出與平臺本身風格環境一致的對話框，不僅與NX平臺的融合度高同時還能自動生成對話框文件（.dlx）、頭文件（.hpp）和源文件（.cpp）減輕了編程人員的工作量，用戶只需要在函數固定格式中添加相應的代碼即可。但內部法存在客戶自定義化、個性化不足的缺點，尤其是遇到類似注塑模架這種涉及尺寸規格、分類標準較多的情況時，UI界面所對應的標簽、控件、參數文本框等內容也會相應增加，造成其界面操作繁瑣同時會給人帶來界面繁雜凌亂的映像。為了保證系統操作的簡便性，同時為了能夠在有限界面中集成所有需要的參數文本框，本文采用方法二。

方法二是選用其他合適的編程語言完成對話框設計后再由NX平臺運行，本文就是通過VB語言以及Visual Studio2019編程軟件建立一個滿足客戶自己需求的對話框。與其他設計系統使用的C語言相比，VB語言更加簡單易學、好理解，是推廣最早的一種語言[8]。作為一種強大的設計語言，它的普適性非常廣，基本能夠完成所有編程任務；其采用面向對象的程序設計方法使得設計過程能夠看見界面的實際效果，使得系統設計變得更加可控；同時該語言采用事件驅動編程機制，可以將工程設計過程中的長串代碼分解成主程序加子程序的執行順序，這樣對于模架的分類編程和資源文件的集中管理都十分便利、清晰。

對話框的編輯要能夠陳列出常用模架的各種類型，以及各型號中的所有尺寸規格和零件關鍵參數，在開發人機交互界面前需要先收集好模架關鍵參數，并將上述總結分析在界面中體現[9]。對話框部分編程代碼和人機交互界面如圖7所示。

圖7 對話框界面圖

3.4 模架程序設計

雖然注塑模的模架部分從整體上看是一個綜合性的裝配體，但是在NX建模環境中可以將其看作是一個個不同類型零件通過布爾運算組合而成的[10]。同樣在程序法建模時也可以將模架看成是程序創建的模板，按照坐標計算得出的空間位置組合而成的裝配模型。

在創建模架編程文件時除了上述分析外還要注意，為保證位置的準確性、降低出錯概率，建議選用同一個坐標系作為基準；巧妙利用各種求差、求和、求交、IF等函數工具。對函數工具的合理使用，不但可以得到準確的模架，還能減少對參數的變更和開發人員編程的工作量。部分代碼如下：

3.5 模架程序法設計效果

以某次模架設計為例，在模架設計系統的會話框中先選擇模架型號及尺寸，如簡化細水口-FCI-3535，隨后在模板參數中確定或修改文本對話框中各模板參數，以及在復選框中勾選是否需要撬模角、模坯倒角等內容參數，在位圖中確認是否為自己所需要的模架類型后，點擊確定按鈕即可在1 min內生成模架，如圖8所示。

圖8 簡化細水口FCI模架效果圖

4 結語

本文以知識工程技術為基礎提出專用設計系統的研發思路，以模具零件分類為理論依據確定哪類零件可以通過設計重用來實現效率提升；隨后通過對常用注塑模架特征分析和設計經驗總結，在NX平臺基礎上使用程序建模法開發出了注塑模架專用設計系統。

該注塑模架專用設計系統與NX平臺能有機融合，操作界面符合當下設計人員的使用習慣，操作簡單易上手；將所有模架類型編入系統中以 供用戶隨時調用，避免了重復性建模工作，將原先60 min的設計工作壓縮至5 min以內完成，顯著縮短了模具設計周期；其次將提取的專家知識經驗融入系統中，使得模具的設計質量得到有效提升，并降低了用戶對經驗的依賴程度，使得知識得到有效繼承；最后，該注塑模架專用設計系統的研發為其他零件快速設計系統的開發提供了參考和依據。