刘 皓，金 薇
（1.湖北汽车工业学院 机械工程学院，湖北 十堰 442000；
2.江苏省仪征中学，江苏 仪征 211400）
注塑模的模架通常指由各类模板、导柱、回针等零件组成的装配体，模架中一般集成有成型零件、顶出系统零件和冷却系统零件。作为注塑模具三维实体设计中的关键一步，它是后续设计的重要前提和基础，也是影响产品整体设计生产周期的重要因素[1]。
计算机辅助设计（Computer Aided Design, CAD）、NX等通用软件平台虽然能为使用者们提供强大的几何造型功能，但是对于注塑模等专业领域的设计仍然需要设计人员花费大量时间和精力进行设计意图的表达，造成了设计周期过长、对设计经验过度依赖等问题，明显不适应竞争激烈的市场环境[2]。本文通过对注塑模架建模设计过程进行分析，总结目前常用龙记标准模架结构特征，采取程序模板法直接建模，并通过NX二次开发技术和Visual Studio2019软件工具成功开发了注塑模架自动设计系统，实现了模具三维模型的快速建模。
1.1 知识工程
知识工程（Knowledge Based Engineering, KBE）就是以领域知识和经验为基础，借助现代科学技术建立具体行业或公司的专家知识库系统，并在知识的驱动、繁衍下对设计方案或问题自动求解，以实现更高的设计效率[3]。简单地说，KBE是领域专家智慧与经验的提取与表达、继承与应用及管理与创新，是CAX（CAD, CAE, CAM的统称）技术与人工智能（Artificial Intelligence, AI）技术的集成[4]。
过去由于未能对已有知识经验的管理和运用给予足够重视，所以造成了企业重要资源的严重浪费，但在竞争日益激烈的今天情况正在逐渐转变。运用知识工程有效管理企业在工程实践中长期积累的宝贵经验，进而开发能够提升设计效率和产品质量的专用设计系统成了主流趋势和有效方法。
1.2 程序建模法
在现有的注塑模架设计系统中常用的建模方法主要有图形模板法和电子表格法两种，这两种方法不仅原理简单，而且门槛低、容易开发[5-6]，但忽略了使用者实际工作中的习惯和体会：
1）对数据库过度依赖且无法保证充分表达模型特征。注塑模架结构复杂、种类繁多，如果每种零件都要依靠从数据库中调取图形或表格模板，则势必会造成数据库的臃肿；
其次螺丝钉的有无、导柱在前模或后模位置等细节信息不但不便于充分表达，还会给数据库建模工作带来巨大的工作量。
2）设计过程中需要大量反复“杀参”。由于约束关系的存在导致任何单个参数修改都会对其他部分产生影响，设计师们为了能够及时对单个零件或整体结构进行调整，要进行大量去除参数的操作，尤其是在设计快结束的最后关头，如果忘记“杀参”步骤，就可能会出现错位等情况，导致整个方案前功尽弃。
本文新采用的程序建模方法不但可以按照实际设计思维对建模过程进行交互式输入操作，精准表达设计师意图和细节信息，还具备适用复杂形状模型、系统稳定可靠等优点。
程序建模法是开发者利用编程程序指定建模零件的类型、结构、规格等信息，通过NX/OPEN二次开发工具的编程接口直接建立所需零件的三维模型。简而言之就是借助计算机进行程序运算来辅助设计者的思维决策，从而避免不必要的重复劳动，实现设计效率提升[7]。
注塑模零件主要可以分为两大类，即标准件和非标准件，标准件是国家或行业已经做出明确规定的零件，市场上可以随时购买得到。我们只需要将标准件编入专用设计系统库中，设计时对其规格进行选择并直接调用即可，省略重复绘图步骤；
非标准件则是设计者综合基本信息、工艺任务要求和设计经验通过相应的设计理论和逻辑步骤创建出来的零部件。
非标准件又具体分为成型零件和非成型零件（图1），成型零件主要通过提取产品制件的形状特征设计而来；
非成型零件则由于结构、尺寸、企业内部规范等诸多因素的要求和限制，无法形成完全统一的标准规范，但如果针对常用的典型部件开发示范重用库，那么就可以在示范部件的基础上快速修改得到所需部件，提升了设计效率。该理论也成为各种专用设计系统能够实现效率提升的重要理论依据。
图1 注塑模零件分类
2.1 模架结构与型号设计
根据由内及外、从主到次的设计顺序，设计人员一般会将模仁等成型零件设计好后，再通过相对参数概念计算模板长、宽的尺寸参数，并对模架进行设计，设计模架时设计人员的逻辑步骤：首先确定模架标准、模架型号、模架尺寸规格等主体信息；
随后再确定各模板厚度、导柱位置、AB板间隙等其他次要参数。所以本文在设计系统人机交互界面时着重考虑上述设计思维和经验开发合适的专用设计系统。
目前世界注塑模的标准主要分为四类，分别是美国的DME标准、日本的MISUMI标准、德国的HASCO标准和中国的LKM标准。龙记（LKM）模架根据浇注方式的不同可分为大水口、细水口和简化细水口三大类，每大类又根据不同结构形式分为多种型号如无水口板的ECI、ECH，有水口推板的FCI、FCH等常用型号（图2），且同一结构型号中包含1515—5055众多尺寸规格不同的模架。虽然规格众多但仔细分析这些模架特点不难发现：
图2 注塑模架分类
1）水口板或推板的有无可以通过程序的编写快速实现，而不论哪种型号的模架，其首要的特征区别就是工字型与直身型两类结构区别。
分析图3可以发现，工字模在结构特征以及板类零件顺序上与直身模相同，但是在板类零件的尺寸上却不相同。工字模的面板与底板的长、宽相等，但水口板的长、宽尺寸只与A板、B板的长宽相等；
反观直身模，面板、底板的长、宽尺寸与水口板、A板、B板的长、宽尺寸相同。所以在编程时，为了能够充分体现两者区别应该考虑使用IF条件语句对于以上两种类型模架进行详细区分，同时对两种类型模架的数据模板分别编程以确保生成三维模型的精准性。
图3 龙记标准模架类型
2）同种类型号的模架即使拥有众多的尺寸规格，但其本质的结构形式是相同的，只是尺寸上做了些调整。一般只需要提取模架主要模板的长、宽数值就能精准地确定该模架。所以在编程时，利用参数化思想只需要提取零件的主要参数并对其进行编程就能通过界面的修改和选择得到自己所需要的模架，无需将所有尺寸规格都表示出来，这为编程节省了很大的工作量。
3）模架的整体结构特征相同，都主要由板类零件（面板、A板、B板、方铁、底板），导向元件（导柱、导套），螺丝等部分组成；
而且各类零件的相对位置关系及次序都较为固定，这些为编程时的设计方法和板类零件建模顺序提供了重要参考依据。
4）当模架的相对参数确定后，各模板基本信息和空间位置也可以通过坐标计算随之确定。程序法建立模板时主要依靠坐标运算方法，注塑模架中所有实体的三维模型创建和空间位置关系都要以坐标计算作为基础；
同时选择可靠的计算基点是坐标计算的重中之重，本文选择以坐标原点为基准。因为在注塑模设计中不管产品和模具发生拉伸、旋转、偏置等何种变换其在模具中的位置都始终固定不变，十分可靠。
如图4所示，当巧妙利用坐标原点作为基准点时，模板长度方向坐标和宽度方向坐标就可以利用相对参数计算出的数值直接表示：长度坐标= -模架长度数值（L）/2；
宽度坐标=-模架宽度数值（W）/2；
高度坐标为各板类零件厚度数值相加，如：
图4 二维截面图
带水口板类的模架面板高度坐标=原点坐标＋A板厚度值＋水口板厚度值；
水口板高度坐标值=原点坐标＋A板厚度值；
A板高度坐标=原点坐标0；
B板高度坐标=原点坐标-B板厚度值；
承板高度坐标=原点坐标-B板厚度值-承板厚度值；
方铁高度坐标=原点坐标-B板厚度值-承板厚度值-方铁厚度值；
顶针面板高度坐标=原点坐标-B板厚度值-承板厚度值-方铁厚度值＋顶针底板厚度值＋垃圾钉高度值；
顶针底板高度坐标=原点坐标-B板厚度值-方铁厚度值-承板厚度值＋垃圾钉高度值；
底板高度坐标=原点坐标-B板厚度值-方铁厚度值-承板厚度值-底板厚度值。
2.2 模架主要参数选择
除了极少数需要定制的特殊情况，目前在使用中的大部分常用模架都已经实现了标准化，标准模架优点在于不但可以缩短生产周期，降低成本，而且买来即用，互换性强；
同时订购便捷，只需向厂家提供少数几个重要参数即可得到所需模架。其订购方式如下：龙记模架，FCI-3535-A70- B100-C100。
FCI表示模架型号为简化细水口，带水口板的工字型模架；
3535表示模架长度和宽度各为 350 mm；
A70则表示模架A板厚度为70 mm；
B100表示B板厚度为100 mm；
C100表示C板的厚度为100 mm。
当以上参数明确时，虽然可以使用这些信息搭建起模架的主体框架，但是在专用设计系统中仅凭以上几组参数并不能够精确生成我们所需要的三维模型，其他参数信息也求设计者给出具体数值后计算机才能生成正确的三维模型。其他参数包括：
1）AB板间距。AB板之间留有间隙，一是为了方便成型时排气；
二为了能够更好封胶防止跑边，当AB板有间距时，合模的压力才能全部作用于内模仁上，使得模具承受巨大注塑压力的同时不出现漏胶跑胶问题；
三是为了更好地保护模仁。在设计中常会出现模仁低于模板的情况，AB板间留有间距就可以防止频繁的开模、合模过程对模具零件造成异常磨损；
此外AB板间隙的大小还会影响模板的厚度参数。
2）垃圾钉高度。垃圾钉的作用主要是为了减少顶针底板和下底板之间的接触面积，避免因为垃圾和灰尘的存在而导致两板之间合模不到位造成成型产品的精度误差；
同时垃圾钉的存在还可以为顶针板增加支点，防止模具变形；
此外由坐标计算法可知，顶针面板、顶针底板、底板的高度坐标会受到垃圾钉高度值的影响，空间位置也会随着垃圾钉高度的变化而变化，故在主要参数中必须标明该参数数值。
3）导柱位置。导向机构的作用就是保证前后模在滑动开闭时能够始终保持在正确的位置上，防止模架发生偏移。而导柱在前后模的位置需要设计人员根据产品和设计等信息来最终确定，并非一成不变的。
4）是否需要中托司。中托司可以为顶针板的顶出与退回提供导向作用，同时能够保护顶针减少磨损。中托司的有无受很多其他因素的影响，设计人员还是要综合实际设计需要、企业内部执行标准、任务书要求以及模具成本等变量因素的综合考虑。
2.3 其他细节参数设置
上述主要参数在构成整个模架主体的同时保证了生成模架的准确性，满足了设计需求。可是经过研究发现，目前所有模架快速设计系统的关注点都只局限在主要参数上，对其他一些细节参数充耳不闻。这些细节参数不仅是专家多年设计经验的总结和升华，同时也能在一定程度上提升模具设计的效率。
在模具设计过程中，模架生成后，有经验的设计人员会立刻将模具的零件分别设置成不同的颜色以便区分，还会将不同零件按照个人习惯或公司统一标准归类到相应的图层中。图层与颜色的设置极大地帮助了我们区分和设置模具零件，尤其是在对单个零件做修改的情况，如果不使用图层分类，就要对每个零件重复使用隐藏和显示命令，操作繁琐效率低下；
而且常常会出现零件多改、漏改等操作，影响了模具设计的质量。
在设计结束时，有些设计人员会对模架进行一些细节处理，如：设置撬模角、模坯倒角等。这些细节虽然不会影响模具的生产与使用，但是能让模具更加美观，为模具在加工和生产带来便捷，更是一名优秀设计人员工作素养和丰富经验的体现。所以本文在总结设计知识和经验的同时创新性地添加了相应的细节参数，以降低设计人员对设计经验的依赖。
3.1 应用系统开发流程
本文首先运用NX/Open Menu Script模块编译个人所需的菜单文件；
随后通过选用VB语言和Visual Studio2019编辑软件根据上文分析编译自定义对话框界面以及模架程序文件，同时经过与NX平台连接对代码不断进行修改、调试，并最终生成符合条件的动态链接库文件（Dynamic Link Library, DLL）文件；
最后将DLL文件与NX平台集成就能在建模环境中生成自己所需要的模架设计系统。流程图如图5所示。
图5 应用系统开发流程
3.2 菜单设计
菜单的设计可以根据用户自己的个性化需求来创建，并在工程目录文件夹Start up下建立一个.men格式的文本文件。文件主要代码如下所示：
当菜单设计文件编程完，此时的NX平台并不能识别此文件，需要对平台进行路径设置后（即环境变量的设置）NX平台的菜单栏中才能够显示我们所设计的菜单系统。环境变量的设置有两种方法：文件配置法和创建环境变量法。
文件配置法就是在NX安装目录下的custom_ dirs.dat文件中添加用户路径，如添加D:caidan，并点击保存即可。但是由于空格或标点符号的存在方法一时常会存在报错的情况，所以本文采用创建环境变量法来实现路径的设置。创建环境变量法具体步骤是点击个人电脑的属性→高级设置→环境变量设置中新建变量名与变量值即可，如图6所示。
图6 创建环境变量法
3.3 对话框设计
对话框的设计可以通过内外两种方法实现。方法一：通过内部NX/Open UlStyler模块直接创建界面设计（User Interface Design, UI）对话框。该方法的优点在于能借助NX的可视化UI界面编辑器创建出与平台本身风格环境一致的对话框，不仅与NX平台的融合度高同时还能自动生成对话框文件（.dlx）、头文件（.hpp）和源文件（.cpp）减轻了编程人员的工作量，用户只需要在函数固定格式中添加相应的代码即可。但内部法存在客户自定义化、个性化不足的缺点，尤其是遇到类似注塑模架这种涉及尺寸规格、分类标准较多的情况时，UI界面所对应的标签、控件、参数文本框等内容也会相应增加，造成其界面操作繁琐同时会给人带来界面繁杂凌乱的映像。为了保证系统操作的简便性，同时为了能够在有限界面中集成所有需要的参数文本框，本文采用方法二。
方法二是选用其他合适的编程语言完成对话框设计后再由NX平台运行，本文就是通过VB语言以及Visual Studio2019编程软件建立一个满足客户自己需求的对话框。与其他设计系统使用的C语言相比，VB语言更加简单易学、好理解，是推广最早的一种语言[8]。作为一种强大的设计语言，它的普适性非常广，基本能够完成所有编程任务；
其采用面向对象的程序设计方法使得设计过程能够看见界面的实际效果，使得系统设计变得更加可控；
同时该语言采用事件驱动编程机制，可以将工程设计过程中的长串代码分解成主程序加子程序的执行顺序，这样对于模架的分类编程和资源文件的集中管理都十分便利、清晰。
对话框的编辑要能够陈列出常用模架的各种类型，以及各型号中的所有尺寸规格和零件关键参数，在开发人机交互界面前需要先收集好模架关键参数，并将上述总结分析在界面中体现[9]。对话框部分编程代码和人机交互界面如图7所示。
图7 对话框界面图
3.4 模架程序设计
虽然注塑模的模架部分从整体上看是一个综合性的装配体，但是在NX建模环境中可以将其看作是一个个不同类型零件通过布尔运算组合而成的[10]。同样在程序法建模时也可以将模架看成是程序创建的模板，按照坐标计算得出的空间位置组合而成的装配模型。
在创建模架编程文件时除了上述分析外还要注意，为保证位置的准确性、降低出错概率，建议选用同一个坐标系作为基准；
巧妙利用各种求差、求和、求交、IF等函数工具。对函数工具的合理使用，不但可以得到准确的模架，还能减少对参数的变更和开发人员编程的工作量。部分代码如下：
3.5 模架程序法设计效果
以某次模架设计为例，在模架设计系统的会话框中先选择模架型号及尺寸，如简化细水口-FCI-3535，随后在模板参数中确定或修改文本对话框中各模板参数，以及在复选框中勾选是否需要撬模角、模坯倒角等内容参数，在位图中确认是否为自己所需要的模架类型后，点击确定按钮即可在1 min内生成模架，如图8所示。
图8 简化细水口FCI模架效果图
本文以知识工程技术为基础提出专用设计系统的研发思路，以模具零件分类为理论依据确定哪类零件可以通过设计重用来实现效率提升；
随后通过对常用注塑模架特征分析和设计经验总结，在NX平台基础上使用程序建模法开发出了注塑模架专用设计系统。
该注塑模架专用设计系统与NX平台能有机融合，操作界面符合当下设计人员的使用习惯，操作简单易上手；
将所有模架类型编入系统中以 供用户随时调用，避免了重复性建模工作，将原先60 min的设计工作压缩至5 min以内完成，显著缩短了模具设计周期；
其次将提取的专家知识经验融入系统中，使得模具的设计质量得到有效提升，并降低了用户对经验的依赖程度，使得知识得到有效继承；
最后，该注塑模架专用设计系统的研发为其他零件快速设计系统的开发提供了参考和依据。