注塑机行业数字化设计平台

　　针对注塑机行业自主创新开发能力缺乏的现状，提出了一个集成研究机构、行业协会、企业智力及信息资源的注塑机产品数字化设计开发平台。该平台集设计、关键技术研究和相关技术成果于一体。在分析平台特点的基拙上，对几个主要关键技术（虚拟设计、协同设计和产品更新换代数据管理等）进行了讨论。

　　0 引言

　　注塑机产业在民营企业为主体的庞大产业集群基础上，已经形成了规模较大的生产能力。目前，国内注塑机制造业自主开发能力相对落后，设计能力、制造工艺技术和装备水平相对较低，生产的产品主要以中低档为主，造成国际竞争能力较差，利润低的局面。因此，注塑机行业亟须提高企业的核心技术竞争力，进而通过技术进步带动整个行业和相关产业链的可持续发展。作者提出一个集设计、制造等关键技术研究和相关技术成果于一体的注塑机产品数字化设计开发平台，为提升注塑机行业的整体核心竞争力提供必要的技术基础。

　　1 注塑机数字化设计开发平台体系结构

　　作为中等复杂的机电产品，注塑机的设计包括机、电、液、控等内容，设计知识是多样化的，设计过程有其一定的复杂性。对于产品设计领域来说，涉及到布局设计、结构设计和强度分析。同时设计过程是1个不断迭代反馈的过程，设计过程中不但需要大量的领域知识、专家经验、技巧和一定量的科学分析计算，而且为了满足注塑机的性能要求，在结构强度、运动学和动力学特性、液压系统设计等方面也面临许多设计难题，涉及到多学科多专业，需要将不同学科的分析、设计和优化集成一体，因此，迫切需要1个先进高效的设计手段和软件集成环境[1]。注塑机数字化设计平台（图1）基于知识工程、面向对象和协同设计技术，弥补了传统技术的不足，开辟了设计领域新的研究方向。注塑机数字化设计平台是各种计算机辅助技术面向产品全生命周期的集成化综合运用，涉及的技术领域广泛，包括CAX 计算机辅助设计CAD，计算机辅助机械设计CAM，计算机辅助工程CAE）技术、产品开发管理技术、虚拟产品开发技术和虚拟制造技术等，其中，建模与仿真技术是其核心。但是，注塑机设计平台不是已有各单项技术的简单组合，而是对制造知识进行系统化组织，对工程对象和制造活动进行全面建模，在相关理论和已积累知识的基础上的有机集成。

　　2 功能框架结构

　　2.1 数字设计平台

　　数字化设计是现代产品设计的主流，数字化模型是数字化设计的核心内容。注塑机企业在追求产品性能的前提下，也注重对产品的外观设计，以使产品结构的布局更合理美观。因此，1种新型注塑机产品的开发，是产品结构布局设计和3D实体造型设计的完美结合。因此，平台的设计分为几个设计单元：

　　1）结构的布局设计。根据注塑机设计理论，构建出注塑机结构的布局设计方案，建立主体结构的数字化设计模型，进行参数化设计，快速生成注塑机设计的主要结构尺寸，提高注塑机结构布局尺寸的设计效率。

　　2）3D实体造型设计。3D实体造型模块主要对注塑机的主要部件进行造型设计，应用3DMax等造型软件绘制出注塑机主要部件结构形状，生成新的注塑机的效果图。在总体结构设计模块的主要结构尺寸的约束下，通过Pro/E等3D实体绘图软件，设计出注塑机零部件3D实体造型，并展成生产所需的2D生产用图。

　　3）产品物料清单（BOM）设计。主要功能是完成新注塑机的总体设计。选配该机型的所有零部件，生成整机的3D实体造型图。基础框架BOM如图2所示。

2.2 性能分析平台

　　主要功能是在设计平台的实体造型数字模型的基础上，对新设计的注塑机零部件数字模型进行静力学、运动学、动力学和整体干涉等进行分析和产品性能试验。利用虚拟环境，对模型进行各种性能分析，然后改进样机设计方案，用虚拟数字化形式代替传统的实物样机，可以简化产品的实际开发过程，大幅度缩短产品开发周期，减少产品开发费用和成本。

　　2.3 虚拟制造平台

　　虚拟制造平台以数字化样机为基础，进行计算机辅助工艺规程设计（CAPP）的编制，零部件加工及生产流程的仿真及CAM。虚拟加工平台在于提供1个仿真建模环境，在这一环境下，产品的加工、装配及其相关制造过程都可以在实际制造之前，借助计算机实现建模仿真，提高实际产品的生产效率。在产品设计阶段，能实时并行地模拟出产品未来制造过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、制造成本和可制造性，从而更有效、更经济、灵活地组织制造生产，使企业内部资源得到合理配置，并通过资源重组使生产布局更加合理有效，以达到提高实际生产效率的目的。

　　3 平台的主要关键技术

　　注塑机数字化开发平台是以数字模型为基础，通过数字化产品模型反映从设计到制造的整个演变过程。数字化平台的设计过程是由不同地域人员在异构环境下采用分 布式协同工作，实现产品数据交换，并通过工作流管理实现版本控制、冲突协调、约束管理及产品开发流程管理等。在平台开发的过程中，主要涉及虚拟设计、协同 设计和产品数据管理（PDM）等几个关键技术。

　　3.1 虚拟设计

　　虚拟设计就是在计算机辅助设计、分析、制造软件系统中创建1个虚拟的、数学化的产品数字样机，代替部分或全部的物理样机，利用数字样机来完成初期设计，通 过物理样机完成的各项试验的虚拟考核，应用计算机分析优化技术求得最合适的设计方案，以保证产品在初期设计阶段的成功率。

　　注塑机平台的虚拟设计技术是将设计人员在设计过程中的逻辑思维和经验数据在计算机上具体体现的过程。克服了传统注塑机行业的设计、制造和试验的反复的产品 开发模式的局限性，开创集设计、装配、制造和试验于一体的集成的产品开发模式。使产品设计人员在方案设计阶段就能在计算机上看到完整的注塑机数字样机，并 利用其数字样机完成对产品的虚拟分析、虚拟试验和虚拟制造。虚拟开发流程如图3所示。

　　主要功能是在设计平台的实体造型数字模型的基础上，对新设计的注塑机零部件数字模型进行静力学、运动学、动力学和整体干涉等进行分析和产品性能试验。利用 虚拟环境，对模型进行各种性能分析，然后改进样机设计方案，用虚拟数字化形式代替传统的实物样机，可以简化产品的实际开发过程，大幅度缩短产品开发周期， 减少产品开发费用和成本。

　　虚拟开发主要分为以下3个阶段：

　　（1）数字样机设计

　　注塑机的整体设计构思可以通过计算机应用虚拟设计技术完美地展现出来，建立起数字样机，然后将这个数字样机置于虚拟环境中进行仿真和分析，可以在设计阶段 就对设计的方案、结构等进行仿真，方便、直观地进行工作性能检查，使在设计阶段就能预测、分析、评估产品各种质量、性能指标、生产制造的方式和可能。

　　（2）分析及优化

　　利用建立的注塑机数字样机，通过进行装配仿真、机构运动仿真来进行尺寸干涉检查和运动干涉检查，及时发现设计中的错误，实现产品设计尺寸的正确性。并以有 限元分析及优化分析技术理论为基础，利用ANSYS,ADAMS等软件进行静力学、动力学分析，确定相应的性能指标，从而寻找出最佳的整体设计方案。

　　（3）加工及生产仿真

　　通过计算机将虚拟设计的零部件进行虚拟加工制造及生产仿真，可以验证生产制造可行性，进一步优化产品设计的合理性、可加工性，加工方法、机床和工艺参数的选用，以避免加工过程中可能出现的加工缺陷等。

　　3.2 协同设计

　　在平台的开发环境中，注塑机的开发过程从传统的串行方式转变成并行协同方式。在设计过程中，注塑机总体设计和各单元设计之间同步和交互非常频繁。基于并行 工程的平台开发流程可以使不同阶段的工程设计人员同步进行开发，制造部门和供应商提前进行生产准备，从而缩短设计和制造周期。

　　设计平台系统通过各个设计制造单元共享数据库的形式，实现产品开发过程中的并行协同设计。并且提供并行工程所需的高效率的数据管理、流程管理、知识共享和同步设计等功能，以满足并行开发的要求。

　　实现对数字设计，分析仿真及虚拟制造各个单元的集成，有效管理各单元产生的信息，提供单元之间的信息传递和交换的平台。以应用集成平台为支撑，将注塑机设 计、分析、制造、工艺规划和质量管理等方面的信息孤岛集成在一起，形成贯穿企业全局的信息流。构建1个面向多功能设计团队的协同工作环境。

　　在平台的项目管理中组建由工业造型、力学分析和机电控制等多学科人员组成的动态注塑机产品开发团队。利用远程异构平台环境下的通信机制、数据保密技术、数 据一致性检查和冲突消解等技术，实现跨地域、跨部门、跨平台的用户在注塑机产品的开发过程中进行基于产品数字化模型的协同产品开发和设计问题的实时沟通， 消除产品设计信息的沟通障碍，检查和评估产品信息，共同探讨问题并找出解决问题的方法。

　　利用企业的自身的生产能力，借助高校和科研机构的知识技术支持，形成“虚拟企业”，高校和科研机构与企业共同参与产品的开发，合作伙伴都在第一时间得到一 致的产品信息，并利用这些信息展开实时的协同开发：包括查阅产品零件或装配模型，进行干涉检查，模拟运动仿真，实现远程评审交流设计思想等。

　　3.3 产品数据管理

　　PDM是以软件为基础，将所有与产品相关的信息和所有与产品相关的过程集成到一起。它将数据库的管理能力、网络的通信能力和系统的控制能力相结合，提供了 产品整个生命周期的信息集成化管理，并支持建立1个并行化的产品开发协作环境。PDM作为平台最主要的技术模块，为平台提供了必须的支撑环境与集成框架， 主要具有以下几个功能。

　　1）数据管理。平台PDM模块是以管理产品数据为核心，主要功能是实现产品各设计阶段数据资料的管理，如注塑机的布局模型，3D实体图及零部件的各种检测 分析数据，保证产品数据的交互性、清晰的借用关系和方便的数据查询等。PDM通过赋予各个设计部门权限和审批流程控制来保证数据的交互性和完整性，同时利 用面向对象的数据组织方式实现对分布式异构数据的存储、检索和管理。

　　2）工作流或过程管理。系统针对注塑机企业的产品开发的设计业务的流程将重点放到管理注塑机开发的过程上来。保留和跟踪注塑机产品从设计、开发、生产制造 整个过程中的所有历史记录，并定义产品从1个状态转换到另1个状态时必须经过的处理步骤。从注塑机数字化框架模型设计，造型设计，零部件的三维实体造型， 整机的三维实体装配，整机的数字化性能评测到计算机辅助生产，系统提供满足注塑机设计的开发过程的数据管理和过程管理要求。

　　3）产品结构与配置管理。以BOM为组织核心，把注塑机的所有工程数据和文档联系起来，使企业各部门在产品的整个生命周期内共享统一的产品配置，实现产品 数据的组织和管理，并且能在一定目标或规则约束下向用户或应用系统提供产品结构的不同视图和描述。通过建立相应的产品视图，企业的不同部门可以按其需要的 形式来对产品结构进行组织。

　　4）项目管理及零件库管理。可以对平台的注塑机产品的开发过程及其进度进行管理与监控，为进展中的项目或活动提供所需要的各种信息。也可以对已有各种注塑机零部件设计信息进行分类管理，以便最大程度地重新利用现有设计成果，为开发新产品提供支持。

　　4 结论

　　针对我国注塑机行业的特点及缺乏开发能力的现状，提出了注塑机数字化开发设计平台的概念，研究了注塑机设计、开发和制造整个生命周期数字化技术的应用，分 析了该平台的功能、特点及该平台主要涉及的几个主要关键技术。该平台可以大大加快注塑机行业新产品的开发能力，缩短发开周期，对于提高行业的竞争能力有十 分重要的意义。