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注射機(jī)仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)論文
摘要：文章介紹了注塑機(jī)的發(fā)展歷史，及將注塑系統(tǒng)與虛擬制造技術(shù)相結(jié)合，采用OpenGL建立圖形控制平臺(tái)，3D數(shù)字化技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示的科學(xué)可視化技術(shù)。通過(guò)生成三維逼真的虛擬場(chǎng)景，使用戶與場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，感知和操作虛擬的注射機(jī)。
一、注塑機(jī)綜述
（一）注塑機(jī)的原理
現(xiàn)以XS—ZY—250A型注塑機(jī)液壓系統(tǒng)為例介紹注塑機(jī)的原理。該注塑機(jī)采用了液壓—機(jī)械式合模機(jī)構(gòu)。合模液壓缸通過(guò)對(duì)稱(chēng)五連桿機(jī)構(gòu)推動(dòng)模板進(jìn)行開(kāi)模和合模。連桿機(jī)構(gòu)具有增力和自鎖作用，依靠連桿彈性變形所產(chǎn)生的預(yù)緊力來(lái)保證所需的合模力。系統(tǒng)通過(guò)比例閥對(duì)多級(jí)壓力（指開(kāi)合模、注射座前移、注射、頂出、螺桿后退時(shí)的壓力）和速度（指開(kāi)合模、注射時(shí)的速度）的控制，油路簡(jiǎn)單，使用閥少、效率高，壓力及速度變換時(shí)沖擊小，噪聲低，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和程控，也為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制創(chuàng)造了條件。注射過(guò)程主要分為如下幾個(gè)過(guò)程：合模–注射座前進(jìn)–注射–保壓–預(yù)塑–注射座后退–開(kāi)模–頂出–螺桿后退。
�。ǘ┳⑺軝C(jī)的發(fā)展
從注塑機(jī)出現(xiàn)起，大多數(shù)的中小型注塑機(jī)鎖模力只達(dá)到1000～5000kN，注射量達(dá)到50～2000g。到七十年代末期，工程塑料取得了飛速的發(fā)展，特別是在宇航、汽車(chē)、機(jī)械、船舶以及大型家用電器方面的廣泛應(yīng)用，使大型注塑機(jī)的發(fā)展取得了巨大的進(jìn)步，其中美國(guó)最為明顯。在1980年全美國(guó)市場(chǎng)上大約有140多臺(tái)10000kN以上鎖模力的大型注塑機(jī)，到了1985年增加到500多臺(tái)。目前，當(dāng)今世界最大的注塑機(jī)是由日本名機(jī)公司制造的，其鎖模力達(dá)到12萬(wàn)kN，注射量達(dá)到92kg。但是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)注塑機(jī)仿真系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，只是單純的注塑機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在教學(xué)與培訓(xùn)中只能有昂貴的注塑機(jī)實(shí)體來(lái)進(jìn)行。在注塑機(jī)仿真系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)領(lǐng)域，現(xiàn)在處于一片空白，塑料注射成型過(guò)程仿真集成系統(tǒng)是注射成形CAE軟件用來(lái)模擬、分析、優(yōu)化和驗(yàn)證塑料零件和模具設(shè)計(jì)。所以此軟件的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)具有廣闊的前景。
�。ㄈ┳⑺軝C(jī)現(xiàn)狀
注塑機(jī)是將熱塑性塑料或熱固性塑料利用塑料成型模具制成各種形狀的塑料制品的主要成型設(shè)備。由于塑料制品廣泛應(yīng)用于各個(gè)鄰域，使得注塑機(jī)和注塑模具的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。注塑加工過(guò)程是一個(gè)周期性的生產(chǎn)過(guò)程，現(xiàn)代化的注塑機(jī)械大都采用計(jì)算機(jī)控制，自動(dòng)化程度高，機(jī)械設(shè)備費(fèi)用昂貴，一套精密模具動(dòng)輒耗費(fèi)數(shù)十萬(wàn)元，而且實(shí)際生產(chǎn)中有高溫、高壓的工作環(huán)境，因而對(duì)生產(chǎn)線的操作人員有嚴(yán)格要求。
不恰當(dāng)?shù)恼`操作，不僅會(huì)損壞機(jī)械設(shè)備和模具，為企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也會(huì)危害到操作人員的身體健康，因而對(duì)注塑機(jī)械的操作人員一定要進(jìn)行嚴(yán)格的培訓(xùn)。傳統(tǒng)的注塑機(jī)操作培訓(xùn)必須在實(shí)際機(jī)床上進(jìn)行，這既占有了設(shè)備加工時(shí)間，又具有風(fēng)險(xiǎn)。因此，要使學(xué)生了解注塑成型機(jī)的結(jié)構(gòu)、操作流程和工藝過(guò)程，到實(shí)際的注塑成型機(jī)上實(shí)習(xí)是不太現(xiàn)實(shí)的。
二、注塑機(jī)仿真軟件的介紹
�。ㄒ唬┗舅悸芳皠�(chuàng)新點(diǎn)
基本思路：該選題將注塑系統(tǒng)與虛擬制造技術(shù)相結(jié)合，采用OpenGL建立圖形控制平臺(tái)，采用3D數(shù)字化技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示的科學(xué)可視化技術(shù)。通過(guò)生成三維逼真的虛擬場(chǎng)景，使用戶與場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，感知和操作虛擬注射機(jī)。
創(chuàng)新點(diǎn)：研制開(kāi)發(fā)出能模擬真實(shí)操作環(huán)境的虛擬注塑成型系統(tǒng)。該系統(tǒng)將多媒體技術(shù)與程序控制技術(shù)相結(jié)合，運(yùn)用三維軟件建立注塑機(jī)和注塑模具的三維模型，運(yùn)用動(dòng)畫(huà)制作軟件制作注塑成型過(guò)程的各個(gè)動(dòng)畫(huà)，采用程序控制技術(shù)，控制三維場(chǎng)景的加載和動(dòng)畫(huà)的顯示。該系統(tǒng)能使學(xué)生與場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)交互、感知和操作注塑機(jī)和模具，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中動(dòng)手去做實(shí)驗(yàn)。軟件本身具有開(kāi)放性、可移植性，操作簡(jiǎn)單易學(xué)，可以為廣大高校、培訓(xùn)機(jī)構(gòu)及注塑成型相關(guān)企業(yè)所接受。
�。ǘ┛茖W(xué)先進(jìn)性
現(xiàn)有技術(shù)中關(guān)于注塑機(jī)這一領(lǐng)域，只有注塑機(jī)實(shí)體，尚無(wú)注塑機(jī)仿真系統(tǒng)軟件。本項(xiàng)目基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的注射機(jī)仿真軟件，可用于注塑機(jī)和注塑模具的教學(xué)、注塑機(jī)操作培訓(xùn)、注塑系統(tǒng)遠(yuǎn)程培訓(xùn)等多個(gè)方面。
該軟件采用OpenGL建立圖形控制平臺(tái)，分別構(gòu)造了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)、顯示驅(qū)動(dòng)庫(kù)、仿真展示庫(kù)等模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中將操作面板、邏輯控制器、模型控制器和圖形平臺(tái)分為相對(duì)獨(dú)立的模塊。
該軟件可以進(jìn)行功能演示與模擬操作。功能演示主要以動(dòng)畫(huà)播放、聲音解說(shuō)與文字介紹三者結(jié)合的形式，介紹臥式螺桿注射機(jī)的結(jié)構(gòu)裝置、工作周期、工作原理以及操作過(guò)程。操作功能主要進(jìn)行注射機(jī)合模、注射、射座、頂出、調(diào)模整個(gè)工作過(guò)程的仿真。仿真效果可以達(dá)到比較高的水平，在注射機(jī)的仿真過(guò)程中，不僅可以實(shí)現(xiàn)基本的圖形操作：平移、旋轉(zhuǎn)、縮放和選擇，還可以隱藏注射機(jī)部分部件，使學(xué)生可以更好地觀察注射機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造。運(yùn)用該軟件，學(xué)生不僅可以更加直觀清楚地掌握注射機(jī)的結(jié)構(gòu)原理及其基本的操作過(guò)程，還可以在軟件上進(jìn)行注射機(jī)的模擬操作，加深對(duì)注射機(jī)操作的理解與記憶，方便教師的教學(xué)。
三、注塑機(jī)仿真軟件使用說(shuō)明及技術(shù)特點(diǎn)
�。ㄒ唬┦褂谜f(shuō)明
該軟件可以進(jìn)行功能演示與模擬操作。功能演示主要以動(dòng)畫(huà)播放、聲音解說(shuō)與文字介紹三者結(jié)合的形式，介紹臥式螺桿注射機(jī)的結(jié)構(gòu)裝置、工作周期、工作原理以及操作過(guò)程。操作功能主要進(jìn)行注射機(jī)合模、注射、射座、頂出、調(diào)模整個(gè)工作過(guò)程的仿真。
仿真效果可以達(dá)到比較高的水平，在注射機(jī)的仿真過(guò)程中，不僅可以實(shí)現(xiàn)基本的圖形操作：平移、旋轉(zhuǎn)、縮放和選擇，還可以隱藏注射機(jī)部分部件，使學(xué)生可以更好地觀察注射機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造。
�。ǘ┘夹g(shù)特點(diǎn)
該軟件采用OpenGL建立圖形控制平臺(tái)，分別構(gòu)造了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)、顯示驅(qū)動(dòng)庫(kù)、仿真展示庫(kù)等模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中將操作面板、邏輯控制器、模型控制器和圖形平臺(tái)分為相對(duì)獨(dú)立的模塊。
四、注塑機(jī)仿真軟件設(shè)計(jì)路線
1、首先對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的注射機(jī)進(jìn)行深入的了解，掌握其基本的構(gòu)成和工作原理以及其應(yīng)用方法，為軟件的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。
2、選取HDX50型臥式注射機(jī)通過(guò)solid works進(jìn)行三維建模，初步模擬其工作狀態(tài)，并將其轉(zhuǎn)化為STL格式，進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化后作為之后場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
3、通過(guò)需求分析將軟件系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。擬定四大模塊：主界面模塊、操作面板模塊、控制器模塊、展示平臺(tái)模塊。
4、著手軟件數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，根據(jù)需求進(jìn)行以下幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)、顯示驅(qū)動(dòng)庫(kù)、仿真展示庫(kù)。其中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)定義一系列基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，包括顏色類(lèi)，圖形基礎(chǔ)類(lèi)（HsghObject）；場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)提供場(chǎng)景的構(gòu)建，組織場(chǎng)景中的節(jié)點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行操作等功能；顯示驅(qū)動(dòng)庫(kù)主要提供視點(diǎn)處理、顯示驅(qū)動(dòng)，材質(zhì)渲染，圖形處理等功能；仿真展示庫(kù)是一個(gè)封裝了將場(chǎng)景展方法的類(lèi)，實(shí)現(xiàn)注射機(jī)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)仿真。
5、具體設(shè)計(jì)模塊，設(shè)計(jì)好各模塊之間的接口。使各模塊的功能能得以實(shí)現(xiàn)。
6、進(jìn)行軟件測(cè)試，并針對(duì)測(cè)試結(jié)果對(duì)軟件進(jìn)行優(yōu)化，基本上完成注射機(jī)仿真系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。
五、注塑機(jī)仿真軟件應(yīng)用前景
由于塑料制品廣泛應(yīng)用于各個(gè)鄰域，使得注塑機(jī)和注塑模具的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。注塑加工過(guò)程是一個(gè)周期性的生產(chǎn)過(guò)程，現(xiàn)代化的注塑機(jī)械大都采用計(jì)算機(jī)控制，自動(dòng)化程度高，機(jī)械設(shè)備費(fèi)用昂貴，一套精密模具動(dòng)輒耗費(fèi)數(shù)十萬(wàn)元，而且實(shí)際生產(chǎn)中有高溫、高壓的工作環(huán)境，因而對(duì)生產(chǎn)線的操作人員有嚴(yán)格要求。不恰當(dāng)?shù)恼`操作，不僅會(huì)損壞機(jī)械設(shè)備和模具，為企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也會(huì)危害到操作人員的身體健康，因而對(duì)注塑機(jī)械的操作人員一定要進(jìn)行嚴(yán)格的培訓(xùn)。傳統(tǒng)的注塑機(jī)操作培訓(xùn)必須在實(shí)際機(jī)床上進(jìn)行，這既占有了設(shè)備加工時(shí)間，又具有風(fēng)險(xiǎn)。因此，要使學(xué)生了解注塑成型機(jī)的結(jié)構(gòu)、操作流程和工藝過(guò)程，到實(shí)際的注塑成型機(jī)上實(shí)習(xí)是不太現(xiàn)實(shí)的。
該軟件是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的注射機(jī)仿真軟件，可用于注塑機(jī)和注塑模具的教學(xué)、注塑機(jī)操作培訓(xùn)、注塑系統(tǒng)遠(yuǎn)程培訓(xùn)等多個(gè)方面。采用計(jì)算機(jī)虛擬注塑成型系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，可以建立一個(gè)感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)相統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，給學(xué)生以逼真的體驗(yàn)，能夠在虛擬環(huán)境中動(dòng)手去做實(shí)驗(yàn)，增加感性認(rèn)識(shí)。這樣不僅可以大幅度降低學(xué)習(xí)或培訓(xùn)的成本，縮短學(xué)習(xí)時(shí)間，還能消除安全隱患，使教學(xué)和培訓(xùn)工作變得安全可靠。因此，這是一個(gè)十分重要且具有廣闊前景的研究課題。
參考文獻(xiàn)
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